CN101413183B - 一种高分子静电纺丝薄膜及制法和在生物检测中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高分子静电纺丝薄膜及制备方法和在生物检测中的用途。该高分子静电纺丝薄膜是由不溶于水的高分子静电纺丝杂乱无章地交织在一起构成的膜状物，高分子静电纺丝的直径为50-1000nm，薄膜厚度为5μm-1mm。制备方法是在静电纺丝装置中进行静电纺丝，所得纺丝经过压制、水浸润后再压制得到密实、平整、操作性强的高分子静电纺丝薄膜。该薄膜可以应用于生物检测中作为蛋白质吸附的载体，它与传统的蛋白质吸附载体膜相比，吸附量更大。这种薄膜的制备方法简单，成本低，可以解决静电纺丝蓬松、不平整、掉丝的问题，使得静电纺丝无纺布转变成可以用于生物检测的静电纺丝薄膜，也可以应用在组织工程、生物检测、催化剂负载和过滤材料等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种高分子静电纺丝薄膜和它的制备方法，具体是涉及一种不溶于水的高分子静电纺丝的后处理方法，得到平整密实的静电纺丝薄膜，该薄膜可以用于生物检测。
背景技术
静电纺丝技术被广泛用于制备高分子纤维无纺布，该方法设备简单、成本低廉，这种无纺布具有很大的比表面积，还具有较大的孔隙率，在很多方面有很好的应用，如在生物检测，组织培养，医用绷带等领域。(参考文献：D.Li，Y.Xia，Adv.Mater.2004，16，1151)。高分子材料已经很广泛的应用于生物检测中，如在对蛋白质的吸附上，传统的蛋白吸附的载体有硝酸纤维素膜(NC膜)，重氮苄氧甲基纤维素纸(DBM纸)，尼龙膜，聚偏氟乙烯膜(PVDF膜)等，蛋白用量比较大，有的成本相对较高。现在已经有报道使用高分子薄膜作为蛋白吸附的载体，如蒋兴宇等人利用具有纳米孔结构的聚碳酸酯薄膜结合微流控技术快速检测HIV病毒，使用的聚碳酸酯膜是径迹刻蚀方法得到的已经商品化生产的滤膜。(参考文献：X.Jiang et al.J.Am.Chem. Soc.2003，125，5294)。现在的蛋白吸附检测越来越倾向于微量和精确的检测，蒋兴宇采用的微流控技术检测HIV病毒方法中，使用的样品量很少。如果进一步提高蛋白的吸附量，就能提高检测的灵敏度，在微量检测中得到更好的检测效果。高分子静电纺丝形成的无纺布具有很强的蛋白吸附能力。但是在形成纺丝的过程中，由于纺丝带静电相互排斥，得到的静电纺丝无纺布一般都是很蓬松的结构，难以操作，不能直接应用。这就需要找到一种普遍适用的方法，将蓬松的静电纺丝无纺布制备为可以方便操作的结构紧密的静电纺丝薄膜，将该静电纺丝薄膜应用在生物检测中，以提高检测的灵敏度。
发明内容
本发明的目的之一在于：提供一种具有很强蛋白吸附能力、大比表面积、平整的高分子静电纺丝薄膜。
本发明的目的之二在于：提供一种在静电纺丝装置中，通过进行高分子静电纺丝，再将所静电纺出的丝经过压制和润湿处理工艺，得到均一、密实、平整、操作性好的高分子静电纺丝薄膜的制备方法。
本发明的目的之三在于：将具有很强蛋白吸附能力、大比表面积、平整的高分子静电纺丝薄膜，作为蛋白质吸附的载体应用于生物检测中的用途。
本发明的目的是这样实现的：
