發(fā)明背景

雖然目前存在可用的診斷工具諸如膠囊內(nèi)窺鏡和呼吸分析器，但是沒有裝置能用于分析胃腸道中的氣體組成。有許多報(bào)道是關(guān)于這些氣體組成很可能與不同疾病相關(guān)聯(lián)。然而，由于缺乏任何適合的工具而且不方便對(duì)患者進(jìn)行這些測(cè)量，此領(lǐng)域的潛能還未得到完全認(rèn)識(shí)。

美國(guó)專利8469857公開了一種通過(guò)分析呼吸分析中的氣體來(lái)診斷GI病狀的方法。

專利申請(qǐng)WO2013/003892公開了一種具有氣體傳感器的膠囊和一種用于反芻動(dòng)物的氣體可滲透膜。

美國(guó)專利申請(qǐng)2009/0318783公開了一種使用含有傳感器的可攝取膠囊分析來(lái)自GI道的數(shù)據(jù)并提供關(guān)于針對(duì)時(shí)間作圖的測(cè)量值的數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)化方法。

美國(guó)專利申請(qǐng)2013/0289368公開了一種具有幫助診斷GI道疾病的氣體檢測(cè)器的可攝取膠囊。

使用現(xiàn)有技術(shù)中所述的裝置的一個(gè)難題為使用沒有任何修飾的膜。即使大部分非選擇性且氣體可滲透性膜諸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)具有長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間。此響應(yīng)時(shí)間有時(shí)達(dá)到數(shù)分鐘的數(shù)10s。對(duì)于少數(shù)動(dòng)力學(xué)場(chǎng)景諸如將膠囊置于牛瘤胃內(nèi)[專利申請(qǐng)WO2013/003892]，這可能是足夠的。然而，對(duì)于胃腸(GI)道，尤其是人類和具有類似消化系統(tǒng)的其他哺乳動(dòng)物中的胃腸道中的氣體組成的測(cè)量值，此類響應(yīng)時(shí)間是不足的。

關(guān)于現(xiàn)有技術(shù)裝置的另一個(gè)難題為純膜的選擇性缺乏。例如，純PDMS膜允許所有氣體種類滲透通過(guò)。當(dāng)使用高選擇性傳感器時(shí)，這可為可接受的。然而，大部分可用氣體傳感器為非選擇性的。例如，目前氫氣(H₂)傳感器也對(duì)其他氣體種類諸如甲烷(CH₄)敏感。這種特異性缺乏嚴(yán)重影響測(cè)量值的準(zhǔn)確性。純膜的非選擇性的另一個(gè)問(wèn)題為高酸性氣體種類(諸如消化系統(tǒng)中的那些氣體，包括硫化氫(H₂S)和氮氧化物類(NO_x))滲透和傳感器主體暴露于所述氣體的可能性。這顯著減小了傳感器的使用時(shí)間。例如，大部分商用H₂氣體傳感器在暴露于100ppm H₂S氣體下僅在24小時(shí)后就不能運(yùn)行。

另一個(gè)挑戰(zhàn)為外源微生物的定殖，諸如消化系統(tǒng)的微生物定殖到膜表面上。純膜諸如PDMS顯示輕微的抗微生物作用。然而，這不足以使胃腸道的微生物的定殖停止相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間。例如，用于測(cè)量GI道的氣體種類的膠囊操作需要超過(guò)一天多至幾周。

本發(fā)明的目標(biāo)為提供增強(qiáng)氣體傳感器性能的納米復(fù)合物膜。

本發(fā)明的目標(biāo)為減輕使用傳感器膠囊的現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題并且提供用于消化系統(tǒng)的更有效且更響應(yīng)性膠囊。

發(fā)明簡(jiǎn)述

為此，本發(fā)明提供一種用于氣體傳感器的氣體滲透性、液體不可滲透性膜，其中所述膜由成膜聚合物組成，所述成膜聚合物并入選擇用以提高以下一者或多者的一種或多種納米顆粒：

