在多孔聚合物基材中包含分级纳米多孔金属的复合材料

相关申请的交叉参考

本申请要求2021年4月19日提交的临时申请第63/176,669号的权益，并且还要求2022年4月1日提交的临时申请第63/326,593号的权益，其全部内容通过引用并入本文用于所有目的。

技术领域

本公开总体上涉及一种在多孔聚合物基材内包含分级(hierarchical)纳米多孔金属相的复合材料，以及制备和使用此类材料的相关方法。

背景技术

纳米多孔金属已受到广泛研究，其具有广泛应用，包括基于酶的生物传感器和生物燃料电池。这种关注由导电性、高金属表面积和纳米级孔隙等性能综合推动的。总的来说，这些性能使得纳米多孔金属在实验台上或体内实验中转化为电极时表现出色。与金属箔相比，这些电极表现出高得多的电化学表面积，以及更高的信号响应(例如，对于传感器)或归一化为几何面积的更高的电流密度(例如，对于生物燃料电池)。在诸如白蛋白和纤维蛋白原的生物污垢剂存在的情况下，它们还表现出更强的电化学信号保留能力。这种现象通常称为“生物污垢抗性”，其归因于纳米级孔对生物污垢剂的尺寸排阻。然而，尽管十多年来人们对纳米多孔金属具有浓厚兴趣并展开研发，但纳米多孔金属仍然具有局限性，阻碍了大规模商业化。

传统纳米多孔金属的第一个局限是它们的机械性能相对较差。纳米多孔金属易碎且容易撕裂，这使得处理和加工变得困难。它们的脆弱性还引起人们对目标应用中的长期耐用性产生担忧。它们的机械性能可能会限制在必须将这些材料放置在诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的载体膜上之前，可以将它们制作得多薄(通常约100μm))。通常不希望使用这些载体膜，因为它们阻碍从纳米多孔金属一侧到另一侧的传质。载体膜还可能在目标应用中引起稳定性问题，特别是体内应用，或者需要暴露于高温或具有挑战性的化学环境的应用。

传统纳米多孔金属的第二个局限是其典型生产过程繁琐且浪费严重。标准工艺包括金属箔的去合金化，这通常涉及使用危险化学品，例如强无机酸。这本质上也是一个减材法(subtractive process)，因此是浪费的。去合金化还会导致箔片体积显著收缩，这可能使其在多层复合材料中的使用变得复杂，因为它增加了界面应力，从而导致脱层和/或翘曲。此外，切割箔片以产生复杂的形状(在诸如传感器的应用中经常需要这样做)也是一种减材法，因此是浪费的。

传统纳米多孔金属的最后一个局限是纳米孔本身的尺寸，虽然在某些情况下是有利的，但在其他情况下可能起很大限制作用。例如，进入纳米级孔隙的传质可能受到高度限制，从而难以利用高内表面积作为电化学反应的活性位点。作为另一个例子，纳米级孔通常太小，不允许组织向内生长和血管化，而组织向内生长和血管化在一些体内应用中可能是期望的。

发明内容

本公开提供了一种复合材料，其包括多孔聚合物基材和存在于微孔聚合物基材内的纳米多孔金属。纳米多孔金属可以具有分级结构。纳米多孔金属可具有单峰且右偏的(right-skewed)基于数量的(number-based)纳米孔径分布。在某些应用中，多孔聚合物基材可以支持组织整合和/或组织向内生长。该复合材料可用于电化学分析物生物传感器和其他应用。本公开克服了使用多孔聚合物基材的传统纳米多孔金属的一个或多个限制。

根据本公开的示例性实施方式，公开了一种复合材料，其包括多孔聚合物基材和存在于多孔聚合物基材内的纳米多孔金属，并且包括基于数量的纳米孔径分布和基于体积的纳米孔径分布，其中基于体积的孔径分布的平均值比基于数量的纳米孔径分布的平均值大至少200％。

根据本公开的另一个示例性实施方式，公开了一种复合材料，其包括：微孔聚合物基材，所述微孔聚合物基材包括多个互连的微孔；以及纳米多孔金属，所述纳米多孔金属至少部分地包含在微孔聚合物基材的微孔中并且与微孔聚合物基材分离以限定间隙。

根据本公开的又一示例性实施方式，公开了一种复合材料，其包括第一连续网络和第二基本上连续的网络，所述第一连续网络包括具有多个互连微孔的微孔聚合物，所述第二基本上连续的网络包括纳米多孔金属，所述第二基本上连续的网络与所述第一连续网络互穿，其中复合材料具有至少30体积％的孔隙率。

附图简要说明

包括附图以提供对本公开的进一步理解，附图并入本说明书并构成本说明书的一部分，示出实施方式，并且与文字描述一起用于解释本公开的原理。

图1是本公开的复合材料的横截面图；

图2是用于测量样品的薄层电阻的装置的示意图；

图3A-3C是扫描电子显微(SEM)图像，显示实施例1的纳米多孔金(NPG)/膨胀聚四氟乙烯(ePTFE)复合材料的微架构(microarchitecture)；

图4A是实施例1的NPG/ePTFE复合材料的另一横截面SEM图像，图4B显示了为纳米孔径分析而处理的相同图像，图4C显示了纳米孔被分离后的相同图像；

图5是显示实施例1的NPG/ePTFE复合材料的金属相内纳米孔径分布的直方图；

图6是显示实施例1的NPG/ePTFE复合材料的金属相内的孔的短轴与最小费雷特直径(feret)之比的直方图；

图7是显示实施例1的NPG/ePTFE复合材料的金属相内的孔的长轴与最大费雷特直径(feret)之比的直方图；

图8A-8D是显示实施例3的保形金(CG)/ePTFE复合材料的微架构的SEM图像；

图9是实施例6的NPG/ePTFE工作电极/吸银(silver-imbibed)伪参比电极的循环伏安图；

图10A和10B是显示包含实施例9的NPG/ePTFE材料的GOx基葡萄糖传感器的葡萄糖响应的图；

图11A和11B是显示包含实施例9的CG/ePTFE材料的GOx基葡萄糖传感器的葡萄糖响应的图；

图12是显示实施例10的电化学表面积对电解质溶剂表面张力的依赖性的图；

图13-15描绘了湿挠曲颗粒化耐久性(wet flex particulation durability)测试方法；

图16是显示实施例11的毛细管流动孔隙测定数据的图；

图17是用于电化学表面积(ECSA)测试的电化学电池设计的示意图；

图18包括将实施例1的NPG/ePTFE复合材料与实施例14的密堆积银/ePTFE(CPS/ePTFE)复合材料进行比较的2,000倍放大倍数的横截面SEM图像；