本发明提供的一种高分子静电纺丝薄膜；其特征在于，所述的高分子静电纺丝薄膜由不溶于水的高分子静电纺丝杂乱无章地交织在一起构成，所述的高分子静电纺丝的直径为50-1000nm，所述的薄膜厚度为5μm-1mm。
在上述的技术方案中，所述的不溶于水的高分子静电纺丝，包括聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯腈、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚乳酸或聚己内酯材料制作的静电纺丝。
本发明提供的一种高分子静电纺丝薄膜的制备方法，包括步骤如下：
a).配制用于电纺的高分子溶液，同时进行磁力搅拌5-10小时，配制成透明、分散均匀的高分子溶液，在静电纺丝装置上进行电纺，静电纺丝承接在承接铝箔上，电纺装置如附图1)所示，静电纺丝的微观结构如附图2)电镜照片所示；所得的静电纺丝特征为蓬松、不均匀、不具备一般薄膜材料的机械强度，因此操作性不好，如附图3)所示；
b).将蓬松的电纺丝平整放置在平台上，在其上方施加100-1000Pa的压强，压制至少10小时，得到平整的静电纺丝薄膜；
c).将水缓慢滴加在步骤b)所得的静电纺丝薄膜上，充分浸润，然后将湿润静电纺丝薄膜晾干至无集聚水珠状态；
d).在步骤c)所得的静电纺丝薄膜上方施加100-1000Pa的压强，压制至少10小时，即得到本发明的高分子静电纺丝薄膜；如附图5所示。
本发明提供的一种高分子静电纺丝薄膜，可以作为蛋白质吸附的载体应用于生物检测中。
本发明制备的高分子静电纺丝薄膜在生物检测中的应用是这样实现的，如附图6所示，具体包括以下步骤：
1)利用软刻蚀技术得到表面有管道的聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜；将 PDMS膜与玻片进行等离子处理，将高分子静电纺丝薄膜封闭在PDMS与玻片之间；向PDMS的管道中通入磷酸盐缓冲液(PBS)溶液润湿，再通入一定浓度的抗原蛋白溶液，孵育1小时，抽空溶液；
2)切下PDMS膜，取出吸附了抗原的高分子静电纺丝薄膜；
3)在其垂直方向上重新封接一片PDMS，用PBS溶液润湿以后，通入荧光标记的抗体溶液，与抗原在暗处反应，孵化1小时，抽出溶液；
4)切下PDMS膜，取出吸附了抗原和带荧光的抗原抗体结合物的高分子静电纺丝薄膜；
5)荧光显微镜观察荧光强度，在管道的交叉处可以看出明显的方形荧光亮块。
本发明相对于已有技术具有如下的优点：
本发明提供的制备高分子静电纺丝薄膜的方法，在制备过程中采用将蓬松的高分子静电纺丝经过水润湿，增加了纺丝之间的相互作用力，然后施加一定大小的压力，压制一定时间，得到平整、均匀、可操作性强的高分子静电纺丝薄膜。该方法使用的设备简单，制作成本低。
本发明提供的高分子静电纺丝薄膜，由于是采用不溶于水的高分子溶液通过静电电纺丝技术，静电纺丝的直径为50-1000nm，纺丝杂乱无章地交织在一起组成，再通过压制制成的薄膜。因此该薄膜具有大的比表面积、厚度均匀平整、可操作性强、蛋白吸附能力强，可以广泛应用于组织工程、生物检测、催化剂负载和过滤材料等领域，解决这些领域的关键问题。
