電化學(xué)在診斷和治療的器件的應(yīng)用

1、電化學(xué)在診斷和治療的器件的應(yīng)用摘要：本文主要介紹應(yīng)用電化學(xué)方法診斷和治療的器件，主要從生物燃料電池、FET和DNA生物傳感器、利用電刺激傳導(dǎo)的治療方法、人工腎臟的電氧化除脲。關(guān)鍵詞：生物燃料電池、FET生物傳感器、DNA生物傳感器、生物兼容性電極電刺激傳導(dǎo)、血液透析、血液過濾、人工腎臟中的電氧化除脲.前言電化學(xué)是從研究電能和化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)換開始形成的。1791年，Galvani的“青蛙試驗”不僅為以后電化學(xué)學(xué)科的形成奠定了基礎(chǔ)也首次揭示

2、出電化學(xué)與生物學(xué)之間存在著密切的關(guān)系。進入20世紀70年代之后，電化學(xué)及其相關(guān)技術(shù)突破宏觀和介觀領(lǐng)域進入到微觀世界，實現(xiàn)了可以在原子及分子水平上研究界面電荷傳遞的行為。這些技術(shù)上的突破為在細胞及分子水平上深入理解和研究生命過程的化學(xué)本質(zhì)創(chuàng)造了更多的機會與條件，使電化學(xué)在生命科學(xué)研究中的地位與作用日益突出。在此背景下，一門新的交叉學(xué)科——生物電化學(xué)應(yīng)運而生【1】。生物電化學(xué)是在20世紀70年代初由電生物學(xué)、生物物理學(xué)、生物化學(xué)、電生理及電

3、化學(xué)等多門學(xué)科交叉形成的獨立學(xué)科，其主要研究的內(nèi)容是生物分子電化學(xué)、生物電催化、光合作用、活組織電化學(xué)、生物技術(shù)中的電化學(xué)技術(shù)等內(nèi)容。隨著生命科學(xué)特別是分子生物學(xué)和臨床醫(yī)學(xué)的發(fā)展，其研究開始對生命起源、癌癥成因、遺傳突變、藥理機制、衰老過程等的研究，有關(guān)生物分子的檢查和分子間作用機制的研究也就愈顯重要。電化學(xué)作為重要的實驗手段，結(jié)合其自身的優(yōu)點，尤其基于近期在光譜電化學(xué)等方面的研究進展，可以預(yù)計，電化學(xué)方法不僅在上面提到的幾個方面的應(yīng)用

4、將得到加強，而且電化學(xué)方法對于研究生物體系或模擬某些生物過程中發(fā)生的重要生化反應(yīng)，揭示生物體內(nèi)的物質(zhì)代謝和能量轉(zhuǎn)換，發(fā)展高靈敏度和高選擇性的生化分析方法和生物分子器件等都將有很大的應(yīng)用前景【2】。應(yīng)用電化學(xué)方法診斷和治療的器件主要從生物燃料電池、FET生物傳感器和DNA生物傳感器、利用電刺激傳導(dǎo)的治療方法、人工腎臟中的電氧化除脲這四方面進行探討和研究。1.生物燃料電池(biologicalfuelcellBFC)【3】1.1生物燃料電池

5、的原理與定義1.11生物燃料電池的原理目前，正在研發(fā)的生物燃料電池種類很多，結(jié)構(gòu)也有一定的差異，但其原1.3生物燃料電池在電化學(xué)方面的應(yīng)用植入人體內(nèi)的電化學(xué)系統(tǒng)能夠完成生物學(xué)和醫(yī)學(xué)研究，以及診斷和治療各種任務(wù)。例如當(dāng)心臟不能進行協(xié)同動作，而且病態(tài)從一部分區(qū)域漫延到大部分心肌，就會造成心臟停跳；在這種情況下，必須靠一個植入的心臟起搏器來拯救生命，這就要把人工脈沖傳送給心臟，刺激它的功能活性。植入器件需要電源，LiI2電池用于臨床試驗已有較

6、好的效果，但若利用人體內(nèi)的活性物質(zhì)進行發(fā)電則更理想。按照燃料電池的原理，對“肉體物質(zhì)”進行體內(nèi)電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換，即直接將生物化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋Ｊ褂皿w內(nèi)的氧和生物燃料如葡萄糖，在生理體液中啟動燃料電池。葡萄糖是體內(nèi)最重要的燃料，它在血液和體液中的含量接近1gL。因為缺少可以迅速是葡萄糖定量氧化到CO2的催化系統(tǒng)，5W以上的功率的目標(biāo)尚未達到，故人們更傾向于發(fā)展提供低功率的生物燃料電池，如心臟起搏器用的電池。LiI2電池具有高能量密度和低自放

7、電速率，用膠囊把它完成包封后可植入體內(nèi)，臨床壽命接近十年。這一突破使需求生物燃料電池的迫切性減少了，但是可把生物燃料電池應(yīng)用到探測器，例如葡萄糖傳感器。生物電功率的產(chǎn)生也是很有魅力的研究課題，例如植入的藥物釋放器所用的電源。2.FET生物傳感器和DNA生物傳感器21生物傳感器的簡介【4】自20世紀中葉以來，隨著人類生命本質(zhì)、生命過程和生命體與其生存環(huán)境的信息交流的認識的不斷深入，研究發(fā)展新的分析手段越來越重要。分析生物技術(shù)的一個重要領(lǐng)域

8、便是生物傳感器（biosens）它是一個典型的多學(xué)科交叉產(chǎn)物，結(jié)合了生命科學(xué)、分析化學(xué)、物理學(xué)和信息科學(xué)及其相關(guān)技術(shù)，能夠?qū)λ枰獧z查的物種進行快速分析和追蹤。生物傳感器的出現(xiàn)，是科學(xué)家的興趣和科學(xué)技術(shù)發(fā)展及社會發(fā)展需求多方面雙驅(qū)動的結(jié)果，經(jīng)過30多年的發(fā)展，已經(jīng)成為一個涉及內(nèi)容廣泛、多學(xué)科介入和交叉、充滿創(chuàng)新活力的領(lǐng)域。2.1.1生物傳感器的原理和特點生物傳感器的傳感原理如圖（1）所示，其結(jié)構(gòu)包括兩部分：生物敏感膜和換能器（又稱一次儀