图19包括将实施例1的NPG/ePTFE复合材料与实施例14的CPS/ePTFE复合材料进行比较的20,000倍放大倍数的横截面SEM图像，并且还示出了从相应图像分离出来用于纳米孔径分析的纳米孔相；以及

图20包括将实施例1的NPG/ePTFE复合材料和实施例14的CPS/ePTFE复合材料的金属相内基于数量和基于体积的纳米孔径分布进行比较的直方图。

定义

本公开不应以限制性方式来解读。例如，本申请中使用的术语应在本领域技术人员赋予此类术语的含义的背景中作广义解读。

关于不精确的术语，术语“大约”和“大致”可以互换地使用，用来指这样的测量值，它包括所述测量值并且还包括合理地接近所述测量值的任何测量值。合理接近所述测量值的测量值偏离所述测量值合理小的量，如相关领域的普通技术人员所理解和容易确定的。这种偏差可归因于测量误差、测量和/或制造设备校准的差异、读取和/或设置测量值的人为误差、考虑到与其他部件相关的测量值的差异而为优化性能和/或结构参数所进行的微小调整，例如，特定的实施场景、人或机器对对象的不精确调整和/或操纵等。如果确定相关领域普通技术人员不能容易地确定这种合理小的差异的值，则术语“大约”和“大致”可以理解为表示所述值的正负10％。

如本文所用，短语“组织整合”是指将装置暴露于周围组织，同时最小化周围组织中的有害反应，例如可能损害装置在预期使用期间的预期性能的炎症和包封。本质上，并且不希望受理论的束缚，该装置在周围组织中达到生物相容性静止状态。

如本文所用，短语“组织向内生长”是指组织、细胞、毛细血管和/或其他身体成分生长到多孔材料的完整厚度或部分厚度。

如本文所用，术语“微孔”是指包含单一孔径或孔径分布的孔的材料。平均孔径可以为约0.1μm至约50μm。应当理解，微孔材料可以包括落在该平均尺寸范围之外的单独的孔，包括一些大孔。微孔材料可具有通过泡点分析或另一合适的测试来表征的特征孔径或标称孔径，如下文所述。膜的平均孔径可以例如通过毛细管流动孔隙测定法测定的平均流动孔径来表征。

如本文所用，术语“纳米孔”是指包含单一孔径或孔径分布的孔的材料。基于数量的平均孔径可以为约1nm至约500nm。所述分布可包括具有不同尺寸的多个孔群，其尺寸在约1nm直径至约10nm、约10nm至约100nm、或约100nm至约500nm的范围内。应当理解，纳米孔材料可以包括落在这些平均尺寸范围之外的单独的孔，包括一些微孔。孔径可以通过定量图像分析来表征，如下文所述。

如本文所用，术语“保形”是指涂覆下面的多孔基材的内表面的涂层。在涂层包括导电材料的实施方式中，保形涂层可以实现穿过并沿着涂层的表面的导电性。

如本文所用，术语“吸收”(imbibed)是指使用流体载体沉积在多孔基材的孔内的材料，但基本上不进入多孔基材的基质中，使得多孔基材保持基本完整。

如本文所使用，短语“导电”是指以低电阻传输电子的材料，使得该材料的电阻不会使其不适合在期望的应用中使用。实际上，该短语通常表示电阻率低于约1x10

如本文所使用，短语“非导电材料”和“电绝缘材料”是指具有高电阻的材料，使得该材料的电导率不会使其不适合在期望的应用中使用。实际上，该短语通常表示电阻率高于约1x10

具体实施方式

复合材料

首先参考图1，示出了复合材料200的实施方式，其包括具有金属区域220的多孔聚合物基材210。金属区域220可以跨越多孔聚合物基材210的部分厚度(如图1所示)或多孔聚合物基材210的整个厚度。金属区域220还可以延伸超出多孔聚合物基材210的厚度而进入其他层。金属区域220包括存在于多孔聚合物基材210内的纳米多孔金属224。如下文所进一步讨论，金属区域220可以提供穿过复合材料200的导电性。

复合材料200可用于广泛的应用，包括但不限于电化学分析物生物传感器。如本文所述和实施例所展示，复合材料200可具有优于传统纳米多孔金属的某些优点。首先，多孔聚合物基材210可以支撑或增强纳米多孔金属224以增强其机械性能，而无需传统的载体膜。此外，多孔聚合物基材210可以用作支架以促进增材制造工艺。此外，多孔聚合物基材210可具有可控且比纳米多孔金属224更大的平均孔径，使得纳米多孔金属224的纳米孔基本上适配在聚合物基材210的孔内。这些益处还可以支持复合材料200的更广泛用途。

复合材料200可包括一个或多个分级特征。例如，复合材料200可具有与金属区域220不同的界面区域217，以保护金属区域220并实现生物界面定制。在某些实施方式中，界面区域217可以是多孔聚合物基材210的单一的、整体的、非层压的部分。作为另一个实例，复合材料200可以在纳米多孔金属224与多孔聚合物基材210之间具有间隙226，以促进组织向内生长和/或传质，同时保持金属区域220的导电性。作为又一实例，复合材料200的金属区域220可具有包括小纳米孔和大纳米孔的孔径分布。不希望受理论束缚，这种混合孔径可以平衡复合材料200的表面积和传质。下面进一步描述这些分级特征。