本发明的高分子静电纺丝薄膜应用在生物检测中，与现在的生物检测等方面所使用的载体薄膜相比，由于制备本发明的高分子静电电纺丝薄膜的原料廉价、设备简单、成本相对较低，因此所生产的高分子静电纺丝薄膜的价格也低。由于本发明制备出的高分子静电纺丝薄膜具有很大的比表面积，在生物检测中，具有吸附更多蛋白、提高检测灵敏度的优势，同时可以成为各种商用薄膜的替代品。
附图说明：
图1：静电纺丝装置示意图；
图2：静电纺丝扫描电镜照片；
图3：蓬松的高分子静电纺丝无纺布的数码照片；
图4：本发明所涉及的高分子静电纺丝薄膜的数码照片；
图5：本发明所涉及的制备高分子静电纺丝薄膜方法的流程图；
图6：本发明所涉及的高分子静电纺丝薄膜应用于生物检测的流程图。
图面说明如下：
1-1-纺丝管 1-2-纺丝溶液 1-3-纺丝喷嘴
1-4-高压发生器 1-5-高分子静电纺丝 1-6-接受铝箔
1-7-纺丝固定架 5-1-静电纺丝 5-2-接受铝箔
5-3-施压重物 5-4-玻片 5-5-水或磷酸盐缓冲液
6-1-微流管道入口 6-2-微流管道出口 6-3-聚二甲基硅氧烷
6-4-微流管道 6-5-高分子静电纺丝薄膜 6-6-载玻片
6-7-抗原吸附条带 6-8-抗体吸附条带 6-9-抗原-抗体结合荧光点阵。
具体实施方式
下面结合附图和具体的制备方法，通过实施例对本发明进行详细的说明：
比较实施例
采用静电纺丝装置(附图1)，将聚碳酸酯的氯仿溶液电纺，得到的静电纺丝无纺布为蓬松、皱褶结构，其厚度不均匀，表面粗糙，操作性极差。
具体步骤如下：将聚碳酸酯溶解在氯仿中，将此溶液进行静电纺，得到粗细均匀、交错排列的电纺丝，如附图2所示。静电纺丝沉积在铝箔上，积聚成为无纺布，无纺布表面形貌粗糙、容易褶皱、厚度不均匀，如附图3所示。
实施例1
采用如附图1所示的静电纺丝装置，在该静电纺丝装置中采用本发明涉及的方法进行静电纺丝，其流程如图5所示，所制备聚碳酸酯(PC)静电纺丝薄膜如图2、4所示。具体步骤如下：
a).配制用于电纺的聚碳酸酯溶液，将20g聚碳酸酯溶于80g氯仿中，得到20wt％的聚碳酸酯溶液，同时进行磁力搅拌5-10小时，配制成透明、分散均匀的高分子溶液，将此溶液进行静电纺，静电纺丝时，将制备好的聚碳酸酯纺丝溶液1-2盛装在纺丝管1-1中，通过注射泵推进纺丝溶液；纺丝 喷嘴1-3距接受铝箔5-2表面的距离为10cm，纺丝喷嘴1-3与高压发生器1-4的正极连接作为阳极，接受铝箔5-2与高压发生器1-4的负极连接作为阴极，接通高压发生器1-4，施加电压为10-30kV，进行电纺10分钟。在电纺过程中，聚碳酸酯溶液在电场的作用下形成为纳米纤维，即静电纺丝5-1，这些粗细均匀、交错排列的静电聚碳酸酯纺丝堆积在接受铝箔5-2上形成膜状物，其纺丝的平均直径为200nm、薄膜厚度为10μm；
b).将步骤a)得到的蓬松的聚碳酸酯纺丝平整放置在平台上，用铝箔盖上聚碳酸酯纺丝薄膜，在其上施加重物，压强为600Pa。压力保持5小时，移去重物和覆盖纺丝的铝箔得到平整的静电聚碳酸酯纺丝薄膜；
c).在步骤b)得到聚碳酸酯纺丝薄膜上，均匀滴加水，将聚碳酸酯纺丝薄膜润湿，然后将湿润静电聚碳酸酯纺丝薄膜晾干至无集聚水珠状态；
d).在步骤c)所得的静电聚碳酸酯纺丝薄膜上方施加600Pa的压强，压制至少10小时，移去重物和覆盖铝箔，得到发明所涉及的聚碳酸酯静电纺丝薄膜，如附图5所示。
本实施例得到的聚碳酸酯静电纺丝薄膜具有平整、均匀、可操作性强的特点，如附图4所示。
