非对称疏水和亲水双向功能浸润性多孔膜及其应用的制作方法

本发明涉及一种分离膜，特别涉及一种非对称疏水和亲水双向功能浸润性多孔膜及其应用。

背景技术：

目前糖尿病及其并发症严重危害着人们的健康。我国糖尿病人约有3500万，发病率居世界第二位。糖尿病人需要多次实时监测血糖水平。但是，在使用血糖仪进行血糖测试时，由于细胞会干扰葡萄糖的扩散，导致血糖测试结果偏差较大。通过离心技术将细胞/血浆(或血清)分开是医学上普遍采用的一种方法。由于血糖仪测试需要较小的血样体积，以及多次实时测试的需求，因此离心方法不适于血糖快速检测。近年来，多孔膜开始应用于血糖检测前的细胞/血浆(或血清)分离。通过制备具有一定尺寸的孔径的分离膜，实现对细胞的截留，同时血浆可以通过孔径扩散至氧化酶层进行反应并检测。此外，多孔膜还可用于酮、蛋白质、胆固醇、苯基丙氨酸等检测前的细胞/血浆(或血清)分离。cn1759316b和cn10189198a制备了具有非对称孔径的分离膜，血液从大孔径侧向小孔径侧扩散时，因此该多孔膜能够阻隔细胞的通过。jp昭56-164417a使用聚醚砜/纤维素制备了血液分离膜，细胞被分离膜阻隔，血浆(或血清)通过毛细管力扩散至分离膜的另一侧。但是，这类分离膜是亲水的，在血液分离过程中通常需要较大体积才能实现渗透。例如cn10189198a中制备的多孔膜一般需要120μl血液才可实现血液渗透-细胞/血浆(或血清)分离。为减轻糖尿病人在血糖监测时的不适，减小血样的采集体积，因此急需开发可实现更小血液体积中细胞/血浆(或血清)分离的多孔膜。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种非对称疏水和亲水双向功能浸润性多孔膜及其应用，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种非对称疏水和亲水双向功能浸润性多孔膜，其包括：

多孔基膜，具有第一表面、与第一表面相背对的第二表面和贯穿所述第一表面和第二表面的多个通孔，

以及，至少包覆于所述多孔基膜表面的亲水性无机纳米材料，并且所述亲水性无机纳米材料在所述第一表面的分布密度大于在所述第二表面的分布密度，使所述第一表面的亲水性优于所述第二表面。

在一些较为优选的实施方案中，所述第一表面的静态水接触角<90°，所述第二表面的静态水接触角>90°。

在一些实施方案中，所述多孔膜的制备方法包括界面反应、表面涂覆、原位生长、表面接枝技术中的任意一种。

本发明实施例还提供了所述的非对称疏水和亲水双向功能浸润性多孔膜于检测生物分子中的用途。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

(1)本发明的非对称疏水和亲水双向功能浸润性多孔膜具有非对称浸润的特性，即膜两侧的浸润性不同，一侧倾向于具有更好的亲水性，另一侧倾向于具有更好的疏水性，这种特性使微量体积(<100μl)的液滴(如水、血液及其他体液等)可在自驱动条件下快速透过所述多孔膜，并通过孔径筛分作用截留住较大尺寸的物质(例如细胞)，从而实现微量体积液体的高效分离，克服了现有血液分离膜消耗血液体积较大的问题，能够减轻血液检测过程中对病人造成的不适。

(2)本发明的非对称疏水和亲水双向功能浸润性多孔膜的制备工艺简单，大小、厚度易于调控，利于规模化生产。

(3)本发明的非对称疏水和亲水双向功能浸润性多孔膜可以集成于血糖检测仪器中，通过对血液中红细胞的分离，实现对糖尿病人血糖浓度的精准检测，消除红细胞在血糖检测中的影响，此外还适用于血液中酮、蛋白质、胆固醇、苯基丙氨酸等生物分子的精准检测。

附图说明

图1a是本发明实施1中非对称疏水和亲水双向功能浸润性多孔膜的上表面的扫描电镜图；

图1b是本发明实施1中非对称疏水和亲水双向功能浸润性多孔膜的下表面的扫描电镜图；

图2a是本发明实施例1中非对称疏水和亲水双向功能浸润性多孔膜的上表面对水的静态接触角图；

图2b是本发明实施例1中非对称疏水和亲水双向功能浸润性多孔膜的下表面对水的静态接触角图；

图3是本发明实施例1中的血液分离-血糖检测示意图；

图4是本发明实施例1中的葡萄糖氧化前后产生的电流对比图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明实施例的一个方面提供了一种非对称疏水和亲水双向功能浸润性多孔膜(如下简称“多孔膜”)，其包括：

