相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本專利申請(qǐng)要求法國(guó)專利申請(qǐng)fr14/57917的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，其將通過引用并入本文。

背景技術(shù)：

本發(fā)明涉及一種制造能夠形成電化學(xué)生物反應(yīng)器的元件的導(dǎo)電膜的方法，在該水平下，限制在生物反應(yīng)器中的元件與存在于其中浸沒有生物反應(yīng)器的液體介質(zhì)中的化合物之間能夠發(fā)生反應(yīng)。該反應(yīng)可能例如導(dǎo)致生物反應(yīng)器的變形，產(chǎn)生電位，或?qū)е屡c生物反應(yīng)器相互作用的化合物的化學(xué)轉(zhuǎn)化。

導(dǎo)致產(chǎn)生電位的生物反應(yīng)器可以形成糖/氧型(例如葡萄糖/氧)的生物燃料電池或生物傳感器的生物電極。

引起與生物反應(yīng)器相互作用的化合物發(fā)生化學(xué)轉(zhuǎn)化的生物反應(yīng)器例如通過將葡萄糖轉(zhuǎn)化成例如將被植入有生物反應(yīng)器的生物體消除的化合物而形成葡萄糖殺傷劑(killer)。

盡管本文主要在生物電極的情況下描述本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明適用于任何電化學(xué)生物反應(yīng)器，特別是可植入體內(nèi)的生物反應(yīng)器。

相關(guān)技術(shù)的討論

現(xiàn)有技術(shù)中描述了各種類型的固體生物電極。例如，法國(guó)專利申請(qǐng)n°10/52657(b10272)描述了通過壓縮導(dǎo)電材料例如石墨、酶和可能的導(dǎo)電聚合物獲得的電極片(anelectrodepellet)。所述片具有厚度大于0.5mm且直徑大于0.5cm的圓盤形狀。盡管這種片可以用作生物電極，但是其剛度和其體積限制了其使用，特別是在具有小容積的身體部位中，例如血管中。

在雜志“compositespartb：engineering”的第45卷中在2013年2月出版的qianjiang等人的文章“plasyfunctionalizationofbuckypaperanditscompositewithphenylethynyl-terminatedpolyimide”描述了導(dǎo)電膜的制造，其是碳納米管和聚酰亞胺的復(fù)合物。

圖1a至1f示意性地示出了該文章中描述的制造方法的步驟。

在圖1a所示的步驟中，將碳納米管1分散在諸如甲醇的溶劑3中。在圖1b所示的步驟中，懸浮在溶劑中的碳納米管1通過具有平均直徑為0.22μm的孔7的濾膜5進(jìn)行真空過濾。如圖1c所示，在濾膜5的表面處獲得碳納米管的薄膜9。薄膜9通過等離子體11處理，使得薄膜的納米管變成親水性的。在圖1d的步驟中，制備苯乙炔基封端的聚酰亞胺15在溶劑17中的懸浮液13。在圖1e的步驟，通過放置在濾膜5上的薄膜9對(duì)懸浮液13進(jìn)行真空過濾。如圖1f所示，獲得包括具有涂覆有聚酰亞胺15的表面的碳納米管薄膜9的復(fù)合薄膜19。

在此更具體地提供將支架和生物反應(yīng)器的至少一個(gè)柔性導(dǎo)電薄膜相關(guān)聯(lián)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一個(gè)實(shí)施方案提供了一種旨在植入體內(nèi)的裝置，其包括至少部分地被至少一個(gè)柔性導(dǎo)電薄膜包圍的支架，所述柔性導(dǎo)電薄膜包括線性聚合物的鏈，所述線性聚合物的鏈具有通過π堆疊與每個(gè)線性聚合物的鏈結(jié)合的碳納米管，所述薄膜通過酶接枝被官能化以形成電化學(xué)生物反應(yīng)器的元件。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，柔性導(dǎo)電薄膜形成電化學(xué)生物電極。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，所述裝置包括兩個(gè)薄膜部分，每個(gè)薄膜部分圍繞支架的基本上半個(gè)外周卷繞，分別形成能夠電耦合到能量存儲(chǔ)裝置上的陽(yáng)極和陰極。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，能量存儲(chǔ)裝置能夠耦合到支架和參考電極上。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，電絕緣生物相容性薄膜插入在支架和柔性導(dǎo)電陽(yáng)極和陰極薄膜之間。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，所述裝置包括一個(gè)單個(gè)薄膜部分，該薄膜部分圍繞支架的基本上整個(gè)外周卷繞，分別形成能夠電耦合到支架上的陽(yáng)極。