對(duì)氣體的滲透性，

選擇性阻礙或排除一些氣體的滲透同時(shí)促進(jìn)所選氣體穿過(guò)所述膜，

抑制所述膜上的微生物生長(zhǎng)。

這些膜可用于其中氣體傳感器的響應(yīng)時(shí)間和敏感性需要提高的任何應(yīng)用。本發(fā)明的膜被開發(fā)來(lái)解決這些問(wèn)題，包括在感測(cè)哺乳動(dòng)物消化系統(tǒng)和胃腸系統(tǒng)內(nèi)的氣體時(shí)碰到的那些問(wèn)題。

本發(fā)明的膜的獨(dú)特特性為若干種關(guān)鍵性功能，其使氣體傳感器的性能增強(qiáng)到在傳感器使用壽命期間準(zhǔn)確氣體組成測(cè)量所需要的水平。納米復(fù)合物膜允許所希望的氣體種類高選擇性傳到氣體傳感器陣列，阻斷不需要的干擾氣體種類，并且停止不希望的微生物在膜表面上的定殖。

所述膜優(yōu)選地選自作為玻璃樣或橡膠樣聚合物的氣體滲透性液體不可滲透性聚合物材料。一直用于工業(yè)應(yīng)用的玻璃樣聚合物的實(shí)例包括：聚亞酰胺、聚丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚砜類、乙酸纖維素、聚(苯醚)、聚乙炔類以及聚[1-(三甲基甲硅烷基)-1-丙炔](PTMSP)。相比之下，具有工業(yè)相關(guān)性的橡膠樣聚合物種類較少，其中聚(二甲基硅氧烷)式最突出的。

用于本發(fā)明的膜為具有并入的納米材料的聚合納米復(fù)合物膜，其具有若干種可能的功能。

1.它們能夠充當(dāng)嵌入到聚合物基質(zhì)中的反應(yīng)器。這些納米反應(yīng)器可逆地或不可逆地與表面上的材料相互作用，在膜主體內(nèi)滲透和/或穿過(guò)所述膜主體以將它們轉(zhuǎn)化成其他材料。

納米反應(yīng)器可用于增強(qiáng)氣體和液體分離以及膜滲透：(1)增強(qiáng)膜對(duì)特定氣體或液體分子、離子、原子或其他顆粒的選擇性和敏感性，(2)增強(qiáng)使用膜分離氣體和液體種類的效率，以及(3)反應(yīng)性地操縱穿過(guò)膜的氣體或液體分子、離子和原子以獲得產(chǎn)物。

這些膜由高滲透性聚合物諸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚乙炔、聚(1-三甲基甲硅烷基-1-丙炔)(PTMSP)制成。這些聚合物的一些其他已熟知的家族包括全氟聚合物類、聚(降冰片烯)類和聚亞酰胺類。嵌入材料的納米顆粒諸如金屬氧化物或硫?qū)倩衔?例如，ZnO、In₂O₃、WO_x、TiO₂、WS₂、MoS₂、...)、其他半導(dǎo)體、金屬(例如Ag、Au、Pt，...)、基于碳的材料(例如石墨烯、碳納米管、...)以及其他納米材料(尤其是催化性納米材料)。這些材料在體溫下催化GI道內(nèi)感興趣的氣體或液體種類，它們自身并未參與相互作用。一些最適合的納米材料為已熟知的催化金屬，包括Ag、Au、Pt和Pd，以及具有相對(duì)小帶隙的材料，諸如MnO₂和FeOx、CuOx、WS₂和MoS₂。

2-許多上述納米材料也可在極低濃度下顯示抗微生物能力。材料諸如Ag、Mn02、Pt和Au可以在室溫或近室溫和更高溫度下顯著減少微生物定殖在膜表面上的機(jī)會(huì)。因此這增加了膠囊的壽命。

3-納米材料的第三種可能的功能為它們給出所希望的納米復(fù)合物結(jié)構(gòu)。將所選納米填料并入到聚合物結(jié)構(gòu)中會(huì)增加與其作用的額外自由度，以便同時(shí)滿足滲透性和選擇性條件。在聚合物內(nèi)嵌入納米填料可以調(diào)整氣體種類的溶解度，系統(tǒng)性地操縱聚合物鏈分子排列，從而在納米填料周圍產(chǎn)生額外界面空隙或區(qū)域并且改變不對(duì)稱性。納米空隙的形成可以特別有助于增加滲透性。氣體分子的表面擴(kuò)散性比膜體積內(nèi)的滲透性快得多。因此，如果使用納米材料，體積內(nèi)的表面積可以得到增加，那么所選分子的總體滲透性增加。