复合材料200可具有至少30体积％、40体积％、50体积％、60体积％、70体积％、80体积％或更大的孔隙率。聚合物基材210的聚合物可占复合材料200的小于30体积％、20体积％或10体积％。金属区域220的金属可占复合材料200的小于40体积％、30体积％、20体积％或10体积％。尽管复合材料200具有高孔隙率和低金属含量，但其可以具有良好的导电性。

现在将在下面进一步描述复合材料200的每个要素。

多孔聚合物基材

复合材料200的多孔聚合物基材210可以是生物相容的、柔性的、化学惰性的材料。在某些实施方式中，多孔聚合物基材210可包含含氟聚合物，例如膨体聚四氟乙烯(ePTFE)；聚烯烃，例如膨体聚乙烯(ePE)；或另一种合适的聚合物。多孔聚合物基材210的挠性(或弯曲刚度)可以使用例如川端(Kawabata)纯弯曲测试仪来测量。

如图1所示，多孔聚合物基材210具有第一(即图1中上部)表面212、第二(即图1中下部)表面214、以及在第一表面212和第二表面214之间的多个互连的孔216。多孔聚合物基材210还可以包括在第一表面212和/或第二表面214处的一个或多个界面区域217。界面区域217可以不同于金属区域220并且可以不包含导电材料(例如，可以是未金属化的或以其他方式裸露的)。在复合材料200与活体相关联的某些应用中，界面区域217可以用作组织界面区域，其支持组织T(例如毛细管)通过第一表面212和/或第二表面214的整合和/或向内生长并进入孔216。组织T的这种整合和/或向内生长可以增加复合材料200的生物相容性并且最小化周围组织中的有害反应，例如纤维包封或慢性炎症。对于界面区域217包括一种或多种生物活性剂以促进组织T的这种整合和/或向内生长，这种情况也在本公开的范围之内。所述治疗剂可以通过已知的方式物理结合、共价结合、物理吸附或化学吸附到界面区域217。在其他应用中，界面区域217可以用作保护金属区域220免受损坏(例如磨损)或积垢的保护层。界面区域217可以是多孔聚合物基材210的整体的、非层压的部分。

多孔聚合物基材210可具有节点218连带互连原纤维219的微结构，该节点218和互连原纤维219相互配合以限定孔216，孔216可包括如上所定义的微孔。对于多孔聚合物基材210具有互连原纤维219的“无节点”微观结构且互连原纤维219相互配合以限定孔216，这种情况也在本公开的范围内。原纤维219的长度可在约0.1μm至约1000μm之间变化，直径可在约0.002μm至约100μm之间变化，但这些尺寸可变化。多孔聚合物基材210可具有使用本领域已知的技术(例如下文阐述的泡点测试方法)测量的特征或标称孔径。此类技术可基于多孔聚合物基材210过滤特定尺寸的颗粒或抵抗流体流动的能力，而不一定是孔216本身的尺寸或形状。

在某些实施方式中，多孔聚合物基材210可包括较小孔216和较大孔216的组合。较大孔216可向外定位在第一表面212和/或第二表面214附近，以促进组织T的整合和/或向内生长，而较小孔216可向内定位在多孔聚合物基材210的中心附近，这可以邻近金属区域220。

多孔聚合物基材210本身可以是疏水性的或亲水性的。在亲水性实施方式中，多孔聚合物基材210可具有与水或其他极性流体(包括诸如血液的极性生物流体)混合或被水或其他极性流体润湿的趋势。

多孔聚合物基材210的形状和尺寸可以被设计成达到复合材料200的期望形状和尺寸。例如，多孔聚合物基材210可以成形为膜(membrane)、薄膜(film)、纤维、管或另一种期望的形状，以产生类似形状的复合材料200。多孔聚合物基材210还可以是皱折的、微皱的、拉伸的、卷曲的、折叠的、切割的或以其他方式物理操纵以基于周围环境获得复合材料200的期望形状和顺应性。在某些实施方式中，可能需要多孔聚合物基材210的顺应性匹配或接近周围组织的顺应性。

金属区域

金属区域220包含纳米多孔金属224，纳米多孔金属224至少部分地包含在多孔聚合物基材210的互连孔216内，而基本上没有进入多孔聚合物基材210的基质中。在这种布置中，多孔聚合物基材210的节点218和原纤维219限定第一连续聚合物网络，并且金属区域220可以限定与聚合物网络互穿的第二基本上连续的导电金属网络。以此方式，多孔聚合物基材210的聚合物网络和金属区域220的金属网络可以是基本上共连续的和互穿的，至少在金属区域220内。在一个实例中，纳米多孔金属224是纳米多孔金(NPG)。在其他非限制性实例中，纳米多孔金属224是铂、铱、钯、银、铜、镍或其组合或合金。

金属网络可以包括分级特征。例如，与保形涂层不同，纳米多孔金属224可与多孔聚合物基材210、尤其是多孔聚合物基材210的节点218间隔开并避免与多孔聚合物基材210的实质接触。纳米多孔金属224与节点218之间的这些间隙226可以是微孔，其促进组织向内生长和/或通过多孔聚合物基材210的传质，而不破坏金属区域220的金属网络，同时还保持来自多孔聚合物基材210的机械增强。这些间隙226可以暴露在复合材料200的表面处(例如，在图3B的厚度或z方向上)，以使得这种组织能够向内生长，同时保持导电性(例如，至少在图3B的面内或x-y方向上)。