附圖說明

前述和其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在下面的對(duì)具體實(shí)施方案的非限制性描述中結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)討論，其中：

圖1a至1f，前面描述過，示意性地示出制造碳納米管的復(fù)合薄膜的方法的步驟；

圖2a至2c示意性地示出了制造柔性導(dǎo)電薄膜的方法的實(shí)施方案的步驟；

圖3示意性地示出了根據(jù)圖2a至2c的方法形成的柔性導(dǎo)電薄膜的結(jié)構(gòu)；

圖4示意性地示出了由包含疏水性位點(diǎn)的酶官能化的圖3的柔性導(dǎo)電薄膜；

圖5示意性地示出了由不含疏水性位點(diǎn)的酶官能化的圖3的柔性導(dǎo)電薄膜；

圖6a和6b是示出耦合到生物燃料電池上的支架的實(shí)施方案的簡(jiǎn)化橫截面圖；和

圖7a和7b是示出耦合到生物陽(yáng)極上的支架的實(shí)施方案的簡(jiǎn)化橫截面圖。

為了清楚起見，在各個(gè)附圖中相同的元件用相同的附圖標(biāo)記表示，并且各種附圖不是按比例的。

具體實(shí)施方式

圖2a至2c示意性地示出了柔性導(dǎo)電薄膜制造模式的實(shí)施方案的連續(xù)步驟。

在圖2a所示的步驟中，制備了包含在溶劑22中的碳納米管24和線性聚合物的鏈26的懸浮液20。優(yōu)選地，溶劑20是疏水性的。所述溶劑可以選自包括二甲基甲酰胺(dmf)、四氫呋喃(thf)和氯仿的組。線性聚合物的每個(gè)鏈26支持一系列包含π共軛基團(tuán)30的官能團(tuán)28。碳納米管24通過將一個(gè)或多個(gè)石墨烯片卷繞成圓柱體而形成。由于電子在包含許多π共軛基團(tuán)的石墨烯上遷移，所述圓柱體是導(dǎo)電的。因此，線性聚合物的鏈26的π共軛基團(tuán)30可以通過π堆疊鍵合到碳納米管24的π共軛基團(tuán)。

碳納米管24是單壁或多壁納米管，并且可以具有在100nm至5μm范圍內(nèi)的長(zhǎng)度。包含π共軛基團(tuán)30的每個(gè)官能團(tuán)28例如是大環(huán)，諸如卟啉和酞菁，或芳族化合物，諸如芘、苯、吲哚、薁、吩噻嗪或萘。所述線性聚合物可以選自包含聚降冰片烯、聚乙烯基吡咯烷酮(pvp)和聚苯乙烯磺酸鈉(pss)的組。優(yōu)選地，同一鏈26的兩個(gè)連續(xù)的π共軛基團(tuán)30之間的距離短于碳納米管24的長(zhǎng)度。對(duì)于長(zhǎng)度為200至500nm的納米管，該距離例如在5至50nm的范圍內(nèi)。選擇所述線性聚合物的鏈26的長(zhǎng)度以支持多個(gè)官能團(tuán)28，例如至少三個(gè)官能團(tuán)28，優(yōu)選至少五十個(gè)官能團(tuán)28。鏈的長(zhǎng)度可以大于0.1μm，優(yōu)選大于10μm。懸浮液20中的碳納米管24的組件的重量例如比線性聚合物的鏈26的組件的重量大2至10倍。

