专利名称：具有纳米纤维的测试元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于确定生物制品、医药或者生物学或医药有效物质(包括核酸、蛋白质、病毒、微生物和细胞)的存在或者浓度的测试元件，特别是诊断测试元件，其特征在于，这些测试元件含有纳米纤维。
背景技术：
根据现有技术，诊断测试元件，并且特别是测试片含有多种基于纤维的物质。特别值得指出的是纸张或者毡(Vliese)。毡类特别是用于分离不期望的样品组分。例如，在NW葡萄糖测试中或者在测试片中从Reflotron系统中进行血液分离的毡。在现有技术中，用于纸张或者毡中的纤维的特征在于其直径为约5μm～200μm。
纳米纤维就基本上为已知的，并且自从约1930年以来，属于现有技术。它们通过所谓的静电纺纱方法进行生产，其中纤细纤维通过向聚合物溶液或者聚合物熔体滴中施加10-55kV的高压得到形成(Formhals，A.，US专利1,975,504(1934)，2,160,962(1939)，2,187,306(1940))。
纳米纤维的特征在于它们具有极小的直径。取决于所应用的材料，可以获得直径为10-2000nm的纤维。有时，可以获得枝状纤维或者在纤维上含有或多或少数目的、具有或多或少尺寸的聚合物珠粒(珠粒)的纤维。重要影响因素是本领域熟练技术人员所熟知的，或者可以在相关文献中得到发现(例如，Li和Xia，Adv.Mater.16(2004)，1151-1170)。
纳米纤维在医药产品中的应用描述于US 2003/0171053中。该专利涉及为了改良生物适应性而覆盖纳米纤维层的医疗设备。其它出版物涉及涂覆聚交酯纳米纤维以改善生物适应性和测量稳定性的脑探针(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公开了电合成纳米结构的方法，所述纳米结构可以用于检测也位于电导阵列中的分析物。
WO 02/40242描述了生产用于医药和细胞生物学应用的产品的方法，所述产品例如通过静电纺纱基于胶原蛋白的纳米纤维的展伸机(stents)。
WO 03/026532描述了纳米纤维用于医疗设备的用途，所述医疗设备例如气囊、导管、过滤器和展伸机。其中并不存在纳米纤维可以用于诊断测试元件中的信息。
WO 03/087443公开了向对象施加纳米纤维的方法，所述对象例如医疗设备(比如展伸机)或者用于药物控释的设备。
Feng等人(Angew，Chem.Int.Ed.42(2003)，800-802)和Feng等人(Angew.Chem.Int.Ed.41(2002)，1221-1223)描述了由短纳米纤维构成的超疏水表面的生产。
在用于诊断应用的测试元件中使用常规直径的纤维具有明确的缺点。这尤其涉及血细胞的分离。在这种情况下，它们会形成相对粗糙、不均匀的孔隙度。由此，血细胞或者未能在大孔上得到保持或者它们被保持在织物层或者毡的内部。大孔会由于高毛细作用导致溶胞或者在尖锐棱角和边缘上对红血球的膜造成损伤，特别是在剥离纤维毡的情形中。现有技术中毡或者织物的另一缺点是这些物质相对较厚和相应的在纤维的孔隙空间中会保留大体积的液体。在趋向于越来越小样品体积的研究背景下，这是极端麻烦的问题。
由疏水常规纤维构成的结构可以用作液体屏障。已知它们的实例的商品名为Tyvek。然而，这些结构的缺点是与这些织物接触的水溶液不能从该表面上滑落，而是在该表面上残留着，这也是它们为什么不能渗入所述孔的原因。
发明内容
本发明的目的是提供至少可以部分消除现有技术缺点的测试元件。该目的通过含有纳米纤维的用于检测分析物的测试元件得到实现。
本发明涉及纳米纤维在生产测试元件方面的用途，所述测试元件例如为测试片、阵列或者传感器。优选将本发明意义上的纳米纤维理解为静电纺纱(elektrogesponnene)或/和连续纤维。优选所述纤维的直径为10-2000nm，特别优选10-1000nm，并且最优选10-500nm。优选可以将静电纺纱或者连续的纳米纤维制成任何长度。对于测试元件中的应用，优选所述纤维的长度至少≥1mm，特别优选≥2mm。这和Feng等人(2002)，supra和Feng等人(2003)，supra所述的短纳米纤维不同。