材料諸如石墨烯和碳納米管可形成用于增加表面積的納米框架。具有此類框架的膜內(nèi)的氣體滲透性可以增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

以下表列出了可實(shí)現(xiàn)的功能。

納米材料及其對(duì)聚合物化合物的作用

在另一方面，本發(fā)明提供一種適于引入到哺乳動(dòng)物的消化系統(tǒng)和GI道中的膠囊，其由以下各項(xiàng)組成：

膠囊形容器，其由能夠與消化系統(tǒng)生物相容并適于保護(hù)所述膠囊內(nèi)含有的電子和傳感器裝置的壁材料組成；

所述膠囊含有氣體組成傳感器、壓力和溫度傳感器、微型控制器、電源和無(wú)線傳輸裝置的陣列；

所述膠囊壁并入與所述氣體傳感器相鄰的氣體滲透性膜，所述傳感器并入有助于氣體傳感器的操作性、選擇性和敏感性的納米顆粒；

微型處理器被編程以接收來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)信號(hào)并且將所述信號(hào)轉(zhuǎn)換成適用于傳輸至外部計(jì)算裝置的氣體組成和濃度數(shù)據(jù)以及溫度和壓力數(shù)據(jù)。

此膠囊的獨(dú)特特性為納米復(fù)合物膜連同氣體傳感器陣列的實(shí)現(xiàn)方式，其顯著增強(qiáng)了氣體傳感器陣列在響應(yīng)時(shí)間、選擇性和耐用性方面的性能。

氣體傳感器膠囊允許準(zhǔn)確鑒別原位(其中產(chǎn)生所述氣體)目標(biāo)氣體，并且有助于將它們與對(duì)健康狀態(tài)和疾病存在的更多確定性相關(guān)聯(lián)。這些膠囊允許調(diào)查整個(gè)胃腸道，而不僅是可接近部分。另外，程序?yàn)闊o(wú)創(chuàng)的并且膠囊在過(guò)程結(jié)束后排出受試者的身體。

尤其是對(duì)于人類應(yīng)用而言，在吞咽后，“氣體傳感器膠囊”將幫助胃腸病學(xué)家調(diào)查人類受試者的氣體種類以及其在食管、胃部、小腸部分(十二指腸、空腸和回腸)、盲腸和大腸中的濃度。所述膠囊還可幫助理解在其他哺乳動(dòng)物內(nèi)產(chǎn)生的氣體種類并且使得它們與其膳食、健康狀態(tài)和氣體產(chǎn)生體積(對(duì)于氣體減少或產(chǎn)生效率評(píng)定)相關(guān)聯(lián)。所述裝置使得可以準(zhǔn)確研究存在的氣體種類與胃腸醫(yī)學(xué)疾病之間的相關(guān)性并充分獲得所述相關(guān)性。建立此類相關(guān)性并準(zhǔn)確評(píng)定個(gè)體受試者的消化道的氣體含量將有助于揭示消化道中存在的微生物的作用并且有助于開出正確的藥物處方，從而更準(zhǔn)確地靶向胃腸疾病。這樣，氣體傳感器膠囊將為用于使用無(wú)創(chuàng)診斷評(píng)定健康狀態(tài)的寶貴工具。

具有本發(fā)明的納米復(fù)合物膜的氣體傳感器膠囊是一種診斷和監(jiān)控的工具，其可吞咽并且具有在整個(gè)胃腸道中對(duì)氣體成分準(zhǔn)確取樣的能力。其優(yōu)點(diǎn)為：

