具有納米纖維的測試元件的製作方法

2023-06-22 18:25:56 1

專利名稱：具有納米纖維的測試元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於確定生物製品、醫藥或者生物學或醫藥有效物質(包括核酸、蛋白質、病毒、微生物和細胞)的存在或者濃度的測試元件，特別是診斷測試元件，其特徵在於，這些測試元件含有納米纖維。
背景技術：
根據現有技術，診斷測試元件，並且特別是測試片含有多種基於纖維的物質。特別值得指出的是紙張或者氈(Vliese)。氈類特別是用於分離不期望的樣品組分。例如，在NW葡萄糖測試中或者在測試片中從Reflotron系統中進行血液分離的氈。在現有技術中，用於紙張或者氈中的纖維的特徵在於其直徑為約5μm～200μm。
納米纖維就基本上為已知的，並且自從約1930年以來，屬於現有技術。它們通過所謂的靜電紡紗方法進行生產，其中纖細纖維通過向聚合物溶液或者聚合物熔體滴中施加10-55kV的高壓得到形成(Formhals，A.，US專利1,975,504(1934)，2,160,962(1939)，2,187,306(1940))。
納米纖維的特徵在於它們具有極小的直徑。取決於所應用的材料，可以獲得直徑為10-2000nm的纖維。有時，可以獲得枝狀纖維或者在纖維上含有或多或少數目的、具有或多或少尺寸的聚合物珠粒(珠粒)的纖維。重要影響因素是本領域熟練技術人員所熟知的，或者可以在相關文獻中得到發現(例如，Li和Xia，Adv.Mater.16(2004)，1151-1170)。
納米纖維在醫藥產品中的應用描述於US 2003/0171053中。該專利涉及為了改良生物適應性而覆蓋納米纖維層的醫療設備。其它出版物涉及塗覆聚交酯納米纖維以改善生物適應性和測量穩定性的腦探針(例如US 2002/0106496或者DiPaolo等人，Proc，2ndJointEMBS/BMES Conf.Houston TX，USA，23-23，2002年10月)。
US 2003/0217928公開了電合成納米結構的方法，所述納米結構可以用於檢測也位於電導陣列中的分析物。
WO 02/40242描述了生產用於醫藥和細胞生物學應用的產品的方法，所述產品例如通過靜電紡紗基於膠原蛋白的納米纖維的展伸機(stents)。
WO 03/026532描述了納米纖維用於醫療設備的用途，所述醫療設備例如氣囊、導管、過濾器和展伸機。其中並不存在納米纖維可以用於診斷測試元件中的信息。
WO 03/087443公開了向對象施加納米纖維的方法，所述對象例如醫療設備(比如展伸機)或者用於藥物控釋的設備。
Feng等人(Angew，Chem.Int.Ed.42(2003)，800-802)和Feng等人(Angew.Chem.Int.Ed.41(2002)，1221-1223)描述了由短納米纖維構成的超疏水表面的生產。
在用於診斷應用的測試元件中使用常規直徑的纖維具有明確的缺點。這尤其涉及血細胞的分離。在這種情況下，它們會形成相對粗糙、不均勻的孔隙度。由此，血細胞或者未能在大孔上得到保持或者它們被保持在織物層或者氈的內部。大孔會由於高毛細作用導致溶胞或者在尖銳稜角和邊緣上對紅血球的膜造成損傷，特別是在剝離纖維氈的情形中。現有技術中氈或者織物的另一缺點是這些物質相對較厚和相應的在纖維的孔隙空間中會保留大體積的液體。在趨向于越來越小樣品體積的研究背景下，這是極端麻煩的問題。
由疏水常規纖維構成的結構可以用作液體屏障。已知它們的實例的商品名為Tyvek。然而，這些結構的缺點是與這些織物接觸的水溶液不能從該表面上滑落，而是在該表面上殘留著，這也是它們為什麼不能滲入所述孔的原因。

發明內容
本發明的目的是提供至少可以部分消除現有技術缺點的測試元件。該目的通過含有納米纖維的用於檢測分析物的測試元件得到實現。
