CN110898672A - 多孔薄膜、多孔薄膜的制作方法及电渗微泵装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微流控技术领域，具体涉及一种多孔薄膜、多孔薄膜的制作方法及电渗微泵装置。本发明所述的多孔薄膜包括支撑体和多个管道，所述多个管道设于所述支撑体的内部，所述多个管道设有贯穿所述支撑体的通孔，其中，所述支撑体由有机材料制成，所述多个管道由无机材料制成。根据本发明所述的多孔薄膜，在支撑体的内部设置多个管道，通过采用由无机材料制成的管道，使多孔薄膜具有较高的电渗流速度，同时采用由有机材料制成的支撑体，使多孔薄膜具有较高的柔性，防止多孔薄膜发生碎裂。
Description
技术领域
本发明属于微流控技术领域，具体涉及一种多孔薄膜、多孔薄膜的制作方法及电渗微泵装置。
背景技术
本部分提供的仅仅是与本公开相关的背景信息，其并不必然是现有技术。
电渗微泵是利用微尺度通道内流体在外加电场作用下的电渗现象，以实现微驱动。随着固态纳米多孔薄膜制备技术的不断发展，研究者利用多孔膜(径迹蚀刻聚合物薄膜、碳纳米管薄膜、阳极氧化铝薄膜、多孔硅膜)的一系列优点，如孔隙率高、孔道曲率低、孔道短(膜极薄)，可以较容易地获得低电压驱动的电渗微泵。目前，所公开的基于多孔膜结构的电渗微泵所用到的多孔膜基本上为单一的材料。
虽然，现有的多孔薄膜材料表现出较好的电渗流性能且可实现低电压驱动，但目前所公开的基于多孔膜结构的电渗微泵所用到的多孔膜基本上为单一的材料制成，仍存在很多不足之处。例如，阳极氧化铝薄膜和多孔硅膜很脆、易碎，缺少柔性；碳纳米管薄膜制备工艺十分复杂，难以大批量制备和规模产业化；径迹刻蚀聚合物薄膜虽然容易商品化，但是并不是所有聚合物材料均具有明显的高zeta电势(表征材料具有电渗流性质的重要指标)和稳定的电渗驱动性能。
发明内容
本发明的目的是至少解决由单一材料制成的多孔薄膜不能同时兼备有机材料的柔性和无机材料稳定的电渗流性能的问题。
本发明的一方面提出了一种多孔薄膜，所述多孔薄膜包括：
支撑体；
多个管道，所述多个管道设于所述支撑体的内部，所述多个管道设有贯穿所述支撑体的通孔，其中，所述支撑体由有机材料制成，所述多个管道由无机材料制成。
根据本发明的多孔薄膜，在支撑体的内部设置多个管道，通过采用由无机材料制成的管道，使多孔薄膜具有较高的电渗流速度，同时采用由有机材料制成的支撑体，使多孔薄膜具有较高的柔性，防止多孔薄膜发生碎裂。
另外，根据本发明的多孔薄膜，还可具有如下附加的技术特征：
所述支撑体为固态的聚甲基丙烯酸甲酯。
在本发明的一些实施方式中，所述多个管道为玻璃纤维管或陶瓷管。
在本发明的一些实施方式中，所述多个管道均垂直设于所述支撑体的两侧面。
本发明还提出了一种多孔薄膜的制作方法，所述制作方法包括以下步骤：
将多个管道置于管体的内部；
将液态或熔融态的支撑体注入所述管体的内部，使液态或熔融态的所述支撑体包裹所述多个管道；
使液态或熔融态的所述支撑体形成固态的所述支撑体；
将含有所述多个管道的固态的所述支撑体分割成片状，从而得到所述多孔薄膜。
在本发明的一些实施方式中，将含有所述支撑体的挥发性有机物溶液注入所述管体的内部，使所述挥发性有机物挥发后，得到固态的所述支撑体；
或者将含有所述支撑体的熔融态液体注入所述管体的内部，使所述熔融态液体冷却后，得到固态的所述支撑体。
本发明还提出了一种电渗微泵装置，所述电渗微泵装置包括第一驱动电极、第二驱动电极和多孔薄膜，所述第一驱动电极和所述第二驱动电极分别设于所述多孔薄膜的两侧面，所述多孔薄膜为上述任一项所述的多孔薄膜。
在本发明的一些实施方式中，所述第一驱动电极和所述第二驱动电极为金属丝、金属片、网状金属、石墨或导电聚合物多孔电极。
在本发明的一些实施方式中，所述第一驱动电极和所述第二驱动电极之间的最短直线距离大于等于所述多孔薄膜的厚度。
在本发明的一些实施方式中，所述第一驱动电极的外表面和所述第二驱动电极的外表面均设有防水涂层。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其它的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。其中：
图1为本发明中实施方式的电渗微泵的整体结构示意图；
图2为图1中电渗微泵的分解结构示意图。