在分级特征的另一个实例中，在某些实施方式中，本公开的纳米多孔金属224可包括单峰且右偏的基于数量的纳米孔径分布。在本领域已知的纳米多孔金属的一些典型制备中，基于数量的纳米孔径分布是单峰且单分散的，或者换句话说，平均纳米孔径大约是众数(mode)纳米孔径(例如A Pastre，“Porous Gold Films Fabricated by Wet-ChemistryProcesses”(湿化学工艺制造的多孔金膜)，J Nanomater(纳米物质学报)，2016年第1卷，文章ID 3536153，2016)。在本领域已知的纳米多孔金属的其他典型制备中，纳米孔径分布是多峰且复杂的，换句话说，存在多于一种众数纳米孔径(例如，Y.Ding，“Nanoporous Metalswith Controlled Multimodal Pore Size Distribution”(具有受控多峰孔径分布的纳米多孔金膜)，J Am Chem Soc(美国化学学会学报)，第125卷，第7772页，2003年)。然而，在本发明的实施方式中，纳米多孔金属224的基于数量的纳米孔径分布是单峰且右偏的，换句话说，基于数量的平均纳米孔径显著大于基于数量的单峰纳米孔径(例如，大至少75％、100％、125％、150％、175％、200％、225％或250％)，表明大量纳米孔大于单峰，并且只有少量纳米孔比单峰小(参见图5和下面的实施例1和14)。纳米多孔金属224的单峰且右偏的基于数量的纳米孔径分布可在具有挑战性的环境中提供性能方面的益处，例如在高表面张力流体环境、生物污垢环境或组织整合环境中。例如，纳米孔径分布可以平衡整个复合材料200的表面积和传质。

基于数量的右偏纳米孔径分布可用平均孔径基本上大于中值孔径(例如，大至少10％、20％、30％、40％、50％、60％或70％)来表征。

本发明的纳米多孔金属224可包含基于体积的孔径分布，其众数基本上大于基于数量的孔径分布的众数(例如，大至少200％、500％、1000％、1500％、2000％、2500％、3000％、3500％或4000％)。

本发明的纳米多孔金属224可包含基于体积的孔径分布，其平均值基本上大于基于数量的孔径分布的平均值(例如，大至少150％、200％、250％、300％、350％、400％、450％、500％、550％或600％)。

可以进行吸入(imbibing)过程以在多孔聚合物基材210中加载纳米多孔金属224。这个过程可能涉及：(1)产生包含在非水溶剂中的金属前体(例如盐)的非水润湿溶液，(2)将非水润湿溶液吸入多孔聚合物基材210，以及(3)加热吸入后的构造体以除去非水润湿溶液的成分，将金属前体还原为金属态，烧结金属，并留下纳米多孔金属224。可以调整非水润湿溶液以彻底润湿多孔聚合物基材210。例如，在疏水性ePTFE多孔聚合物基材210的情况下，根据美国专利第9,018,264号的教导，非水润湿溶液可包括基本上不溶于水的醇和表面活性剂的润湿包。加热步骤可涉及在高达约300℃或更高的一个或多个温度下将构造体加热高达数小时的合适时间。在某些实施方式中，可以控制吸入过程，使得纳米多孔金属224以期望的图案加载到多孔聚合物基材210中。这种期望的图案可以通过控制金属前体输送到多孔聚合物基材210中来实现，类似于喷墨打印或本领域已知的其他打印或平版印刷方式，借助于掩蔽多孔聚合物基材210的某些区域，或借助于其他合适的技术。

作为电化学分析物生物传感器工作电极的应用

复合材料200的一种潜在应用是作为电化学分析物生物传感器的工作电极，它至少部分通过电化学过程，将生物受体(例如，酶、适体、外来体、催化抗体、催化核糖核酸、催化多糖等)与分析物(例如，葡萄糖、乳酸、丙酮酸、甘油、谷氨酸、谷氨酰胺、肽、激素、心脏特异性酶、阿片类药物/麻醉剂和化疗剂)之间的相互作用转换为电信号，产生包含有关分析物的信息(例如其浓度)的信号。复合材料200还可包括一种或多种扩散阻挡区域和一种或多种固定生物感受器区域。在使用中，金属区域220的纳米多孔金属224可以提供穿过并沿着其表面的导电性。因此，金属区域220能够检测目标分析物并将相应的电信号传输至电子处理器(未示出)。复合材料200用于电化学分析物生物传感器应用的其他细节公开于同时在审的美国申请第63/176,653号(申请人编号：1862US01)，其与本申请同日提交。

本公开的纳米多孔金属224可以表现出稳定的电化学表面积，而与周围生物流体的表面张力无关。本领域已知，为了实现植入的生物传感器的全部功能，电极的整个表面和微结构必须被生物流体接触或润湿，以使整个电极表面区域具有活性，用于分析物感测。流体润湿微结构的能力与其表面张力有关，因而具有高表面张力(大于约50mN/m)的流体，例如盐水(约72mN/m)和血液(约50mN/m)润湿疏水性基材的倾向较低。相反，具有低表面张力(低于约30mN/m)的流体，例如异丙醇(约23mN/m)和50:50盐水:异丙醇混合物(约25mN/m)具有较高的润湿疏水性基材的倾向。因为本公开的复合材料200可包含疏水性多孔聚合物基材210，例如ePTFE，所以预期与高表面张力生物流体的接触或被其润湿将减少，这也将减少电化学表面积和/或金属区域220的分析物感测活性。预计疏水性多孔聚合物基材210的孔216内存在的吸入的纳米多孔金属224不会改变复合材料200的疏水性，因为疏水性多孔聚合物基材210过量存在，包括沿着第一表面212和第二表面14。换句话说，预期包含吸入了纳米多孔金属224的疏水性多孔聚合物基材210的复合材料200本身是疏水性的，因此将减少高表面张力生物流体的接触或润湿。然而，本发明人惊奇地发现，吸入了纳米多孔金属224的复合材料200的电化学表面积并不强烈依赖于流体表面张力的润湿，因此允许复合材料200在低或高表面张力生物体液中起作用。例如，吸入了纳米多孔金属224的复合材料200的电化学表面积可以在低和高表面张力生物流体之间改变约50％或更少、约25％或更少、或约10％或更少(参见如图12以及下面的实例10)。这种意想不到的润湿行为可用来利用吸收了纳米多孔金属224的高表面积。