本發明涉及納米纖維在生產測試元件方面的用途，所述測試元件例如為測試片、陣列或者傳感器。優選將本發明意義上的納米纖維理解為靜電紡紗(elektrogesponnene)或/和連續纖維。優選所述纖維的直徑為10-2000nm，特別優選10-1000nm，並且最優選10-500nm。優選可以將靜電紡紗或者連續的納米纖維製成任何長度。對於測試元件中的應用，優選所述纖維的長度至少≥1mm，特別優選≥2mm。這和Feng等人(2002)，supra和Feng等人(2003)，supra所述的短納米纖維不同。
本發明意義上的納米纖維可以為親水納米纖維、疏水納米纖維及其混合物。
所述納米纖維由聚合物通過靜電紡紗方法進行製備。適宜的方法公開於上述現有技術文件中。適宜的聚合物的實例為有機聚合物，例如聚烯烴(比如聚乙烯、聚丙烯、比如Topas的環烯烴聚合物、聚戊烯或者其共聚物)、氟化或者部分氟化的聚合物(比如聚四氟乙烯或者其它氟化聚合物)、聚酯(比如聚對苯二甲酸酯)、聚醯胺(比如聚-ε-己內醯胺)、聚氨酯、聚芳香化合物(比如聚[對-亞二甲苯基]及其衍生物)、聚乙烯醇、聚乙烯胺、聚乙烯亞胺、聚氧化烯烴(比如聚氧化乙烯)或者其組合或共聚物。此外，還可以使用無機納米纖維，比如基於氧化物的納米纖維(所述氧化物比如矽酸鹽，例如玻璃，例如矽酸鹽、鹼金屬矽酸鹽、石英或者水玻璃)或者基於金屬烷氧基縮合物的納米纖維或者其組合。也可以使用有機和無機納米纖維的組合物。
優選作為分析測試元件的組分的納米纖維為氈、織物、膜、層或者其組合的形式。如上所述的物質的製備可以通過在溶液或者熔體中靜電紡紗聚合物得到形成。
上述納米纖維材料的製備可以通過以無序的方式沉積纖維得到形成。為了獲得各向同性或者各向異性作用，還可以或多或少以有序的方式沉積纖維。所述材料的性能可以通過選擇材料以及通過選擇纖維直徑和通過選擇纖維密度和紡絲參數在廣泛範圍內受到影響。
可以僅僅通過將纖維在表面上紡絲的方式，將上述納米纖維材料應用至測試元件上，所述測試元件例如測試片。還可以將它們壓延在表面上，或者通過將它們施加在粘合層(比如丙烯酸酯粘合劑、接觸粘合劑或者粘合帶)上進行應用。還可以通過溶劑使載體材料得到部分溶解和將纖維沉積在溶脹的材料上，正如可以在纖維形成期間，利用適宜的溶劑對載體表面產生溶解效果，然後導致納米纖維和表面在溶劑被蒸發之後形成永久連接一樣。例如，當對條件進行選擇，從而形成具有珠粒的納米纖維時，這更容易實現。然而，還可以輕易將這些纖維與從其它噴嘴噴出的其它纖維混合，或者可以在施用含有導致與載體材料具有特別優良連接的珠粒的第一層之後，輕易將其施加到含有不同設計和厚度或/和材料的附加層上。
含有納米纖維的測試元件可以為，例如測試片、陣列或者傳感器，例如電化學傳感器。可以將納米纖維應用到測試元件的多孔或者無孔材料中。
在優選的實施方案中，測試元件含有測試片，其含有至少一種多孔載體材料，所述多孔載體材料例如為紙張、氈或/和膜的形式。在這種情況下，可以將納米纖維施加到所述多孔載體材料的至少一個表面上。
納米纖維在常規紙張或者氈或者膜上的沉積能夠使得該載體材料的表面得到改性，從而使得實質上更為微細的孔徑能夠在塗覆的上側得到形成。這能夠實現完全不同和得到顯著改良的過濾器性能。可以以本身已知的方式將按照上述方式改性的材料通過膠粘或者層壓得到施加到測試片上。另一方面，所述測試片或者其一種部件的材料還可以完全由納米纖維組成。
例如，可以將納米纖維用於過濾器元件中，從而從樣品中分離顆粒組分。在優選的實施方案中，所述過濾器元件為分離血細胞，優選紅血球的元件。
在這種情況下，可以通過在血液分離氈中使用納米纖維消除溶血作用趨勢，因為細小的纖維支撐紅血球膜，並且紅血球膜不會因為毛細管活性而被破裂。對於極少量的納米纖維的纖細纖維末端而言，實際上也不可能會對紅血球的膜造成損傷和由此產生溶血作用。還可以利用由納米纖維支撐的氈製備非常細薄的氈，例如，厚度為0.02μm～50μm，優選0.05μm～5μm，特別優選0.08μm～2μm，並且具有高過濾效力，其次，它還能處理非常少量的血液並且其自身僅僅具有非常少量的保留量。在此應用中，為了通過靜電紡紗形成納米纖維，優選使用親水性聚合物，比如聚醯胺、聚氨酯、聚乙烯醇、聚乙烯胺、聚乙烯亞胺、聚乙二醇或者其共聚物(例如聚氨酯與聚乙二醇的共聚物)。同樣優選無機材料，比如氧化物，優選玻璃(比如石英、矽酸鹽、鹼金屬矽酸鹽或者水玻璃)或者金屬烷氧基縮合物或者其組合。