多孔基膜，具有第一表面、与第一表面相背对的第二表面和贯穿所述第一表面和第二表面的多个通孔，

以及，包覆于所述多孔基膜表面的亲水性无机纳米材料，并且所述亲水性无机纳米材料在所述第一表面的分布密度大于在所述第二表面的分布密度，使所述第一表面的亲水性优于所述第二表面。

在一些实施方案中，所述多孔膜由高分子或无机材质的多孔基膜及其表面包覆的亲水性无机纳米材料构成，亲水性无机纳米材料在多孔基膜的厚度方向上呈梯度非均匀分布，这种梯度非均匀分布赋予所述多孔膜非对称浸润的特性。

在一些实施方案中，所述多孔基膜可选用静电纺丝法、甩膜法、涂膜法、减压过滤法、注膜法和刮膜法中的任意一种制备成膜，也可选用市售的金属网(如铜网、铁网)、玻璃筛网和无机碳膜。

进一步的，所述多孔基膜的主体材料至少包括但不限于聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚醚砜、聚酰胺中的任意的一种。

进一步的，所述多孔基膜的主体材料至少包括但不限于铜、铁、玻璃、无机碳材料中的一种。

进一步的，所述亲水性无机纳米材料主体材料至少包括但不限于碳酸盐、磷酸盐、硅酸盐、金属氧化物、金属氢氧化物中的一种。

进一步的，所述多孔膜两侧表面对水的浸润性不同，其中一侧倾向于具有更好的亲水性，其静态水接触角<90°；另一侧倾向于具有更好的疏水性，其静态水接触角>90°。亦可理解为，所述第一表面的静态水接触角<90°，所述第二表面的静态水接触角>90°。

进一步的，所述亲水无机纳米材料在所述多孔膜的厚度方向上呈梯度非均匀分布。

较为优选的，所述多孔膜的有效孔径为0.1μm～5μm。

较为优选的，所述多孔膜的厚度为10nm～500μm。

较为优选的，所述亲水性无机纳米材料的粒径为1nm～5μm。

进一步的，在自驱动条件下，体积小于100μl的水或水溶性体液从所述多孔膜上的单一位置一次性透过所需的时间小于60s。

本发明实施例的另一方面还提供了所述的非对称疏水和亲水双向功能浸润性多孔膜的制备方法，包括：至少选用界面反应、表面涂覆、原位生长、表面接枝技术中的任意一种方法制得所述多孔膜。

较为优选的，所述多孔膜可透过界面反应方法制备，包括：配制两种一定浓度的无机盐溶液，然后将所得溶液注入预先固定有多孔基膜的界面反应器中，最后在一定温度条件(例如在20～70℃的水浴中)进行界面反应，经一定时间后(例如0.5h以上)在多孔基膜内部及表面生成无机纳米材料，从而制成目标产品。

其中，一种所述的无机盐溶液可以选自包含磷酸铵、磷酸氢铵、硫酸铵、碳酸铵、碳酸氢铵、硫酸氢铵等的一种或多种的溶液，其中无机盐的浓度可以为约0.01m～1m。另一种所述的无机盐溶液可以选自包含氯化钙、氯化钡、硝酸钙、氯化镁、硝酸镁、硝酸钡等的一种或多种的溶液，其中无机盐的浓度可以为约0.05m～2m。

进一步的讲，基于本说明书的内容，本领域技术人员还可以通过控制多孔基膜材料和无机盐类物质的种类、浓度(或比例)，ph值、时间等，进而制备具备不同形貌纳米材料、浸润性、孔道结构、厚度、面积的多孔膜，藉以满足实际应用的需要。

相应的，本发明实施例的另一方面还提供了所述多孔膜的用途，例如检测生物分子中的用途、制备生物分子检测试剂盒的用途、制备生物分子检测装置的用途。

例如，藉由所述多孔膜可以实现自驱动条件下体积小于100μl的微量水或水溶性体液体在小于60秒快速透过多孔膜，实现自驱动条件下微量体积水或水溶性体液的快速透过和高效分离。

进一步的，例如所述多孔膜可以实现自驱动条件下小于100μl微量体积血液的在小于60秒快速透过多孔膜，并通过孔径筛分作用截留住血液中的细胞，实现细胞/血浆(或血清)高效分离。