1-納米復(fù)合物膜允許對(duì)沿著胃腸道的氣體成分進(jìn)行高選擇性和敏感性測(cè)量。

2-所述膜被設(shè)計(jì)為對(duì)感興趣的氣體種類高度滲透的(理想地為對(duì)于所選氣體通透的)，因此它們將用于氣體測(cè)量的系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間減少至傳感器陣列的響應(yīng)時(shí)間。

3-納米復(fù)合物膜的催化特性允許氣體傳感器元件長(zhǎng)期保護(hù)它們使其免于不需要的腐蝕性氣體和蒸汽。

4-納米復(fù)合物膜的抗微生物特性抑制微生物到納米復(fù)合物上的定殖并且使表面保持干凈更長(zhǎng)時(shí)間。納米顆粒還阻止用于長(zhǎng)期測(cè)量的氣體滲透性膜的堵塞。

尤其是對(duì)于人類應(yīng)用而言，在吞咽后，“氣體傳感器膠囊”將幫助胃腸病學(xué)家調(diào)查人類受試者的氣體種類以及其在食管、胃部、空腸、十二指腸、回腸、盲腸和大腸中的濃度。所述膠囊還可幫助理解在其他哺乳動(dòng)物內(nèi)產(chǎn)生的氣體種類并且使得它們與其膳食、健康狀態(tài)和氣體產(chǎn)生體積(對(duì)于氣體減少或產(chǎn)生效率增加)相關(guān)聯(lián)。所述裝置使得可以準(zhǔn)確研究存在的氣體種類與胃腸醫(yī)學(xué)疾病之間的相關(guān)性并充分獲得所述相關(guān)性。建立此類相關(guān)性并準(zhǔn)確評(píng)定個(gè)體受試者的消化道的氣體含量將有助于揭示消化道中存在的微生物的作用并且有助于開出正確的藥物處方，從而更準(zhǔn)確地靶向胃腸疾病。這樣，氣體傳感器膠囊將為用于使用無(wú)創(chuàng)診斷評(píng)定健康狀態(tài)的寶貴工具。

發(fā)明詳述

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案將參考附圖進(jìn)行描述，在附圖中：

圖1為本發(fā)明的優(yōu)選膠囊的示意圖；

圖2為本發(fā)明的催化性納米膜的功能的示意圖；

圖3為通過(guò)本發(fā)明的膜中的納米材料產(chǎn)生的納米空隙的示意圖；

圖4為使用根據(jù)本發(fā)明的膜的滲透結(jié)果的圖解說(shuō)明；

圖5為示出膜上的微生物生長(zhǎng)的顯微圖；

圖6示出豬中的膠囊測(cè)量；

圖7示出每種氣體種類對(duì)于改變石墨烯濃度的滲透性變化。

優(yōu)選膠囊的主要組分在圖1中示出。主要組分為：

●傳感器：氣體傳感器11諸如CH₄、H₂、CO2、NO_x和H2S以及揮發(fā)性有機(jī)化合物傳感器諸如丁酸酯和乙酸酯為主要組分。這些氣體種類為與胃腸道微生物相關(guān)聯(lián)的最常見物質(zhì)并且已提示與特定人類健康病狀的聯(lián)系。此外，優(yōu)選地包括其他傳感器，包括溫度傳感器12和壓力傳感器13)(也可能為pH傳感器)，以提供用于氣體分析的環(huán)境信息。

具有嵌入的催化性納米材料21和非催化性納米材料(形成結(jié)構(gòu)納米空隙22)的納米復(fù)合物滲透性膜14：在膠囊蓋上的膜14允許某些氣體種類穿過(guò)并且與其他氣體催化性相互作用以阻斷它們。這增加了陣列中的每種傳感器對(duì)目標(biāo)氣體的選擇性。嵌入到納米復(fù)合物膜中的、與所選氣體種類相互作用的催化性納米材料的示意圖示出在圖2中。一種氣體種類與催化性納米填料相互作用并且分解，同時(shí)其他氣體滲透通過(guò)完整的膜。嵌入到納米復(fù)合物膜中的、示意性產(chǎn)生納米空隙的納米材料示出在圖3中。正如所看出的，并入的納米材料改變了納米復(fù)合物膜的結(jié)構(gòu)形態(tài)，以產(chǎn)生增加氣體種類的滲透性的納米空隙。