在圖2b所示的步驟中，懸浮液20通過濾膜32，例如ptfe(聚四氟乙烯)濾膜進(jìn)行真空過濾，該濾膜包括具有例如在0.1至0.5μm范圍內(nèi)的直徑的孔34。具有與其結(jié)合的碳納米管24的線性聚合物的鏈26然后在濾膜32的表面處聚集成薄膜。

如圖2c所示，在薄膜已從濾膜32分離之后，獲得包含結(jié)合到所述線性聚合物鏈上的碳納米管的薄膜36。作為示例，薄膜36的厚度在0.01至1mm的范圍內(nèi)。碳納米管的表面濃度可以是3.4mg/cm²，線性聚合物鏈的表面濃度可以是0.56mg/cm²。

圖3是結(jié)合到薄膜36中的碳納米管24上的線性聚合物的鏈26的圖示。碳納米管24通過π堆疊與由線性聚合物的鏈26支撐的官能團(tuán)28的π共軛基團(tuán)30結(jié)合。鏈26支撐多個(gè)納米管24，每個(gè)納米管可以結(jié)合到多個(gè)鏈上。

薄膜36的碳納米管24彼此接觸，由此薄膜36是導(dǎo)電性的。由于線性聚合物的鏈26可以在機(jī)械應(yīng)力的作用下變形的事實(shí)，所獲得的薄膜36是柔性的。特別地，本發(fā)明人已經(jīng)觀察到，這種柔性導(dǎo)電薄膜可以自身卷繞而不斷裂。

為了從圖3的柔性導(dǎo)電薄膜36形成可植入生物反應(yīng)器的元件，在此提供例如通過將酶和可能的氧化還原介體接枝到薄膜上而將薄膜官能化。

圖4是由包含疏水性位點(diǎn)40的酶38(例如漆酶)官能化的圖3的柔性導(dǎo)電薄膜36的圖示。每種酶38的疏水性位點(diǎn)40吸附在碳納米管24的疏水表面上，由此將酶固定在納米管上。酶38的疏水性位點(diǎn)40也可以結(jié)合到鏈26的官能團(tuán)28的π共軛基團(tuán)30上。結(jié)果，大量的酶38可以接枝到柔性導(dǎo)電薄膜36。

為了使酶38接枝到薄膜36上，薄膜36例如浸入到包含懸浮的酶38的溶劑，優(yōu)選水中。作為變型，包含酶38的懸浮液可傾倒在薄膜36上。懸浮液也可以制成穿過薄膜。

圖5是由不包括疏水性位點(diǎn)的酶42官能化的圖3的柔性導(dǎo)電薄膜36的圖示。在這種情況下，柔性導(dǎo)電薄膜36例如包括能夠結(jié)合到酶42上的官能團(tuán)44。在所示的實(shí)施方案中，線性聚合物的鏈26除了包含π共軛基團(tuán)30的官能團(tuán)28之外還支持官能團(tuán)44。因此，至少一些官能團(tuán)44可以具有一種或多種酶42，其通過與結(jié)合到其上的官能團(tuán)44的特異性相互作用結(jié)合到柔性導(dǎo)電薄膜上。類似于關(guān)于圖4所描述的，將酶42接枝到薄膜上，例如通過用包含酶的懸浮液潤(rùn)濕薄膜。

例如，在酶是通過生物素模式修飾的抗生物素蛋白(avidin)的情況下，每個(gè)官能團(tuán)44包含生物素模式。

在可選的實(shí)施方案中，可以提供使用雙官能分子，每個(gè)雙官能分子一方面支撐包含能夠結(jié)合到柔性導(dǎo)電薄膜的元件上的π共軛基團(tuán)30的官能團(tuán)28，另一方面，支撐能夠與酶42結(jié)合的官能團(tuán)44。在這種情況下，例如在酶被接枝到薄膜之前，通過包含雙官能分子的懸浮液潤(rùn)濕所述薄膜。