进一步的，所述的多孔膜可用于血液生物分子检测，包括但不限于血糖，血酮、尿酸，乳酸，胆固醇，苯基丙氨酸，蛋白质的精准检测。

例如，本发明的一些实施例中还提供了一种生物分子检测装置，其包括所述的非对称疏水和亲水双向功能浸润性多孔膜。

所述生物分子检测装置可以是血糖检测装置，但不限于此。

以下结合附图和实施例对本发明的技术发明作进一步的解释说明。

实施例1

取聚醚砜(pes)溶于n-甲基吡咯烷酮(nmp)中，配制5wt％溶液(10ml)，然后加入100μl氨水(约25-28wt％)，并搅拌至均匀。将所得高分子溶液在ptfe基板表面进行刮膜后，转入凝固浴(水)中进行相转化。最后取出，室温干燥，制得pes多孔膜(厚度：100μm，孔径：<5μm)。

将上述多孔膜固定于界面反应器中，分别加入磷酸铵水溶液(浓度约0.197m)和氯化钙溶液(浓度约0.328m)，然后将反应器放置于水浴锅中进行反应(温度约50℃)。10小时后取出多孔基膜，纯水清洗，室温干燥，制得最终目标产品多孔膜，其上、下表面的形貌和对于水的静态接触角可分别参阅图1a、图1b、图2a和图2b。

再参照图3所示设计，将所述多孔膜与血糖检测仪集成，可准确测量血糖浓度，相应检测结果可参阅图4。

实施例2

将聚偏氟乙烯(pvdf)溶液溶于n,n-二甲基甲酰胺(dmf)中，制得10wt％pvdf/dmf溶液，然后通过静电纺丝工艺(电压：14-15kv)制备pvdf多孔膜(厚度：7μm，孔径：<5μm)。

将上述多孔膜固定于界面反应器后，分别加入磷酸氢铵水溶液(浓度约0.592m)和氯化钡溶液(浓度约0.986m)，然后将反应器放置于水浴锅中进行反应(温度约20℃)。2小时后取出多孔膜，纯水清洗，室温干燥，制得最终目标产品多孔膜。

实施例3

将铜网(市售，500目)置于氢氧化钠(浓度约2.5m)和过硫酸铵(浓度约0.13m)混合水溶液中反应20分钟，得到长有cu(oh)2纳米线的金属铜网膜(孔径：<5μm)。

将上述铜网膜固定于界面反应器中，分别加入碳酸氢铵水溶液(浓度约0.098m)和硝酸钙溶液(浓度约0.164m)，然后将反应器放置于水浴锅中进行反应(温度约50℃)。0.5小时后取出多孔膜，纯水清洗，室温干燥，制得最终目标产品多孔膜。

实施例4

将碳纳米管(0.1mg/ml)通过十六烷基苯磺酸钠(1mg/ml)分散到水中，在10,000rpm离心30分钟后去除下层沉淀，得到分散液。然后稀释后减压抽滤到混合纤维素酯膜(孔径：0.45μm)上，得到碳纳米管膜。

将上述碳纳米管膜固定于界面反应器中，分别加入磷酸氢铵水溶液(0.592m)和氯化钙溶液(0.986m)，然后将反应器放置于水浴锅中进行反应(温度约70℃)。1小时后取出多孔膜，纯水清洗，室温干燥，制得最终目标产品多孔膜。

对比例1

取聚醚砜(pes)溶于n-甲基吡咯烷酮(nmp)中，配制5wt％溶液(10ml)，然后加入100μl氨水，并搅拌至均匀。将所得高分子溶液在ptfe基板表面进行刮膜后，转入凝固浴(水)中进行相转化。最后取出，室温干燥，制得pes多孔膜(厚度：100μm，孔径：<5μm)。

将上述多孔膜分别浸泡于磷酸铵水溶液(浓度约0.197m)和氯化钙溶液(浓度约0.328m)中各5小时后，取出，纯水清洗，室温干燥，制得最终目标产品多孔膜。

对比例2

将聚偏氟乙烯(pvdf)溶液溶于n,n-二甲基甲酰胺(dmf)中，制得10wt％pvdf/dmf溶液，然后通过静电纺丝工艺(电压：14-15kv)制备pvdf多孔膜(厚度：7μm，孔径：<5μm)。

将上述碳纳米管膜分别置入磷酸氢铵水溶液(浓度约0.592m)和氯化钙溶液(浓度约0.986m)进行浸泡(温度约20℃)。1小时后取出，纯水清洗，室温干燥，制得最终目标产品多孔膜。

表1为对比例1和实施例1制备的多孔膜的浸润性能比较

表2为血液在对比例2和实施例2的制备的多孔膜的表面行为

注：表2中测试血液的体积为13μl.

参阅表1和表2可知，本发明多孔膜具有非对称浸润性，并可有效地对微量体积血液的渗透分离。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。