10：多孔薄膜、11：支撑体、12：管道；
20：第一驱动电极；
30：第二驱动电极。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。
图1为本发明中实施方式的电渗微泵的整体结构示意图。图2为图1中电渗微泵的分解结构示意图。如图1和图2所示，本实施方式中电渗微泵装置包括第一驱动电极20、第二驱动电极30和多孔薄膜10，第一驱动电极20和第二驱动电极30分别设于多孔薄膜10的两侧面，第一驱动电极20、第二驱动电极30和多孔薄膜10整体浸没在驱动流体中。第一驱动电极20和第二驱动电极30分别与电源相连接并形成电势差，驱动流体在第一驱动电极20和第二驱动电极30的电势差下能够穿过多孔薄膜10。本实施方式中的多孔薄膜10包括支撑体11和多个管道12。多个管道12设于支撑体11的内部，多个管道12设有贯穿支撑体11的通孔，其中，支撑体11由有机材料制成，多个管道12由无机材料制成。
根据本发明的多孔薄膜10，在支撑体11的内部设置多个管道12，通过采用由无机材料制成的管道12，使多孔薄膜10具有较高的电渗流速度，同时采用由有机材料制成的支撑体11，使多孔薄膜10具有较高的柔性，防止多孔薄膜10发生碎裂。
在本发明的一些实施方式中，多个管道12为玻璃纤维管或陶瓷管，其中玻璃纤维管既可以是普通玻璃纤维管，也可以是石英玻璃纤维管，管道12的组成要具有足够的刚性以保证多孔薄膜10具有稳定的电渗流速度。
在本发明的一些实施方式中，支撑体11以液态或熔融态的方式浇筑在多个管道12的外侧，可以是加热固化的材料，如硅橡胶材料；也可以是可溶解稀释在易挥发有机溶剂种的聚合物材料，如有机玻璃材料，待有机溶剂挥发后形成固态的支撑体11从而对管道12进行固定支撑。具体地，在本实施方式中的支撑体11为固态的聚甲基丙烯酸甲酯，多个管道12为玻璃纤维管或陶瓷管。
在本发明的一些实施方式中，多个管道12均垂直设于支撑体11的两侧面，以使支撑体11的两侧面间的管道12长度最短，从而保证驱动流体以最快的速度通过支撑体11的两侧面，达到快速供液的目的。
在本发明的一些实施方式中，为了保证驱动流体均匀分散的通过支撑体11的两侧面，多个管道12以阵列的方式设于支撑体11内。
本发明还提出了一种多孔薄膜的制作方法，该制作方法包括以下步骤：
将多个管道12置于管体的内部；
将液态或熔融态的支撑体11注入管体的内部，使液态或熔融态的支撑体11包裹多个管道12；
使液态或熔融态的支撑体11形成固态的支撑体11；
将含有多个管道12的固态的支撑体11分割成片状，从而得到多孔薄膜10。
本实施方式中的管体采用聚四氟乙烯管，管体主要用于对液态或熔融态的支撑体11进行固化成型，管体的内壁与固态的支撑体11间并无粘性连接，固化后的支撑体11能够较容易的从管体中分离出。
在本发明的一些实施方式中，如支撑体11采用聚甲基丙烯酸甲酯，管体采用聚四氟乙烯管，管道12采用石英玻璃纤维管，将含有聚甲基丙烯酸甲酯的丙酮溶液注入至聚四氟乙烯管的内部，使液态的聚甲基丙烯酸甲酯充满整个聚四氟乙烯管，从而使液态的聚甲基丙烯酸甲酯完全包容石英玻璃纤维管。将充满液态的聚甲基丙烯酸甲酯的聚四氟乙烯管放入一个可以抽气装置内，使丙酮充分挥发，从而形成固态的聚甲基丙烯酸甲酯，使石英玻璃纤维管固定在支撑体112的内部。将含有石英玻璃纤维管的聚甲基丙烯酸甲酯与聚四氟乙烯管分离，再采用激光切割或机械加工等方式，沿垂直于玻璃纤维管中心线的方向将含有石英玻璃纤维管和固态的聚甲基丙烯酸甲酯的管体切割成薄片状结构，厚度约2mm，从而得到多孔薄膜。其中，玻璃纤维管内径和壁厚尺寸为纳米或微米级别，多孔薄膜的厚度在微米或毫米级别。
在本发明的一些实施方式中，支撑体11还可以采用聚氨酯，并将聚氨酯混合在四氢呋喃溶液中，从而进行浇注。
在本发明的一些实施方式中，支撑体11还可以采用聚二甲基硅氧烷，将液态的聚二甲基硅氧烷注入聚四氟乙烯管内，加热固化，从而对管道12进行支撑。
在本发明的一些实施方式中，支撑体11还可以采用聚碳酸酯，将熔融态的聚碳酸酯注入聚四氟乙烯管内，缓慢冷却后固化，从而对管道12进行支撑。
本发明的另一方面还提出了一种电渗微泵装置，电渗微泵装置包括第一驱动电极20、第二驱动电极30和多孔薄膜10，第一驱动电极20和第二驱动电极30分别设于多孔薄膜10的两侧面，多孔薄膜10为上述任一实施方式多孔薄膜10。