以與圖3的柔性導(dǎo)電薄膜36已經(jīng)使用能夠結(jié)合到酶42上的官能團(tuán)44特化(specialize)相同的方式，薄膜36可以使用能夠結(jié)合到氧化還原介體上的官能團(tuán)特化。在這種情況下，為線性聚合物的鏈26提供除了官能團(tuán)28和可能的官能團(tuán)44之外還支撐能夠結(jié)合到氧化還原介體上的官能團(tuán)。還可以提供能夠結(jié)合到氧化還原介體上的官能團(tuán)通過雙官能分子支撐，或者氧化還原介體通過能夠直接結(jié)合到碳納米管24上的官能團(tuán)官能化。然后將通過能夠結(jié)合到介體上的官能團(tuán)特化的膜薄使用包含接枝到薄膜上介體的懸浮液潤(rùn)濕。

在替代實(shí)施方案中，還可以提供線性聚合物的鏈26首先通過氧化還原介體官能化。

例如，在氧化還原介體為甲苯胺藍(lán)或鹽酸三甲基硫堇的情況下，提供薄膜包括含有與甲苯胺藍(lán)的氨基模式(pattern)反應(yīng)的活化酯如n-羥基琥珀酰亞胺的官能團(tuán)。氧化還原介體也可以是紫精(viologen)，在這種情況下，提供用π共軛基團(tuán)例如芘來官能化紫精，然后所述紫精通過在碳納米管和官能化紫精的π共軛基團(tuán)之間的π堆疊結(jié)合到薄膜上。

結(jié)合圖4和5描述的實(shí)施方案能夠獲得具有通過酶和可能的氧化還原介體官能化的柔性導(dǎo)電薄膜36的生物反應(yīng)器，例如生物電極。酶和可能的氧化還原介體與薄膜的官能團(tuán)連接，這有利地防止它們?cè)诮]有生物反應(yīng)器的介質(zhì)中分散。

應(yīng)用

可以使用柔性導(dǎo)電薄膜36，而不用酶和可能的氧化還原介體官能化。這種導(dǎo)電薄膜可以例如用于制造柔性光伏電池。這種柔性光伏電池可以包括形成柔性支撐體和空穴收集極(aholecollector)的薄膜36，沉積在支撐薄膜36上的活性層，例如聚合物的混合物，以及沉積在活性層上并且使得能夠通過起電子收集極作用的光子的透明導(dǎo)電層，例如銀納米管。

生物燃料電池可以由與酶和可能的氧化還原介體相關(guān)聯(lián)的柔性導(dǎo)電薄膜36形成。在糖-氧型生物燃料電池的情況下，陽(yáng)極酶能夠催化糖的氧化，陰極酶能夠催化氧的還原，陽(yáng)極的可能的氧化還原介體具有能夠與陽(yáng)極酶交換電子的低氧化還原電位，并且陰極的可能的氧化還原介體具有能夠與陰極酶交換電子的高氧化還原電位。當(dāng)氧被陰極還原并且糖被陽(yáng)極氧化時(shí)，獲得生物燃料電池的生物電極之間的電位差。如果糖是葡萄糖，則陽(yáng)極酶例如選自葡萄糖氧化酶；如果糖是乳糖，則陽(yáng)極酶選自乳糖氧化酶，和陰極酶例如選自多酚氧化酶、膽紅素氧化酶和漆酶。

這種具有柔性生物電極的生物燃料電池可以通過堆疊柔性陽(yáng)極薄膜36和柔性陰極薄膜36形成，所述柔性陽(yáng)極薄膜36和柔性陰極薄膜36通過允許離子通過的絕緣薄膜例如紙彼此分離和電絕緣，在生物燃料電池意圖在體內(nèi)植入的情況下該薄膜由生物相容性材料制成。由于導(dǎo)電薄膜36可以具有約十微米量級(jí)的小厚度，這些薄膜的堆疊使得能夠獲得非常小厚度的平坦生物燃料電池。由于陽(yáng)極和陰極薄膜36是柔性的事實(shí)，小體積的生物燃料電池的形成也可以通過將這種堆疊卷繞在其自身上而成為目標(biāo)。