●電子電路16由在傳感器之間切換的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及產(chǎn)生數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)并將其發(fā)送至傳輸天線18的編碼器和調(diào)制器。將商用頻帶(諸如433MHz)用于應(yīng)用，因?yàn)榇祟l率范圍的電磁波可以安全地滲透人類組織。其他商用頻帶可用于各種應(yīng)用。需要編碼，以確保獨(dú)特?cái)?shù)據(jù)從每個(gè)單獨(dú)膠囊內(nèi)發(fā)送。傳輸天線為用于將數(shù)據(jù)傳輸至身體數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)外部的偽貼片型。電源17為可為傳感器和電子電路供應(yīng)能量的電池或超級(jí)電容器。對(duì)于消化道膠囊需要至少48小時(shí)的壽命。通常，對(duì)于其他應(yīng)用需要更長(zhǎng)的壽命。

●膠囊的尺寸優(yōu)選地為直徑小于1.2mm并且長(zhǎng)3mm，這為人類可吞咽的。膠囊主體優(yōu)選地由可難消化聚合物制成，所述難消化聚合物為生物相容性的。所述諸如優(yōu)選地為光滑且非粘性的，以允許其在最短可能時(shí)間內(nèi)通過(guò)并且減少任何膠囊停留的機(jī)會(huì)。

膜制備

用于納米復(fù)合物膜的大部分制備方法主要涉及將兩種主要組分混合；單體或聚合物和無(wú)機(jī)納米填料。納米填料在聚合物基質(zhì)內(nèi)的均勻分散使得將那些填料提供至納米復(fù)合物膜的益處最大化。

所使用的制造方法依賴于有機(jī)組分(單體/聚合物)的形成以及混合和固化過(guò)程的能量需要。所述方法還依賴于所并入的無(wú)機(jī)納米填料的類型。在此類過(guò)程中，通常在膜制造之前制成納米填料。然后將它們與單體或聚合物混合并且通過(guò)各種聚合和溶液蒸發(fā)過(guò)程來(lái)形成膜。此外，膜框架為在制造納米復(fù)合物膜時(shí)必須謹(jǐn)記的另一種因素。

如果起始物為單體，那么優(yōu)選地發(fā)生聚合以使得單體分子反應(yīng)以在納米填料周圍形成聚合物鏈的三維網(wǎng)絡(luò)。所述鏈可附接至納米填料或者在填料周圍形成空隙并且根據(jù)所述膜，可獲得各種孔尺寸或無(wú)孔的膜。存在許多聚合形式并且存在催化它們的不同系統(tǒng)。聚合通常經(jīng)由步驟或鏈生長(zhǎng)機(jī)制來(lái)進(jìn)行。大部分膜產(chǎn)生機(jī)制是基于鏈生長(zhǎng)方法。它涉及并入碳碳雙鍵或三鍵的分子，這些雙鍵或三鍵在聚合過(guò)程中連接在一起。這些單體具有可以破壞和連接從而形成重復(fù)鏈的額外內(nèi)部鍵。在此情況下，主鏈通常含有碳原子。碳生長(zhǎng)聚合涉及常用于制造氣體分離膜的聚合物的制造，所述聚合物諸如聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯(PVC)。類似過(guò)程可以使用寡聚物來(lái)采用。

混合制備方法可以分成以下方法：

溶液共混涉及溶解聚合物并且還允許納米填料均勻分散的無(wú)機(jī)溶劑。在聚合物組分溶解于溶劑中之后，添加納米填料組分，同時(shí)進(jìn)行徹底的、高能且通常長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間的混合，以允許均勻分散。然后將溶液置于模具中或使其在表面上伸展，并且然后去除溶劑，留下完全形成的納米復(fù)合物膜。溶液共混為納米復(fù)合物膜形成的最簡(jiǎn)單方法之一。所述技術(shù)適用于各種各樣的納米填料類型和濃度以及聚合物。然而，所述膜內(nèi)的納米顆粒的聚集可為此方法的常見問(wèn)題。