在另一優選的實施方案中，可以將納米纖維施加到載體材料的表面，以改善其性能並且特別是關於其用液體潤溼的能力。由此，可以向疏水性表面，例如，比如測試元件陣列的無孔表面塗覆親水性納米纖維以提高其潤溼性。優選本發明意義上的親水性表面與水的固有接觸角＜90°。
固有接觸角表示不受任何表面幾何圖形影響的在理想光滑表面上的接觸角，它用作由化學基團確定的表面能的量度。
例如，通過將納米纖維沉積在表面上，其潤溼性可以得到顯著改變。因而，水滴在純PMMA表面上形成的接觸角為約70-80度，而水滴可以在由聚醯胺(PA)構成的納米纖維薄層部分覆蓋的PMMA表面上蔓延。已經證實，例如使得聚-ε-氨基己內醯胺的厚度為20-2000nm(例如600nm)的10-500mg/m2，特別是50-300mg/m2(例如約200mg/m2)的量的納米纖維是特別有利的。
另一方面，為了降低表面的潤溼性和產生具有疏水性能或者超級疏水性能的表面，可以將具體包括在樣品應用區域的表面(例如，比如測試片殼的無孔表面)、陣列測試領域之間的區域等等塗覆上疏水納米纖維。在上下文中，優選本發明意義上的疏水性表面與水的固有接觸角≥90°。優選本發明意義上的超級疏水表面與水的接觸角≥140°，優選≥150°。
當研製衛生學測試片時，具有超級疏水性能的作為疏水屏障的納米纖維塗層是特別有意義的，其中它對於防止樣品液體(例如血液)保持粘合在測試片上是絕對至關重要的。為了實現上述目的，通過靜電紡紗由疏水母材製造納米纖維結構，所述母材例如為氟化或者部分氟化聚合物(比如聚四氟乙烯(PTFE)、改性(例如可溶性)PTFE(比如TeflonAF)、四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物(FEP)、部分氟化的聚氨酯、氟化聚芳香化合物等等或者其它氟化聚合物)或者聚烯烴(比如PP、聚戊烯或者其它聚烯烴、或者聚烯烴共聚物)。結果是，即使所述纖維材料或者具有珠粒的纖維的非常薄(例如2μm)的層都可以形成超級疏水性表面，水滴在其上的接觸角≥140°。已經置於該表面上的水滴的滑離斜率小於20°。與所述層的表面接觸的血滴並沒有表現出潤溼該層或者與該層粘附的傾向。
本發明特別優選的主題是包括(a)至少一個用親水性納米纖維覆蓋的區域和(b)至少一個疏水性納米纖維覆蓋的區域的測試元件。為了改良它們的潤溼，優選用親水性納米纖維覆蓋的區域是提供用於施加樣品液體(比如血液)的測試區域。為了防止樣品液體產生不期望的潤溼，優選用疏水性納米纖維覆蓋的區域布置在測試區域或/和樣品施加位置附近。
在本發明的另一優選實施方案中，可以將親水性和疏水性納米纖維的混合物應用在表面上，例如無孔表面上，以使得液體在表面上產生更均勻的分布。纖維混合物的實例為TeflonAF和聚(尿烷-g-氧化乙烯)。
通過施加親水和疏水納米纖維混合物的薄層，可以以使得施加的液滴並且特別是水滴得到均勻分布的方式改性表面。驚人地發現，當上述滴乾燥時，與沒有納米纖維存在時相比，溶解於其中的物質形成顯著更均勻的層。按照上述方式，可以以比先前顯著更為均勻的方式使得以液體形式施加的測試化學作用分布在例如電化學傳感器的電極上。這對於生產陣列，例如分子診斷分析陣列也是非常重要的。特別是，自螢光形式在這種情形中起著舉足輕重的作用。產生效果所需的極少量材料，例如10-500mg/m2將僅僅產生非常低的自螢光，這反過來在測定陣列時也會對信/噪比產生有利的影響。
本發明另外涉及定性或/和定量測定樣品中分析物的方法，其中使用如上所述的測試元件。該方法可以為免疫化學方法或者基於核酸雜化的方法，或者還可以為酶催法。優選的應用是電化學或/和光度檢測方法，例如用於檢測血液或者其它體液中的葡萄糖。
本發明的另一主題是如上所述的納米纖維材料(優選靜電紡紗或/和連續納米纖維)在測試元件中作為過濾器的用途，所述測試元件用於檢測分析物。所述過濾器可以含有上述納米纖維本身或/和可以將它們應用到如上所述的多孔載體材料中。如果所述過濾器含有上述納米纖維本身，即非支撐形式，那麼所述材料以任選不對稱膜的形式存在。如上所述的膜材料可以含有親水納米纖維、疏水納米纖維或其混合物。