本领域技术人员将容易理解，本公开的各个方面可以通过配置成执行预期功能的任意数量的方法和装置来实现。还应注意，本文中参考的附图不一定是按比例绘制的，而是可以被放大以示出本公开的各个方面，并且在这方面，附图不应被解释为限制性的。

测试方法

应当理解，尽管下面描述了某些方法和设备，但是可以替代地使用由本领域普通技术人员确定合适的其他方法或设备。

非接触厚度

使用激光测微计(基恩斯(Keyence)型号LS-7010，比利时梅赫伦)利用以下技术测量非接触厚度。将金属圆柱体对准在激光测微计源与激光测微计接收器之间，使得圆柱体顶部的第一阴影投射到接收器上。然后将第一阴影的位置设置为激光测微计的“零”读数。然后将单层测试物品覆盖在金属圆柱体的表面上，没有重叠也没有皱纹，这将第二阴影投射到接收器上。然后激光测微计将第一阴影和第二阴影之间的位置变化指示为样品的厚度。每个样品的每个厚度测量三次并取平均值。

单位面积质量

根据标准ASTM D 3776(织物单位面积质量(重量)的标准测试方法，测试方法选项C)测量样品的单位面积质量。

泡点

泡点压力根据ASTM F31 6-03使用毛细管流动气孔计(型号3Gzh，来自佛罗里达州博因顿海滩康塔仪器公司(Quantachrome Instruments))，并使用斯维克硅树脂流体(Silwick Silicone Fluid)(20.1达因/厘米；多孔材料股份有限公司(Porous MaterialsInc.))测量。给出的泡点压力值是两次测量的平均值。

薄层电阻

从待测试的材料片上模切出2.125英寸x 0.5英寸的样品。将样品平放在闭孔硅树脂海绵片(1/2英寸厚，Bellofoam#7704)上。使用吉时利(Keithley)2750数字万用表，利用4点探针测量电阻，如图2所示。4点探针以标准4点探针配置连接到万用表(即，电压检测引线位于两个最里面的端子上，输入引线位于两个最外面的端子上)。将4点探针轻轻放置在待测样品上后，在探针顶部放置一个330克的重物，以确保探针与样品可靠、均匀接触。小心确保探针与样品的导电相之间充分接触。重物用塑料片绝缘，以确保它不会使探针短路。吉时利万用表在4点探针模式下操作，并启用“OCOMP”4线偏移补偿。对于每次测量，在记录电阻值之前，让系统稳定大约10秒。数据以每方块面积欧姆为单位报告。

定量图像分析测量金属相内的孔径

为了收集用于孔径分析的图像，使用宽束离子抛光机(Illon 2，美国加坦公司(Gatan))制备每个样品的横截面以保留其结构。使用溅射涂覆机(208HR，英国克莱辛顿公司(Cressington))涂覆薄导电铂涂层，以提高SEM成像过程中电子束下样品的稳定性。使用扫描电子显微镜(SEM：SU8200，日本日立)以50,000倍放大倍数(2.5μm水平视场宽度)拍摄结构的横截面图像，分辨率至少为2560像素x 1920像素。

通过使用“Fiji”ImageJ 1.53软件对横截面SEM图像进行定量分析来进行金属相内孔径的分析。下表1中列出的自动化宏命令用于最小化主观性并最大化数据分析的可重复性。

表1

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首先，使用上表1中的“宏1_预处理”宏对横截面SEM图像进行预处理，以消除导电Pt涂层引起的灰度波动。

接下来，对预处理的图像进行手动审查，以消除除了构成金属相的区域和金属相内嵌孔隙位于横截面平面内的区域之外的所有区域。手动审查包括识别视觉线索，例如表面纹理和透视。手动审查是在上面表1中的“宏2_分段后支持”和“宏3_分段后空白”宏的帮助下进行的。

最后，使用上面表1中的“宏4_分析”宏对预处理和手动审查的图像进行分析。该宏解析图像以识别单个孔隙，其中包括将复杂的孔隙空间细分为由喉道(throat)分隔的单个孔隙。该宏还根据截至2020年6月29日的https://imagej.nih.gov/ij/docs/menus/analyze.html#set上的ImageJ文档生成了一个数据文件，列出了每个单独孔隙的各种测量值。特别地，数据文件包括下表2中列出的孔径测量。

表2

单个孔的孔径定义为最佳拟合椭圆的长轴和短轴的平均值。为了描述孔径分布，将数据表中所有孔隙的孔径绘制为直方图。还进行质量检查，以确保孔隙得到正确解析。此质量检查确保孔隙没有解析不足(意味着多个连接的孔已被定义为单个孔)或过度解析(意味着单个孔已被细分为多个孔)。检查“长轴与费雷特直径”和“短轴与最小费雷特直径”的比率，确保它们在0.5-1.2的范围内；这样的范围接近统一，并确认数据经过质量检查。这样就产生了用于孔径分析的处理图像。

为了确定基于数量的孔径分布，通过以下方式生成直方图。在0nm与1500nm之间将孔分成3nm宽的组(即第一组包括所有>0nm且<＝3nm的孔，第二组包括所有>3nm且<＝6nm的孔，依此类推，直到最后一组，其中包括所有>1497nm且<＝1500nm的孔。每组的“孔径”是孔径范围的平均值，四舍五入到微米(即第一组的孔径为1纳米，第二组的孔径为4纳米，依此类推，直到最后一组，其孔径为1498nm)。通过将该组中的孔数除以总孔数来确定每组中的孔频率。为了以数量为基础绘制孔径分布，将每组的孔频率指定到y轴，并将该组的孔径指定到x轴。

然后使用基于数量的孔径分布来计算基于体积的孔径分布。为了计算每组的单位孔体积，将每组中孔的基于数量的频率乘以该组的“孔径”的三次方。为了计算每组的孔体积％，将每组的单位孔体积除以所有组的单位孔体积之和。为了以体积为基础绘制孔径分布，将每组的孔体积％指定到y轴，并将该组的孔径指定到x轴。