实施例2
采用本发明涉及的方法制备聚苯乙烯(PS)静电纺丝薄膜。具体步骤如下：
a).配制用于电纺的聚苯乙烯溶液，将14g聚苯乙烯溶解在86g二甲基甲酰胺(DMF)中，配制成14wt％的聚苯乙烯溶液，同时进行磁力搅拌5-10小时，配制成透明、分散均匀的高分子溶液，将此溶液进行电纺，施加电压为10-30kV，电纺15分钟。在电纺过程中，聚苯乙烯溶液在电场的作用下形成为纳米纤维，纺丝平均直径为200nm、薄膜厚度为15μm；
b).将步骤a)得到的蓬松的聚苯乙烯纺丝平整放置在平台上，用铝箔盖上聚苯乙烯纺丝薄膜，在其上施加重物，压强为600Pa。压力保持5小时，移去重物和覆盖纺丝的铝箔得到的平整的聚苯乙烯纺丝薄膜；
c).在步骤b)得到聚苯乙烯纺丝薄膜上，均匀滴加水，将聚苯乙烯纺丝薄膜润湿，然后将湿润聚苯乙烯纺丝薄膜晾干至无集聚水珠状态；
d).在步骤c)所得的聚苯乙烯纺丝薄膜上方施加600Pa的压强，压制至少10小时，移去重物和覆盖铝箔，得到发明所涉及的聚苯乙烯静电纺 丝薄膜。
本实施例得到的聚苯乙烯静电纺丝薄膜具有平整、均匀、可操作性强的特点。
实施例3
采用本发明涉及的方法制备聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)静电纺丝薄膜。
具体步骤如下：
a).配制用于电纺的聚甲基丙烯酸甲酯溶液，将10g聚甲基丙烯酸甲酯溶解在90g四氢呋喃(THF)中，配制成10wt％的聚甲基丙烯酸甲酯溶液，同时进行磁力搅拌5-10小时，配制成透明、分散均匀的高分子溶液，将此溶液进行电纺，施加电压为10-30kV，电纺20分钟。在电纺过程中，聚甲基丙烯酸甲酯溶液在电场的作用下形成为纳米纤维，纺丝平均直径为300nm、薄膜厚度为15μm；
b).将步骤a)得到的蓬松的聚甲基丙烯酸甲酯纺丝平整放置在平台上，用铝箔盖上聚甲基丙烯酸甲酯纺丝薄膜，在其上施加重物，压强为600Pa。压力保持5小时，移去重物和覆盖纺丝的铝箔得到平整的聚甲基丙烯酸甲酯纺丝薄膜；
c).在步骤b)得到聚甲基丙烯酸甲酯纺丝薄膜上，均匀滴加水，将聚甲基丙烯酸甲酯纺丝薄膜润湿，然后将湿润聚甲基丙烯酸甲酯纺丝薄膜晾干至无集聚水珠状态；
d).在步骤c)所得的聚甲基丙烯酸甲酯纺丝薄膜上方施加600Pa的压强，压制至少10小时，移去重物和覆盖铝箔，得到发明所涉及的聚甲基丙烯酸甲酯静电纺丝薄膜。
本实施例得到的聚甲基丙烯酸甲酯静电纺丝薄膜具有平整、均匀、可操作性强的特点。
应用实施例1
采用发明的聚苯乙烯静电纺丝薄膜应用于抗体-二抗荧光检测。利用微流控装置进行检测，检测步骤如附图6所示，具体步骤如下：
利用软刻蚀技术得到表面有管道的聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜；将PDMS膜与玻片进行等离子处理，将聚苯乙烯静电纺丝薄膜封闭在PDMS与玻片之间；向PDMS的管道中通入磷酸盐缓冲液(PBS)溶液润湿，再通入1∶50稀释的兔IgG溶液(原液为10mg/ml)，孵育1小时，抽空溶液。切下PDMS膜， 取出吸附了抗体的高分子静电纺丝薄膜；在其垂直方向上重新封接一片PDMS，用PBS溶液润湿以后，通入1∶50稀释的FITC标记羊抗兔IgG溶液(原液为1.5mg/ml)，与抗原在暗处反应，孵化1小时，抽出溶液；切下PDMS膜，取出吸附了抗体和荧光二抗的聚苯乙烯静电纺丝薄膜。荧光显微镜观察荧光强度，在管道的交叉出可以看出明显的方形荧光亮块。此亮块为带荧光的抗体-二抗结合物。亮块的荧光强度表示抗体含量的多少。