在另一應(yīng)用實(shí)例中，通過酶和可能的氧化還原介體官能化的薄膜36被偏置以促進(jìn)電-酶反應(yīng)，導(dǎo)致物質(zhì)的產(chǎn)生或破壞。在這種情況下，可以存在促進(jìn)單一反應(yīng)的單一酶，或者可以存在多種由不同酶官能化的薄膜36，所述酶例如具有互補(bǔ)活性，使得每種酶轉(zhuǎn)化由另一種酶促進(jìn)的反應(yīng)的產(chǎn)物。

在此還提供將支架和生物反應(yīng)器的至少一個(gè)柔性導(dǎo)電薄膜相關(guān)聯(lián)，如前所述。

圖6a和6b是示意性地示出與具有柔性生物電極的糖-氧生物燃料電池耦合的支架46的橫截面圖，圖6b是沿著圖6a的平面bb的橫截面圖。

由導(dǎo)電材料制成的支架46布置在管道48(例如血管)中，使得支架的外表面壓靠管道48的內(nèi)壁50。生物燃料電池的柔性導(dǎo)電陰極薄膜54插入在支架和支架的外表面的一部分上管道的內(nèi)壁之間，例如在其中心部分52的水平處。生物燃料電池的柔性導(dǎo)電陽(yáng)極薄膜56插入在支架和支架的外表面的一部分上管道的內(nèi)壁之間，例如基本上在柔性陰極薄膜54的表面處。在支架46與柔性導(dǎo)電薄膜54和56之間插入電絕緣生物相容薄膜(未示出)，所述絕緣薄膜例如布置在中心部分52的整個(gè)外表面上。

導(dǎo)體58將柔性陰極薄膜54電連接到布置在管道50外部的能量存儲(chǔ)裝置62的輸入端子60。類似地，導(dǎo)體58將柔性陽(yáng)極薄膜56電連接到存儲(chǔ)裝置62的另一輸入端子60。存儲(chǔ)裝置62的輸出端子64經(jīng)由導(dǎo)體58電連接到支架46。存儲(chǔ)裝置62還包括電連接到參考電極(未示出)的另一輸出端子64，參考電極例如布置在管道48中。作為示例，導(dǎo)體58是例如由鉑制成的線或帶。

支架46有利地能夠?qū)㈥?yáng)極和陰極薄膜54和56保持靠在管道(例如血管)的內(nèi)壁上。這是可能的，因?yàn)槭褂昧司哂星笆霰∧?6類型的柔性導(dǎo)電薄膜54和56的生物電極，其具有支架和管道的形狀。

在操作中，在陰極薄膜54和陽(yáng)極薄膜56之間獲得電位差，這使得能夠?qū)χT如電容器或電池的裝置62的存儲(chǔ)元件66進(jìn)行充電。用于控制存儲(chǔ)裝置62的元件68例如周期性地將存儲(chǔ)元件66連接到裝置62的輸出端子64，以在支架46和參考電極之間施加電位差。選擇電位差使得支架處于負(fù)電位，這有利地防止蛋白質(zhì)在支架表面處積聚和形成支架的材料發(fā)生氧化。帶有具有柔性導(dǎo)電薄膜的生物電極的生物燃料電池和支架的這種關(guān)聯(lián)使得能夠增加支架壽命。

圖7a和7b是示意性地示出與柔性陽(yáng)極薄膜70耦合的支架46的橫截面圖，圖7b是沿著圖7a的平面bb的橫截面圖。

支架46布置在管道48(例如血管)中，使得支架的外表面壓靠管道48的內(nèi)壁50。陽(yáng)極薄膜70插入在支架和支架的全部或部分外表面上的管道之間，例如在支架的中心部分52的水平處。導(dǎo)體72(例如，可由鉑制成的線或帶)將薄膜70電連接到支架46。參考電極(未示出)例如經(jīng)由電阻器電連接到支架，參考電極例如布置在管道中。在操作中，柔性導(dǎo)電陽(yáng)極薄膜70帶負(fù)電，這使得能夠?qū)χЪ?6施加負(fù)電位。向支架46施加負(fù)電位有利地能夠防止蛋白質(zhì)在支架表面處積聚和形成支架的材料發(fā)生氧化。