通过用数值频率对各组的孔径进行加权来计算数值加权平均孔径。通过用体积％对各组的孔径进行加权来计算体积加权平均孔径。每个分布的众数是通过取分布中峰的最大值来确定的。

为了进一步详细说明定量图像分析测试方法，更一般地描述了该测试方法的设计原理。为了满足该测试方法，需要拍摄代表孔相的横截面SEM图像，隔离横截面平面中显示纳米多孔金属的图像部分，并对这些孔的尺寸进行量化。去除图像伪影并隔离图像的适当部分以供分析所需的视觉提示(包括纹理和透视，上文称为“审查”)对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。当两者进行视觉比较时，为进行分析而解析的孔相应当表现出对SEM图像的极好的保真度(参见例如图7A-7C)。可解析的最小特征尺寸对应于大约5个像素。直径/费雷特比率的使用提供了实际检查，以确保正确地解析孔隙，从而确定其各尺寸。

葡萄糖电流实验台测试

使用以下系统进行电流实验台测试。将成品电极(包括4mm的直径)浸入装有磷酸盐缓冲盐水(PBS)和磁力搅拌子的20mL烧杯中，旁边是Ag/AgCl参比电极(盖里(Gamry))，并且旁边是0.25mm铂丝对电极(阿尔法艾瑟(Alfa Aesar))，连接至恒电位仪系统(Digi-lvy#DY211或盖里参比600)，设定电势为0.6至0.7V，过采样率为5Hz。报告工作电极电压与参比(或伪参比)电极的电压。使系统在300rpm的磁力搅拌下平衡60分钟。每50至500秒将不同微升体积的测试溶液(D-(+)-葡萄糖，去离子水中0.4g/mL)移液到PBS中，以连续增加葡萄糖的浓度，并随时间测量电流。

伪参比电极测试

为了进行测试，将恒电位仪(盖里参比600)与盖里仪器Echem Analyst软件和盖里仪器Framework

第一个变体(代表本领域传统上使用的变体)由液体接界Ag/AgCl参比电极(盖里)、作为对电极的铂丝(99.9％)、作为工作电极的3mm直径平面金电极(阿尔法艾瑟)和电解质溶液组成。工作电极和参比电极物理分离约1cm的距离。

第二个变体由作为伪参比电极的ePTFE吸银膜、作为对电极的铂丝(99.9％)、作为工作电极的NPG/ePTFE膜(安装在具有3mm直径开口的PTFE电化学电池中)和电解质溶液组成。伪参比电极和工作电极物理分离约1cm的距离。

使用相对于参比(或伪参比)电极的0.5V初始电势，扫描至-0.1V，然后以50mV/s的扫描速率反向扫描至0.5V，在各变体上生成循环伏安图。

抗生物污垢测试

生物污垢测试开发用于评估样品电极在诸如牛血清白蛋白(BSA)的常见生物污垢介质存在下的电化学性能。除非另有说明，否则溶液是水性的。

使用铁氰化钾储备溶液(0.1M KCl溶液中2mM)作为小分子氧化还原发生器来表征电化学性能。通过将BSA以2mg/mL、6mg/mL、10mg/mL、15mg/mL和25mg/mL溶解在铁氰化钾储备溶液中来制备一组BSA生物污垢测试溶液。

用70％异丙醇清洗样品电极的表面3-5秒，然后将样品电极放置在装有0.05M硫酸溶液的20mL烧杯中，旁边是Ag/AgCl参比电极和0.25mm铂丝对电极，连接至恒电位仪系统(Digi-lvy#DY211)。报告工作电极电压与参比(或伪参比)电极的电压。执行清洁CV扫描(10个循环，扫描范围：0至1.5V，扫描速率：50mV/s)，以清洁工作电极。清洁后，将电极从硫酸测试池中取出并用DI水清洗，然后用

将样品电极、Ag/AgCl参比电极和铂丝对电极浸入装有铁氰化钾储备溶液的20mL烧杯中。执行连续CV扫描(10-20个循环，扫描范围：-0.2至0.6V，扫描速率：100mV/s)，以获得基线CV数据。然后，将电极移至另一个装有BSA生物污垢测试溶液的20mL烧杯中，接着进行连续CV扫描(100个循环，扫描范围：-0.2至0.6V，扫描速率：100mV/s)，以获得生物污垢CV数据。将铁氰化钾储备溶液的峰值电流与BSA生物污垢测试溶液的峰值电流进行比较，以评估样品电极在生物污垢介质存在下的电化学性能。

毛细管流动孔隙测定法(CFP)测试

使用康塔气孔计(Quantachrome Porometer)3G zH进行测量。润湿液是硅油，其标称表面张力为19.78达因/厘米。压力范围为0.255psig至394psig。样品尺寸为直径10mm。升温速率设置为“2x”，运行时间约为28分钟。仅生成“湿”曲线的数据(即没有收集“干”曲线的数据)。最大可测量流量为10升/分钟。

湿挠曲颗粒化测试

该耐久性测试开发用于评估复合材料脱落颗粒的趋势。为了使测试有效，样品必须具有足够低的弯曲刚度，以在测试条件下实现完全挠曲运动。为了进行测试，从复合材料上切下2.125英寸x 0.5英寸的样品。通过将样品夹在切割成图13所示形状的两片工程塑料之间，将样品装入测试夹具中。样品具有受控的松弛量并通过O形圈固定到位，如图14所示。按照比例，允许样品发生挠曲的窗口尺寸为24.5mm长x14.1 mm宽x2.7 mm厚。然后将含有样品的测试夹具装入标准的50mL离心管中，然后用异丙醇填充至40mL线。然后将离心管盖上并用胶带封闭以防止泄漏。如图15所示，然后将离心管加载到Intelli混合机(#RM-2L)中，使得测试夹具的平面平行于旋转轴。该取向使得样品能够发生挠曲。将Intelli混合机设置为以20rpm的速度将样品摇动+/-99度，持续所需的时间(通常为1-7天)。每次样品摇动时，它们也会由于管内的流体动力学而发生挠曲。挠曲是指样品的松弛从测试夹具的一侧切换到另一侧。摇动所需时间后，使用移液管提取管中的液体，并使用ICP-MS进行分析，以检查是否存在可能从复合材料中脱落的金属。