實(shí)施例：石墨烯納米復(fù)合物

圖4示出石墨烯納米復(fù)合物膜的使用。傳感器讀取(a)CH₄和(b)C0₂滲透性。正如可見的，對(duì)100％CO₂和CH₄氣體的純PDMS響應(yīng)非常長(zhǎng)。石墨烯納米復(fù)合物通過(guò)產(chǎn)生納米空隙來(lái)減少響應(yīng)時(shí)間。

通過(guò)這些石墨烯-PDMS納米復(fù)合物膜的氣體滲透機(jī)制不同于其他碳納米材料復(fù)合物。其他形式的碳的表面能非常不同于無(wú)懸掛鍵的石墨烯的表面能。不同于石墨烯，碳填料已用于制成滲透性復(fù)合物膜，通常它們已顯示減少滲透性。

在暴露于純CO2、N2、Ar和CH₄下使用恒壓可變體積(CPW)實(shí)驗(yàn)設(shè)置，研究原始PDMS和復(fù)合物石墨烯-PDMS膜的氣體滲透速率。正如圖7可見的，所有氣體種類的滲透性隨著將石墨烯作為填料添加到PDMS基質(zhì)中而顯著增加。

發(fā)現(xiàn)Ar、N₂和CH₄的滲透性為0.25重量％，從而提供極大地增強(qiáng)的通量，對(duì)于復(fù)合物膜而言在N2的情況下超過(guò)60％。然而，在此條件下，選擇性存在一些微小損失，這與當(dāng)滲透性增加時(shí)選擇性降低的Robeson趨勢(shì)一致。對(duì)于CO₂，當(dāng)0.25重量％石墨烯-PDMS膜顯示滲透性增加時(shí)，0.5重量％膜提供最大流量。重要的是，在實(shí)現(xiàn)這種滲透性增加的同時(shí)未出現(xiàn)CO2/N2選擇性損失。實(shí)際上，CO₂/CH4選擇性似乎輕微增加。

通過(guò)橡膠樣聚合物的氣體滲透通過(guò)溶液擴(kuò)散機(jī)制來(lái)指定。此機(jī)制包括三個(gè)步驟：

(1)在上游邊界處吸附，

(2)擴(kuò)散通過(guò)膜，以及

(3)在下游邊界處解吸附。

在CO2行為的此差異可歸因于石墨烯對(duì)CO₂的高親和力，其中在0.5重量％時(shí)有更大滲透性，同時(shí)其他氣體種類最大滲透性發(fā)生在0.25重量％。所有氣體的滲透性增加是由于氣體分子通過(guò)復(fù)合物材料的擴(kuò)散的變化。

將石墨烯引入到PDMS基質(zhì)中增加了聚合物內(nèi)自由體積的量并且因此導(dǎo)致滲透性增加。石墨烯在PDMS基質(zhì)中的存在具有在這些界面處形成永久性空隙的能力，其中寡聚物與石墨烯片之間的距離不同于在正常交聯(lián)條件下寡聚物之間的距離。滲透性結(jié)果表明在工作時(shí)存在兩種單獨(dú)的機(jī)制，從而改變石墨烯-PDMS膜的氣體滲透性。通過(guò)界面空隙引入額外自由體積使得滲透性增加。相反，氣體轉(zhuǎn)運(yùn)穿過(guò)石墨烯片更難，這自然通過(guò)增加氣體分子的擴(kuò)散路徑長(zhǎng)度來(lái)降低滲透性。因此，考慮到兩種競(jìng)爭(zhēng)性作用，后者可開始在高重量％下占主導(dǎo)地位。這兩種作用引起“最佳”負(fù)載濃度。

實(shí)施例：銀納米復(fù)合物的抗微生物特性

雖然Ag和Ag⁺離子適用于并且有效于以散裝形式進(jìn)行殺菌應(yīng)用，但是納米顆粒所具有的獨(dú)特特性具有增強(qiáng)任何殺菌作用的可能性。Ag納米顆粒顯示出自離子和散裝材料改變的物理特性，從而因高反應(yīng)面的增加而引起催化活性增加。如果適當(dāng)調(diào)整Ag納米顆粒的表面化學(xué)，則它們可引起針對(duì)寬細(xì)菌組的選擇性毒性，同時(shí)保留對(duì)哺乳動(dòng)物細(xì)胞的生物相容性。