圖6a、6b、7a和7b示出了位于管道中的支架。如此定位的支架的直徑大于支架在定位在導(dǎo)管中之前的直徑。在被定位在管道中之前，收縮的支架被包裹在圍繞支架的外表面卷繞的生物反應(yīng)器的柔性導(dǎo)電薄膜中，所述柔性薄膜通過可能容易地?cái)嗔鸦蚯懈畹膸?例如通過繩索或環(huán))固定在支架周圍就位。將包裹有柔性導(dǎo)電薄膜的支架的組件插入管道中，之后支架材料膨脹，導(dǎo)致保持圍繞支架卷繞的膜的帶斷裂。當(dāng)支架膨脹直到支架的外表面呈管道內(nèi)壁的形狀并且將圍繞支架的柔性導(dǎo)電薄膜保持就位時(shí)，柔性薄膜被展開。

變型

已經(jīng)描述了具體實(shí)施方案。本領(lǐng)域技術(shù)人員將想到各種變型和修改。特別地，前述柔性導(dǎo)電薄膜可以通過其它化合物、通過其它酶和通過除本公開中作為實(shí)例指示的那些之外的其它氧化還原介體而官能化。

雖然已經(jīng)描述了結(jié)合到單一酶并且可能結(jié)合到單一氧化還原介體的柔性導(dǎo)電薄膜，但是多于一種酶和/或多于一種氧化還原介體可以結(jié)合到同一導(dǎo)電薄膜。

在圖6a和6b中，已經(jīng)描述了通過支架在導(dǎo)管中保持就位的具有柔性生物電極的生物燃料電池，所述生物燃料電池能夠?qū)Σ贾迷诠艿劳獠康拇鎯?chǔ)裝置充電。與支架相關(guān)聯(lián)的生物燃料電池還可以用于給另一個(gè)裝置(例如傳感器)供電，或者在支架和生物燃料電池被植入體內(nèi)的情況下為起搏器供電。此外，雖然在附圖中描述了圍繞支架圓周的一部分卷繞的陽(yáng)極薄膜和圍繞支架圓周的另一部分卷繞的陰極薄膜，但是也可以為全部或部分支架圓周提供陽(yáng)極或陰極薄膜、絕緣薄膜以及相應(yīng)的陰極或陽(yáng)極薄膜的順序包被。

在圖7a和7b中，生物陽(yáng)極經(jīng)由導(dǎo)體72電連接到支架。可以抑制導(dǎo)體，然后通過這些元件之間的簡(jiǎn)單接觸實(shí)現(xiàn)支架和柔性導(dǎo)電薄膜70之間的電連接。

先前描述的官能化柔性導(dǎo)電薄膜可以用半透濾膜包被，以允許氧化還原反應(yīng)的反應(yīng)物通過，并阻斷諸如線性聚合物的鏈26、酶和碳納米管的其它較重元件。在導(dǎo)電薄膜形成旨在植入體內(nèi)的生物反應(yīng)器的情況下，所述濾膜由生物相容性材料例如殼聚糖或以商品名dacron命名的材料制成。

上文已經(jīng)描述了具有不同變型的各種實(shí)施方案。應(yīng)當(dāng)注意，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以組合這些各種實(shí)施方案的各種元件，而不示出任何創(chuàng)造性。特別地，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以改變前述方法的步驟順序和數(shù)量。例如，酶和氧化還原介體可以通過用包含酶和氧化還原介體的單一懸浮液潤(rùn)濕薄膜而接枝到支撐該酶和該介體特異性的基團(tuán)的薄膜上。