应用实施例2
采用发明的聚苯乙烯静电纺丝薄膜应用于HIV病毒检测。利用微流控装置进行检测。具体步骤如下：
利用软刻蚀技术得到表面有管道的聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜；将PDMS膜与玻片进行等离子处理，将聚苯乙烯静电纺丝薄膜封闭在PDMS与玻片之间；向PDMS的管道中通入磷酸盐缓冲液(PBS)溶液润湿，再通入HIV病毒衣壳粒蛋白gp120溶液，孵育1小时，抽空溶液。切下PDMS膜，取出吸附了抗体的高分子静电纺丝薄膜；在其垂直方向上重新封接一片PDMS，用PBS溶液润湿以后，通入HIV病人阳性血清，与抗原反应，孵育1小时，抽出溶液，将PDMS膜切下，将聚苯乙烯静电纺丝薄膜浸泡在FITC标记的兔抗人IgG溶液中，与抗原在暗处反应，孵化1小时，抽出溶液；切下PDMS膜，荧光显微镜观察荧光强度，在管道的交叉出可以看出明显的方形荧光亮块。此亮块为带荧光的抗体-二抗结合物。亮块的荧光强度表示病毒含量的多少。
应用实施例3
采用发明的聚甲基丙烯酸甲酯静电纺丝薄膜应用于抗体-二抗荧光检测。利用微流控装置进行检测，具体步骤如下：
利用软刻蚀技术得到表面有管道的聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜；将PDMS膜与玻片进行等离子处理，将聚甲基丙烯酸甲酯静电纺丝薄膜封闭在PDMS与玻片之间；向PDMS的管道中通入磷酸盐缓冲液(PBS)溶液润湿，再通入1∶50稀释的兔IgG溶液(原液为10mg/ml)，孵育1小时，抽空溶液。切下PDMS膜，取出吸附了抗体的高分子静电纺丝薄膜；在其垂直方向上重新封接一片PDMS，用PBS溶液润湿以后，通入1∶50稀释的FITC标记羊抗兔IgG溶液(原液为1.5mg/ml)，与抗原在暗处反应，孵化1小时，抽出溶液；切下PDMS膜，取出吸附了抗体和荧光二抗的聚甲基丙烯酸甲酯静电纺丝薄膜。 荧光显微镜观察荧光强度，在管道的交叉出可以看出明显的方形荧光亮块。此亮块为带荧光的抗体-二抗结合物。亮块的荧光强度表示抗体含量的多少。
应用实施例4
采用发明的聚苯乙烯静电纺丝薄膜应用于乙肝病毒检测。利用微流控装置进行检测。具体步骤如下：
利用软刻蚀技术得到表面有管道的聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜；将PDMS膜与玻片进行等离子处理，将聚苯乙烯静电纺丝薄膜封闭在PDMS与玻片之间；向PDMS的管道中通入磷酸盐缓冲液(PBS)溶液润湿，再通入乙型肝炎病毒表面抗原(hepatitisB surface antigen，HBsAg)，孵育1小时，抽空溶液。切下PDMS膜，取出吸附了抗体的高分子静电纺丝薄膜；在其垂直方向上重新封接一片PDMS，用PBS溶液润湿以后，在管道中通入5％的牛血清蛋白溶液，封闭20分钟，抽出牛血清蛋白溶液，通入乙肝病人阳性血清，与抗原反应，孵育1小时，抽出溶液，在管道中通入1∶50稀释的荧光标记的兔抗人IgG，在暗处反应，孵化1小时，抽出溶液；切下PDMS膜，荧光显微镜观察荧光强度，在管道的交叉出可以看出明显的方形荧光亮块。此亮块为带荧光的抗体-二抗结合物。表示有病毒存在。亮块的荧光强度表示病毒含量的多少。