聚合物諸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)提供許多生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用和生物技術(shù)應(yīng)用并且用于純化技術(shù)中。這是由于其許多感興趣的特性：無(wú)毒性、生物詳細(xì)、光學(xué)透明性、耐用性、柔性、對(duì)許多氣體種類的高滲透性、疏水性以及大體上低的成本。這使得PDMS成為直接使用或以復(fù)合物形式使用的非常有吸引力的聚合物。純PDMS已用于許多應(yīng)用，包括可植入裝置和生物醫(yī)學(xué)裝置，并且已廣泛地用于許多純化過(guò)程中。

Ag-PDMS納米復(fù)合物材料可顯示使用PDMS基質(zhì)內(nèi)的Ag納米顆粒載量的非常感興趣的抗菌特性，似乎已顯著減少粘附至表面的細(xì)菌的量并且已減少在材料上生長(zhǎng)的細(xì)菌種類。

有趣的是，0.25重量％Ag-PDMS納米復(fù)合物顯示最小表面覆蓋或最少細(xì)菌菌落。這可歸因于從納米復(fù)合物中浸出的Ag⁺離子的最大濃度，其不僅影響與表面接觸的細(xì)胞而且也影響周圍介質(zhì)內(nèi)的細(xì)胞。

體內(nèi)和體外測(cè)試證明Ag-PDMS納米復(fù)合物甚至在相對(duì)低Ag濃度下顯示顯著的抗微生物特性，使得它對(duì)于生物醫(yī)學(xué)可植入裝置為有利的。

圖5示出從在羊瘤胃研究?jī)?nèi)體內(nèi)生長(zhǎng)的微生物表面在作為參考的純PDMS和不同Ag載量的Ag PDMS納米復(fù)合物上的掃描電子顯微鏡(SEM)圖像：(a)在4天時(shí)的純PDMS；(b)在4天時(shí)的0.25重量％Ag-PDMS；(c)在4天時(shí)的1重量％Ag-PDMS；(d)在14天時(shí)的純PDMS；(e)在14天時(shí)的0.25重量％Ag-PDMS；(f)在14天時(shí)的1重量％Ag-PDMS；(g)在21天時(shí)的純PDMS；(h)在21天時(shí)的0.25重量％Ag-PDMS；以及(i)在21天時(shí)的1重量％Ag-PDMS。正如可見的，0.25重量％Ag-PDMS納米復(fù)合物膜具有顯著的壽命。

實(shí)施例：還使用在PDMS中具有嵌入的銀的膜進(jìn)行試驗(yàn)，以測(cè)量傳感器有害氣體種類的減少。

在0.25w/w％Ag下的Ag-PDMS使得H₂S的穿過(guò)減少60％

在0.5w/w％Mn0₂下的Mn0₂-PDMS使得H₂S的穿過(guò)減少95％

圖6示出豬中的氣體膠囊測(cè)量的試驗(yàn)。這是在低纖維膳食時(shí)的H₂輪廓產(chǎn)生。

向豬給予1.3mmx 3.4mm尺寸的膠囊。所述膠囊包含電導(dǎo)氫氣傳感器。當(dāng)膠囊從胃部(其為有氧環(huán)境)傳輸?shù)酱竽c(其為無(wú)氧環(huán)境)時(shí)，傳感器在20至30小時(shí)后顯示大的變化。這還在每次進(jìn)食低纖維膳食后顯示信號(hào)響應(yīng)。在每次進(jìn)食之后總是觀察到兩個(gè)峰。