本發明的優點具體為，可以將所述氈或者過濾器材料用於生產測試片中，同根據現有技術水平的材料相比，所述測試片顯著更薄和具有更為細小與更均勻的孔徑並且需要更少的材料。同樣有利的是，表面的潤溼型可以通過納米纖維得到顯著改善。另一優點在於，超級疏水表面可以由疏水聚合物形成，在該表面上水滴或者血滴不會得到保持，而是以輕微的角度滑離該表面。同樣有利的是，當對血液進行分離時，幾乎沒有溶血作用發生。藉助納米纖維使得檢測試劑能夠以比迄今顯著更為均質的方式應用到表面上，並且自螢光可以得到降低。
權利要求
1.檢測分析物的測試元件，其特徵在於，它含有納米纖維。
2.根據權利要求1的測試元件，其特徵在於所述納米纖維是連續的。
3.根據權利要求1的測試元件，其特徵在於所述納米纖維是靜電紡紗的。
4.根據權利要求1～3任一項的測試元件，其特徵在於所述納米纖維的直徑為10-2000nm，優選10-1000nm，特別優選10-500nm。
5.根據權利要求1～4任一項的測試元件，其特徵在於所述納米纖維選自親水納米纖維、疏水納米纖維及其混合物。
6.根據權利要求5的測試元件，其特徵在於所述疏水納米纖維形成具有超級疏水性能的表面。
7.根據權利要求1～6任一項的測試元件，其特徵在於所述納米纖維的組成為選自以下的聚合物聚烯烴、聚芳香化合物、氟化或者部分氟化聚合物、聚酯、聚醯胺、聚氨酯、聚乙烯醇、聚乙烯胺、聚乙烯亞胺、聚烯化氧及其組合或者共聚物。
8.根據權利要求1～7任一項的測試元件，其特徵在於所述納米纖維以氈、織物、膜、層或者其組合的形式存在。
9.根據權利要求1～8任一項的測試元件，其特徵在於所述納米纖維含有珠粒。
10.根據權利要求1～9任一項的測試元件，其特徵在於它包括測試片。
11.根據權利要求1～9任一項的測試元件，其特徵在於它包括測試陣列。
12.根據權利要求1～11任一項的測試元件，其特徵在於它包括施加到多孔或者無孔載體材料上的納米纖維。
13.根據權利要求12的測試元件，其特徵在於它含有施加到選自紙張、氈和膜的多孔載體材料上的納米纖維。
14.根據權利要求13的測試元件，其特徵在於所述納米纖維施加到多孔載體材料的至少一個表面上。
15.根據權利要求13或者14的測試元件，其特徵在於它含有至少部分由納米纖維組成的從樣品中分離顆粒組分的過濾器元件。
16.根據權利要求15的測試元件，其特徵在於所述過濾器元件是分離血細胞，優選紅血球的元件。
17.根據權利要求12的測試元件，其特徵在於所述納米纖維施加在無孔載體材料的表面上。
18.根據權利要求1～17任一項的測試元件，其特徵在於它包括塗覆有親水納米纖維的表面以增強表面潤溼性。
19.根據權利要求1～18任一項的測試元件，其特徵在於它包括塗覆有疏水納米纖維的表面以降低表面潤溼性。
20.根據權利要求19的測試元件，其特徵在於所述塗覆表面具有超級疏水性能。
21.根據權利要求1～20任一項的測試元件，其包括(a)至少一個塗覆親水納米纖維的區域和(b)至少一個塗覆疏水納米纖維的區域。
22.根據權利要求1～21任一項的測試元件，其特徵在於它包括塗覆有親水和疏水納米纖維的混合物的表面，以將液體均勻分布在表面上。
23.定性或/和定量測定樣品中分析物的方法，其特徵在於，使用根據權利要求1～22任一項的測試元件。
24.納米纖維材料在檢測分析物的測試元件中作為過濾器的用途。
25.根據權利要求24的用途，其特徵在於所述過濾器含有納米纖維本身或/和含有施加在多孔載體材料上的納米纖維。
全文摘要
本發明涉及用於確定生物製品、醫藥或者生物學或醫藥有效物質(包括核酸、蛋白質、病毒、微生物和細胞)的存在或者濃度的測試元件，特別是診斷測試元件。本發明的特徵在於所述測試元件含有納米纖維。
文檔編號G01N33/52GK101073009SQ200580041736
公開日2007年11月14日 申請日期2005年12月6日 優先權日2004年12月7日
發明者H·哈蒂格 申請人:霍夫曼-拉羅奇有限公司