本发明意义上的纳米纤维可以为亲水纳米纤维、疏水纳米纤维及其混合物。
所述纳米纤维由聚合物通过静电纺纱方法进行制备。适宜的方法公开于上述现有技术文件中。适宜的聚合物的实例为有机聚合物，例如聚烯烃(比如聚乙烯、聚丙烯、比如Topas的环烯烃聚合物、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(比如聚对苯二甲酸酯)、聚酰胺(比如聚-ε-己内酰胺)、聚氨酯、聚芳香化合物(比如聚[对-亚二甲苯基]及其衍生物)、聚乙烯醇、聚乙烯胺、聚乙烯亚胺、聚氧化烯烃(比如聚氧化乙烯)或者其组合或共聚物。此外，还可以使用无机纳米纤维，比如基于氧化物的纳米纤维(所述氧化物比如硅酸盐，例如玻璃，例如硅酸盐、碱金属硅酸盐、石英或者水玻璃)或者基于金属烷氧基缩合物的纳米纤维或者其组合。也可以使用有机和无机纳米纤维的组合物。
优选作为分析测试元件的组分的纳米纤维为毡、织物、膜、层或者其组合的形式。如上所述的物质的制备可以通过在溶液或者熔体中静电纺纱聚合物得到形成。
上述纳米纤维材料的制备可以通过以无序的方式沉积纤维得到形成。为了获得各向同性或者各向异性作用，还可以或多或少以有序的方式沉积纤维。所述材料的性能可以通过选择材料以及通过选择纤维直径和通过选择纤维密度和纺丝参数在广泛范围内受到影响。
可以仅仅通过将纤维在表面上纺丝的方式，将上述纳米纤维材料应用至测试元件上，所述测试元件例如测试片。还可以将它们压延在表面上，或者通过将它们施加在粘合层(比如丙烯酸酯粘合剂、接触粘合剂或者粘合带)上进行应用。还可以通过溶剂使载体材料得到部分溶解和将纤维沉积在溶胀的材料上，正如可以在纤维形成期间，利用适宜的溶剂对载体表面产生溶解效果，然后导致纳米纤维和表面在溶剂被蒸发之后形成永久连接一样。例如，当对条件进行选择，从而形成具有珠粒的纳米纤维时，这更容易实现。然而，还可以轻易将这些纤维与从其它喷嘴喷出的其它纤维混合，或者可以在施用含有导致与载体材料具有特别优良连接的珠粒的第一层之后，轻易将其施加到含有不同设计和厚度或/和材料的附加层上。
含有纳米纤维的测试元件可以为，例如测试片、阵列或者传感器，例如电化学传感器。可以将纳米纤维应用到测试元件的多孔或者无孔材料中。
在优选的实施方案中，测试元件含有测试片，其含有至少一种多孔载体材料，所述多孔载体材料例如为纸张、毡或/和膜的形式。在这种情况下，可以将纳米纤维施加到所述多孔载体材料的至少一个表面上。
纳米纤维在常规纸张或者毡或者膜上的沉积能够使得该载体材料的表面得到改性，从而使得实质上更为微细的孔径能够在涂覆的上侧得到形成。这能够实现完全不同和得到显著改良的过滤器性能。可以以本身已知的方式将按照上述方式改性的材料通过胶粘或者层压得到施加到测试片上。另一方面，所述测试片或者其一种部件的材料还可以完全由纳米纤维组成。
例如，可以将纳米纤维用于过滤器元件中，从而从样品中分离颗粒组分。在优选的实施方案中，所述过滤器元件为分离血细胞，优选红血球的元件。
在这种情况下，可以通过在血液分离毡中使用纳米纤维消除溶血作用趋势，因为细小的纤维支撑红血球膜，并且红血球膜不会因为毛细管活性而被破裂。对于极少量的纳米纤维的纤细纤维末端而言，实际上也不可能会对红血球的膜造成损伤和由此产生溶血作用。还可以利用由纳米纤维支撑的毡制备非常细薄的毡，例如，厚度为0.02μm～50μm，优选0.05μm～5μm，特别优选0.08μm～2μm，并且具有高过滤效力，其次，它还能处理非常少量的血液并且其自身仅仅具有非常少量的保留量。在此应用中，为了通过静电纺纱形成纳米纤维，优选使用亲水性聚合物，比如聚酰胺、聚氨酯、聚乙烯醇、聚乙烯胺、聚乙烯亚胺、聚乙二醇或者其共聚物(例如聚氨酯与聚乙二醇的共聚物)。同样优选无机材料，比如氧化物，优选玻璃(比如石英、硅酸盐、碱金属硅酸盐或者水玻璃)或者金属烷氧基缩合物或者其组合。