關(guān)于在納米復(fù)合物膜在不同條件下的性能的實(shí)施例：

實(shí)施例1

使用以下表中列出的氣體傳感器對(duì)基于橡膠樣PDMS的各種納米復(fù)合物膜進(jìn)行試驗(yàn)。

樣品為300μm厚的膜。所有聚合物均在所選條件下制備以產(chǎn)生最佳氣體滲透。

MnO2作為高活性/催化性納米顆粒，幾乎完全阻斷反應(yīng)性氣體種類諸如H₂和CH₄，同時(shí)對(duì)CO2的滲透性幾乎沒有影響。它對(duì)H2S也沒有影響。發(fā)現(xiàn)FeO_x對(duì)于阻斷H2為最有效的。M0S2幾乎對(duì)大部分氣體種類不具有影響，同時(shí)幾乎完全阻斷NO2。CuO非常有效于阻斷H2S并還原H₂。雖然石墨烯增加了大部分氣體種類的滲透性，但是對(duì)H2S沒有影響。

實(shí)施例2

使用貴金屬對(duì)納米復(fù)合物聚合物組合進(jìn)行試驗(yàn)。盡管未舉例說(shuō)明鉑，但是預(yù)期的是它將比金和銀稍微更好地完成。

具有并入的Au和Ag納米顆粒的具有三種不同模型聚合物的膜-這些全部為0.25w/w％Au和Ag

將聚碳酸酯用作非橡膠樣聚合物并且將聚乙炔和聚二甲基硅氧烷(PDMS)用作橡膠樣聚合物

樣品為300μm厚的膜。所有聚合物均在所選條件下制備以產(chǎn)生最佳氣體滲透。

聚碳酸酯對(duì)大部分氣體種類幾乎不滲透，而橡膠樣聚乙炔和PDMS顯示高度滲透。PDMS確定是對(duì)于所有測(cè)試的氣體種類更好的氣體滲透性材料。

實(shí)施例3

使用各自50w/w％的聚乙炔和PDMS的模型化二元化合物對(duì)納米顆粒MnO₂、FeO_x、CuO、WS2和M0S2的納米復(fù)合物聚合物組合進(jìn)行試驗(yàn)。

樣品為300μηι厚的膜。所有聚合物均在所選條件下制備以產(chǎn)生最佳氣體滲透。

看起來(lái)引入二元化合物往往不具有作用或者與純PDMS(除H₂S氣體分子之外)相比減少大部分氣體種類的總體滲透性。有趣的是，H₂S滲透速率增加，所述H₂S與H₂、CH₄和CO₂相比是相對(duì)更大的氣體分子?？雌饋?lái)使得二元化合物傾向于通過(guò)在聚合物鏈之間產(chǎn)生相對(duì)更大的孔來(lái)滲透更大的分子。

可以潛在地修改具有納米復(fù)合物膜的消化系統(tǒng)氣體膠囊，以便用于其他應(yīng)用。這包括礦業(yè)部門和農(nóng)業(yè)的一些領(lǐng)域以及尤其涉及水污染的環(huán)境污染的那些。大量這些膠囊可以分布在區(qū)域中以收集關(guān)于空氣或水中的氣體組成的信息。具有傳感器陣列的膠囊可以發(fā)送氣體數(shù)據(jù)，這取決于系統(tǒng)的傳輸范圍。納米復(fù)合物膜將有助于通過(guò)使系統(tǒng)有更大選擇性，通過(guò)阻斷無(wú)害氣體(細(xì)菌組分在環(huán)境中可能的定殖)來(lái)增加系統(tǒng)的壽命并且減少響應(yīng)時(shí)間(使用納米空隙膜)來(lái)使測(cè)量準(zhǔn)確，以便以最小電池電源消耗獲得正確的氣體測(cè)量。在此類情況下，膠囊系統(tǒng)應(yīng)傳輸編碼數(shù)據(jù)，以允許獨(dú)特?cái)?shù)據(jù)從每個(gè)傳感器傳遞。

本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到本發(fā)明提供診斷哺乳動(dòng)物消化系統(tǒng)中的病癥的有價(jià)值貢獻(xiàn)。它還生成關(guān)于哺乳動(dòng)物健康狀態(tài)及其消化系統(tǒng)中的氣體產(chǎn)生的信息。本領(lǐng)域技術(shù)人員還將認(rèn)識(shí)到本發(fā)明可以除所述實(shí)施方案之外的實(shí)施方案實(shí)現(xiàn)而不背離本發(fā)明的核心技術(shù)。