在本发明的一些实施方式中，第一驱动电极20和第二驱动电极30可以是直接通过溅射、沉积等方式修饰在多孔薄膜10的上表面和下表面，也可以制备在衬底上并分别与多孔薄膜10的上表面和下表面保持精密对准后粘贴。
在本发明的一些实施方式中，第一驱动电极20和第二驱动电极30可以是金属丝、金属片、网状金属、石墨或导电聚合物等其它材料的组成的多孔电极，能够保证在第一驱动电极20和第二驱动电极30之间形成电势差且具有保证驱动流体流通的孔道即可。
第一驱动电极20和第二驱动电极30须具有良好的导电性，其具体材料可选择金、或铂、或铂铱、或钽、或镍等材料。
在本发明的一些实施方式中，第一驱动电极20的外表面和第二驱动电极30的外表面均设有防水涂层。
具体的，第一驱动电极20和第二驱动电极30的外表面可以利用聚对二甲苯、生物硅胶、特氟龙、聚氨酯等材料做防水涂层，从而防止第一驱动电极20和第二驱动电极30长期浸泡在驱动流体中发生破损现象，涂层的厚度为纳米或微米量级。
在本发明的一些实施方式中，电渗微泵内的驱动流体可以是纯水、水基溶液、普通有机试剂等，也可以是药物试剂、体内组织液等。
在本发明的一些实施方式中，第一驱动电极20和第二驱动电极30之间的最短直线距离大于等于多孔薄膜10的厚度，从而保证第一驱动电极20和第二驱动电极30均能够完全与多孔薄膜10的上下表面相贴合，保证驱动流动能够快速地通过多孔薄膜10内的管道进行流出。
当本申请中的第一驱动电极20、第二驱动电极30和多孔薄膜10均采用具有极佳生物相容性的材料制作时，与人体间无相互排斥的现象，因此，本申请中的电渗微泵装置还可直接植入人体内或作为可穿戴设备，用于体内给药、体内积液引流等设备的驱动装置。
通过使用本发明的多孔薄膜10和电渗微泵装置，在支撑体11的内部设置多个管道12，采用由无机材料制成的管道12，使多孔薄膜10具有较高的电渗流速度，同时采用由有机材料制成的支撑体11，使多孔薄膜10具有较高的柔性，防止多孔薄膜10发生碎裂，从而有效地提高多孔薄膜10和电渗微泵装置的可靠性。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种多孔薄膜，其特征在于，包括：
支撑体；
多个管道，所述多个管道设于所述支撑体的内部，所述多个管道设有贯穿所述支撑体的通孔，其中，所述支撑体由有机材料制成，所述多个管道由无机材料制成。
2.根据权利要求1所述的多孔薄膜，其特征在于，所述支撑体为固态的聚甲基丙烯酸甲酯。
3.根据权利要求1所述的多孔薄膜，其特征在于，所述多个管道为玻璃纤维管或陶瓷管。
4.根据权利要求1所述的多孔薄膜，其特征在于，所述多个管道均垂直设于所述支撑体的两侧面。
5.一种多孔薄膜的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
将多个管道置于管体的内部；
将液态或熔融态的支撑体注入所述管体的内部，使液态或熔融态的所述支撑体包裹所述多个管道；
使液态或熔融态的所述支撑体形成固态的所述支撑体；
将含有所述多个管道的固态的所述支撑体分割成片状，从而得到所述多孔薄膜。
6.根据权利要求5所述的多孔薄膜的制作方法，其特征在于，将含有所述支撑体的挥发性有机物溶液注入所述管体的内部，使所述挥发性有机物挥发后，得到固态的所述支撑体；
或者将含有所述支撑体的熔融态液体注入所述管体的内部，使所述熔融态液体冷却后，得到固态的所述支撑体。
7.一种电渗微泵装置，其特征在于，包括第一驱动电极、第二驱动电极和多孔薄膜，所述第一驱动电极和所述第二驱动电极分别设于所述多孔薄膜的两侧面，所述多孔薄膜为根据权利要求1至4中任一项所述的多孔薄膜。
8.根据权利要求7所述的电渗微泵装置，其特征在于，所述第一驱动电极和所述第二驱动电极为金属丝、金属片、网状金属、石墨或导电聚合物多孔电极。
9.根据权利要求7所述的电渗微泵装置，其特征在于，所述第一驱动电极和所述第二驱动电极之间的最短直线距离大于等于所述多孔薄膜的厚度。
10.根据权利要求7所述的电渗微泵装置，其特征在于，所述第一驱动电极的外表面和所述第二驱动电极的外表面均设有防水涂层。
Priority Applications (2)
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