Claims (4)
1.一种制备高分子静电纺丝薄膜的方法，所述高分子静电纺丝薄膜包括高分子纺丝；所述的高分子纺丝为不溶于水的高分子静电纺丝，并且杂乱无章地交织在一起构成膜状物，所述的高分子静电纺丝的直径为50-1000nm，所述的薄膜厚度为5μm-1mm，其特征在于，制备所述所述高分子静电纺丝薄膜的方法包括如下步骤：
a).配制用于静电纺丝的高分子溶液，根据所需要制备的纺丝参数调配高分子溶液浓度，同时进行磁力搅拌5-10小时，配制成透明、分散均匀的高分子溶液，将制备好的高分子溶液盛装在静电纺丝装置的喷丝管中进行电纺；
b).将经过步骤a)电纺得到的蓬松的电纺丝平整放置在平台上，在其上方施加100-1000Pa的压强，压制5小时，得到平整的静电纺丝薄膜；
c).将水缓慢滴加在步骤b)所得的静电纺丝薄膜上，充分浸润，然后将湿润静电纺丝薄膜晾干至无集聚水珠状态为止；
d).在步骤c)所得的静电纺丝薄膜上方施加100-1000Pa的压强，压制至少10小时，即得到高分子静电纺丝薄膜。
2.按权利要求1所述的制备高分子静电纺丝薄膜的方法，其特征在于，所述的步骤a)进行电纺的条件如下：将制备好的高分子溶液盛装在静电纺丝装置的喷丝管中，喷嘴与高压发生器的正极连接作为阳极，接收静电纺丝用的铝箔与高压发生器的负极连接作为阴极，喷嘴与铝箔的上表面的距离为5-30cm，施加电压为5-50kV，进行电纺，所电纺出的静电纺丝承接在所述铝箔上。
3.一种高分子静电纺丝薄膜的用途，所述高分子静电纺丝薄膜包括高分子纺丝；所述的高分子纺丝为不溶于水的高分子静电纺丝，并且杂乱无章地交织在一起构成膜状物，所述的高分子静电纺丝的直径为50-1000nm，所述的薄膜厚度为5μm-1mm，其特征在于，将所述高分子静电纺丝薄膜作为蛋白质吸附的载体应用于生物检测中。
4.按权利要求3所述的高分子静电纺丝薄膜的用途，其特征在于，所述的高分子静电纺丝薄膜作为蛋白质吸附的载体应用于生物检测中，具体包括以下步骤：
a)利用软刻蚀技术得到表面有管道的聚二甲基硅氧烷膜；将聚二甲基硅氧烷膜与玻片进行等离子处理，所述的高分子静电纺丝薄膜封闭在聚二甲基硅氧烷膜与玻片之间；向聚二甲基硅氧烷膜的管道中通入磷酸盐缓冲液润湿，再通入抗原蛋白溶液，孵育1小时，抽空溶液；
b)切下聚二甲基硅氧烷膜，取出吸附了抗原的高分子静电纺丝薄膜；
c)在其垂直方向上重新封接一片表面有管道的聚二甲基硅氧烷膜，管道与步骤a)吸附所得到的蛋白条带的方向垂直，用磷酸盐缓冲液润湿以后，通入荧光抗体溶液，与抗原在暗处反应，孵化1小时，抽出溶液；
d)切下聚二甲基硅氧烷膜，取出吸附了抗原和抗体条带的高分子静电纺丝薄膜；
e)荧光显微镜观察荧光强度，在管道的交叉处可以看出明显的方形荧光亮块，该方形荧光亮块表示带荧光的抗原抗体结合物，表示试样中有病毒存在，荧光强度对应病毒浓度。
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