在另一优选的实施方案中，可以将纳米纤维施加到载体材料的表面，以改善其性能并且特别是关于其用液体润湿的能力。由此，可以向疏水性表面，例如，比如测试元件阵列的无孔表面涂覆亲水性纳米纤维以提高其润湿性。优选本发明意义上的亲水性表面与水的固有接触角＜90°。
固有接触角表示不受任何表面几何图形影响的在理想光滑表面上的接触角，它用作由化学基团确定的表面能的量度。
例如，通过将纳米纤维沉积在表面上，其润湿性可以得到显著改变。因而，水滴在纯PMMA表面上形成的接触角为约70-80度，而水滴可以在由聚酰胺(PA)构成的纳米纤维薄层部分覆盖的PMMA表面上蔓延。已经证实，例如使得聚-ε-氨基己内酰胺的厚度为20-2000nm(例如600nm)的10-500mg/m2，特别是50-300mg/m2(例如约200mg/m2)的量的纳米纤维是特别有利的。
另一方面，为了降低表面的润湿性和产生具有疏水性能或者超级疏水性能的表面，可以将具体包括在样品应用区域的表面(例如，比如测试片壳的无孔表面)、阵列测试领域之间的区域等等涂覆上疏水纳米纤维。在上下文中，优选本发明意义上的疏水性表面与水的固有接触角≥90°。优选本发明意义上的超级疏水表面与水的接触角≥140°，优选≥150°。
当研制卫生学测试片时，具有超级疏水性能的作为疏水屏障的纳米纤维涂层是特别有意义的，其中它对于防止样品液体(例如血液)保持粘合在测试片上是绝对至关重要的。为了实现上述目的，通过静电纺纱由疏水母材制造纳米纤维结构，所述母材例如为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TeflonAF)、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)或者聚烯烃(比如PP、聚戊烯或者其它聚烯烃、或者聚烯烃共聚物)。结果是，即使所述纤维材料或者具有珠粒的纤维的非常薄(例如2μm)的层都可以形成超级疏水性表面，水滴在其上的接触角≥140°。已经置于该表面上的水滴的滑离斜率小于20°。与所述层的表面接触的血滴并没有表现出润湿该层或者与该层粘附的倾向。
本发明特别优选的主题是包括(a)至少一个用亲水性纳米纤维覆盖的区域和(b)至少一个疏水性纳米纤维覆盖的区域的测试元件。为了改良它们的润湿，优选用亲水性纳米纤维覆盖的区域是提供用于施加样品液体(比如血液)的测试区域。为了防止样品液体产生不期望的润湿，优选用疏水性纳米纤维覆盖的区域布置在测试区域或/和样品施加位置附近。
在本发明的另一优选实施方案中，可以将亲水性和疏水性纳米纤维的混合物应用在表面上，例如无孔表面上，以使得液体在表面上产生更均匀的分布。纤维混合物的实例为TeflonAF和聚(尿烷-g-氧化乙烯)。
通过施加亲水和疏水纳米纤维混合物的薄层，可以以使得施加的液滴并且特别是水滴得到均匀分布的方式改性表面。惊人地发现，当上述滴干燥时，与没有纳米纤维存在时相比，溶解于其中的物质形成显著更均匀的层。按照上述方式，可以以比先前显著更为均匀的方式使得以液体形式施加的测试化学作用分布在例如电化学传感器的电极上。这对于生产阵列，例如分子诊断分析阵列也是非常重要的。特别是，自荧光形式在这种情形中起着举足轻重的作用。产生效果所需的极少量材料，例如10-500mg/m2将仅仅产生非常低的自荧光，这反过来在测定阵列时也会对信/噪比产生有利的影响。
本发明另外涉及定性或/和定量测定样品中分析物的方法，其中使用如上所述的测试元件。该方法可以为免疫化学方法或者基于核酸杂化的方法，或者还可以为酶催法。优选的应用是电化学或/和光度检测方法，例如用于检测血液或者其它体液中的葡萄糖。
本发明的另一主题是如上所述的纳米纤维材料(优选静电纺纱或/和连续纳米纤维)在测试元件中作为过滤器的用途，所述测试元件用于检测分析物。所述过滤器可以含有上述纳米纤维本身或/和可以将它们应用到如上所述的多孔载体材料中。如果所述过滤器含有上述纳米纤维本身，即非支撑形式，那么所述材料以任选不对称膜的形式存在。如上所述的膜材料可以含有亲水纳米纤维、疏水纳米纤维或其混合物。