电化学表面积(ECSA)测试

在WonATech CCK05腐蚀池试剂盒(500mL)中进行电化学测试，如图17所示。工作电极样品固定在电极直径为11.28mm(1cm

将样品切割或打孔，使其成为直径15.5毫米至22毫米的圆盘，然后将其装入扁平试样架中。装载样品支架以干燥所有O形圈和内部零件时要小心，以确保样品周围没有离子传导路径。用异丙醇润湿样品，然后浸入电解质中以确保完全润湿。使用循环伏安(CV)扫描来确保工作电极是清洁的，如本领域普通技术人员所理解的。

电化学表面积通过测量双层电容来确定，因为ECSA与双层电容成正比。为了确定双层电容，在以下列扫描速率下通过从0mV至100mV的扫描电势(相对于参比电极)来收集代表性的循环伏安曲线：100mV/s、50mV/s；20毫伏/秒；和10毫伏/秒。确定50mV时的曲线高度(以安培(h)为单位)，并相对于扫描速率(以V/s为单位)绘图。双层电容由最佳拟合线的斜率确定。为了确定粗糙度因子(电化学表面积与几何表面积之比)，样品的双层电容通过光滑金箔的双层电容进行归一化，假设光滑金箔的粗糙度因子为1。为了计算金属比表面积，将样品的粗糙度因子除以样品的单位面积金属质量。

实施例

实施例1：NPG/ePTFE复合材料的制备

本实施例描述了包含纳米多孔金的ePTFE膜(“NPG/ePTFE复合材料”)的制备。

将ePTFE膜(3-5g/m

图3A-3C显示NPG/ePTFE复合材料的实例的代表性SEM图像。图3A显示了复合材料的横截面，图3B显示表面图像，图3C显示NPG相的横截面的特写。

NPG/ePTFE复合材料包含具有高表面积的纳米多孔金基质，金属相内具有约10-200nm的纳米孔径分布。该NPG基质被吸入ePTFE膜的内部微观结构中。在图3A-3C中，可以看到NPG是ePTFE膜的节点与原纤维之间的孔中的浅色材料。如图3A和3C所示，NPG基质显示与ePTFE膜间隔开并避免与ePTFE膜(特别是ePTFE膜的节点)实质性接触，以形成沿着NPG/ePTFE复合材料的表面暴露的约10μm的间隙，如图3B所示。此外，ePTFE膜的外表面层不存在NPG基质(即裸露的)，无需层压的界面。根据上文所述和图2所示的4点探针薄层电阻测试方法，NPG/ePTFE复合材料具有约0.3-1欧姆/方块的测量薄层电阻。

NPG金属相的纳米孔径分析总结于图4A-7中。图4A显示NPG/ePTFE复合材料的实例的另一代表性横截面SEM图像，且图4B显示为纳米孔径分析而处理的相同图像。图4C显示NPG/ePTFE复合材料的金属相内的孤立的纳米孔。图5显示NPG/ePTFE复合材料的金属相内的纳米孔径分布。图6显示最佳拟合椭圆的短轴与NPG/ePTFE复合材料的金属相内纳米孔的最小费雷特(直径)的比率的直方图。图7显示最佳拟合椭圆的长轴与NPG/ePTFE复合材料的金属相内纳米孔的最大费雷特(直径)的比率的直方图。

实施例2：NPG/ePTFE裸电极的制备

本实施例描述了NPG/ePTFE平面圆盘裸电极(“NPG/ePTFE裸电极”)的制备。

PTFE空心杆(1.5英寸长，0.5英寸外径，0.25英寸内径)具有0.25英寸的近端开口和3至4毫米的远端开口。将实施例1的NPG/ePTFE复合材料经由近端开口插入空心杆中，抵靠远端开口平放，并用ePTFE垫圈密封，以制备NPG/ePTFE裸电极。

实施例3：CG/ePTFE复合材料的制备

本实施例描述了包含保形金涂层的ePTFE膜复合材料(“CG/ePTFE复合材料”)的制备。

将第一ePTFE膜(“目标膜”)(3-5g/m

根据上文所述和图2所示的4点探针薄层电阻测试方法，CG/ePTFE复合材料具有46g/m

图8A-8D显示CG/ePTFE复合材料的实例的代表性SEM图像。图8A显示复合材料的横截面，图8B显示其节点横截面，图8C显示其原纤维横截面。CG在ePTFE膜的节点和原纤维周围可见。图8D显示在保形金涂层中沿着厚度或z方向具有间隙的表面图像，该间隙可实现组织向内生长，同时至少在平面内或x-y方向上保持导电性。

实施例4：吸银ePTFE构造体的制备

本实施例描述了吸银ePTFE构造体的制备。

如上述实施例3那样制备入口膜和目标膜。将5.7g银纳米颗粒墨水(#UTDAg60x；UTDots股份有限公司)用3.3g二甲苯稀释，并用移液管移至入口膜的表面上，均匀铺展，并如上述实施例3中那样使膜完全润湿。如上面的实施例3中那样移除并丢弃入口膜，并且如上面的实施例3中那样加热目标膜。结果得到吸银ePTFE构造体。

实施例5：CG/ePTFE裸电极的制备

本实施例描述了CG/ePTFE平面圆盘裸电极(“CG/ePTFE裸电极”)的制备。

PTFE空心杆(1.5英寸长，0.5英寸外径，0.25英寸内径)具有0.25英寸的近端开口和3至4毫米的远端开口。将实施例3的CG/ePTFE复合材料经由近端开口插入空心杆中，抵靠远端开口平放，并用ePTFE垫圈密封，以制备CG/ePTFE裸电极。