本发明的优点具体为，可以将所述毡或者过滤器材料用于生产测试片中，同根据现有技术水平的材料相比，所述测试片显著更薄和具有更为细小与更均匀的孔径并且需要更少的材料。同样有利的是，表面的润湿型可以通过纳米纤维得到显著改善。另一优点在于，超级疏水表面可以由疏水聚合物形成，在该表面上水滴或者血滴不会得到保持，而是以轻微的角度滑离该表面。同样有利的是，当对血液进行分离时，几乎没有溶血作用发生。借助纳米纤维使得检测试剂能够以比迄今显著更为均质的方式应用到表面上，并且自荧光可以得到降低。
权利要求
1.检测分析物的测试元件，其特征在于，它含有纳米纤维。
2.根据权利要求1的测试元件，其特征在于所述纳米纤维是连续的。
3.根据权利要求1的测试元件，其特征在于所述纳米纤维是静电纺纱的。
4.根据权利要求1～3任一项的测试元件，其特征在于所述纳米纤维的直径为10-2000nm，优选10-1000nm，特别优选10-500nm。
5.根据权利要求1～4任一项的测试元件，其特征在于所述纳米纤维选自亲水纳米纤维、疏水纳米纤维及其混合物。
6.根据权利要求5的测试元件，其特征在于所述疏水纳米纤维形成具有超级疏水性能的表面。
7.根据权利要求1～6任一项的测试元件，其特征在于所述纳米纤维的组成为选自以下的聚合物聚烯烃、聚芳香化合物、氟化或者部分氟化聚合物、聚酯、聚酰胺、聚氨酯、聚乙烯醇、聚乙烯胺、聚乙烯亚胺、聚烯化氧及其组合或者共聚物。
8.根据权利要求1～7任一项的测试元件，其特征在于所述纳米纤维以毡、织物、膜、层或者其组合的形式存在。
9.根据权利要求1～8任一项的测试元件，其特征在于所述纳米纤维含有珠粒。
10.根据权利要求1～9任一项的测试元件，其特征在于它包括测试片。
11.根据权利要求1～9任一项的测试元件，其特征在于它包括测试阵列。
12.根据权利要求1～11任一项的测试元件，其特征在于它包括施加到多孔或者无孔载体材料上的纳米纤维。
13.根据权利要求12的测试元件，其特征在于它含有施加到选自纸张、毡和膜的多孔载体材料上的纳米纤维。
14.根据权利要求13的测试元件，其特征在于所述纳米纤维施加到多孔载体材料的至少一个表面上。
15.根据权利要求13或者14的测试元件，其特征在于它含有至少部分由纳米纤维组成的从样品中分离颗粒组分的过滤器元件。
16.根据权利要求15的测试元件，其特征在于所述过滤器元件是分离血细胞，优选红血球的元件。
17.根据权利要求12的测试元件，其特征在于所述纳米纤维施加在无孔载体材料的表面上。
18.根据权利要求1～17任一项的测试元件，其特征在于它包括涂覆有亲水纳米纤维的表面以增强表面润湿性。
19.根据权利要求1～18任一项的测试元件，其特征在于它包括涂覆有疏水纳米纤维的表面以降低表面润湿性。
20.根据权利要求19的测试元件，其特征在于所述涂覆表面具有超级疏水性能。
21.根据权利要求1～20任一项的测试元件，其包括(a)至少一个涂覆亲水纳米纤维的区域和(b)至少一个涂覆疏水纳米纤维的区域。
22.根据权利要求1～21任一项的测试元件，其特征在于它包括涂覆有亲水和疏水纳米纤维的混合物的表面，以将液体均匀分布在表面上。
23.定性或/和定量测定样品中分析物的方法，其特征在于，使用根据权利要求1～22任一项的测试元件。
24.纳米纤维材料在检测分析物的测试元件中作为过滤器的用途。
25.根据权利要求24的用途，其特征在于所述过滤器含有纳米纤维本身或/和含有施加在多孔载体材料上的纳米纤维。
全文摘要
本发明涉及用于确定生物制品、医药或者生物学或医药有效物质(包括核酸、蛋白质、病毒、微生物和细胞)的存在或者浓度的测试元件，特别是诊断测试元件。本发明的特征在于所述测试元件含有纳米纤维。
文档编号G01N33/52GK101073009SQ200580041736
公开日2007年11月14日 申请日期2005年12月6日 优先权日2004年12月7日
发明者H·哈蒂格 申请人:霍夫曼-拉罗奇有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