实施例6：具有NPG/ePTFE工作电极和吸银ePTFE伪参比电极的生物传感器的电化学行为

本实施例描述了三电极电化学电池的电化学行为，该电池包含作为工作电极的NPG/ePTFE裸电极和作为伪参比电极的吸银ePTFE构造体。

使用上述伪参比电极测试方法，构造第一电化学电池，其包含作为工作电极的实施例2的NPG/ePTFE裸电极和作为伪参比电极的实施例4的吸银ePTFE构造体(“NPG//吸AgRE”)。为了进行比较，构建了第二电化学电池，其包含平面金电极盘工作电极和液体接界Ag/AgCI参比电极(“金盘-Ag/Ag液体接界RE”)。

图9叠加了NPG//吸Ag RE电化学电池和金盘-Ag/Ag液体接界RE电化学电池的循环伏安图。从叠加数据可以看出，循环伏安图位于大致相同的电势区域。电势略有偏移(166mV对124mV)，这是预料之中的，因为液体接界参比电极是饱和氯化钾，而伪参比电极与电解质直接接触。还可以看出，与金盘-Ag//AgCl液体接界RE电池相比，NPG//吸Ag RE电池的伏安图中的滞后环更窄，增益更高，这表明采用伪参比电极的NPG//吸Ag RE电池在这些限定的条件下按照预测发挥作用。换句话说，使用具有纳米多孔金的ePTFE作为工作电极基材、具有吸收银的ePTFE作为伪参比电极基材并且它们之间存在物理分离，这样的电极设计可以用作电化学分析物生物传感器。

实施例7：NPG/ePTFE裸电极的抗生物污垢性能

本实施例描述了NPG/ePTFE裸电极的抗生物污垢性能。

根据上述抗生物污垢测试方法，检验实施例2的NPG/ePTFE裸电极的抗生物污垢性能。另外，未抛光金箔样品也在相同的测试条件下进行了测试。

表3显示了NPG/ePTFE裸电极与金箔样品相比的峰值电流，并归一化到每个样品的基线。即使在最高BSA浓度下，NPG/ePTFE样品在BSA生物污垢测试溶液中的峰值电流也仅略有下降。相比之下，即使在低BSA浓度下，金箔样品的峰值电流也显著降低。总之，NPG/ePTFE样品在常见生物污垢介质存在下表现出较高的电化学性能。

表3

实施例8：NPG/ePTFE GOx和CG/ePTFE GOx成品电极的制备

本实施例描述了包含葡萄糖氧化酶(GOx)的酶固定成品电极的制备。除非另有说明，否则所有溶液均为水溶液。

将实施例2的NPG/ePTFE裸电极和实施例5的CG/ePTFE裸电极各自的远端浸入异丙醇中，用去离子水清洗，浸入聚乙烯亚胺(PEI)溶液(10mg/mL水；10分钟；西格玛)，并用去离子水清洗。将GOx(50kU/g活性；西格玛)以500U/mL的浓度溶解在磷酸盐缓冲液中，并通过每个电极的远端开口将10mL移液至其ePTFE膜表面并风干。将每个电极的远端再次浸入PEI溶液中，再次移取GOx溶液，并再次风干。将4mL体积的Nafion溶液(2％w/v，在92wt％乙醇:8wt％水中；西格玛)移液到每个电极的远端开口上，风干，并储存在4℃下，以分别产生NPG/ePTFE GOx成品电极或CG/ePTFE GOx成品电极。

实施例9：NPG/ePTFE GOx和CG/ePTFE GOx成品电极对葡萄糖的电化学响应

本实施例描述了实施例8的NPG/ePTFE GOx和CG/ePTFE GOx成品电极对葡萄糖的电化学响应。

如图10A所示，在依序添加葡萄糖后，NPG/ePTFE GOx成品电极的测量电流立即迅速上升并迅速稳定。如图10B所示，NPG/ePTFE GOx成品电极对0至400mg/dL的广泛葡萄糖浓度有响应。相比之下，根据实施例8的程序制备的固定有葡萄糖氧化酶的金箔显示出随葡萄糖浓度变化的大大降低的信号(未示出)。

如图11A所示，在依序添加葡萄糖后，CG/ePTFE GOx成品电极的测量电流立即迅速上升并迅速稳定。如图11B所示，CG/ePTFE GOx成品电极对0至400mg/dL的广泛葡萄糖浓度有响应。相比之下，根据实施例8的程序制备的固定有葡萄糖氧化酶的金箔显示出随葡萄糖浓度变化的大大降低的信号(未示出)。

实施例10：电化学表面积对电解质溶剂表面张力的依赖性

本实例描述了电化学表面积对电解质溶剂表面张力的依赖性。

将实施例1的NPG/ePTFE复合材料、实施例3的CG/ePTFE复合材料和金箔各自浸入包含不同盐水/异丙醇比例的一系列溶液中。盐水具有约72mN/m的高表面张力，异丙醇具有约21mN/m的较低表面张力，并且盐水:异丙醇的混合物具有随溶剂比例变化的表面张力，使得50:50盐水:异丙醇混合物具有约25mN/m的低表面张力，而90:10盐水:异丙醇混合物具有约50mN/m的高表面张力，或与血液大致相同。

电解质制备如下。所有稀释均使用去离子水(>18兆欧)。DI水中0.05M硫酸(H

测量每个浸入样品的电化学表面积，并根据以下方程计算测得的电化学表面积的绝对变化：

绝对变化＝abs((H–L)/H)*100％

其中：

abs(n)是绝对值函数；

L是在包含50:50盐水:异丙醇的约25mN/m的低表面张力溶剂中测得的电化学表面积；以及

H是在包含约72mN/m的盐水的高表面张力溶剂中测得的电化学表面积。

如图12所示，复合材料根据电解质组成显示出显著差异。CG/ePTFE复合材料在纯盐水至50:50盐水:异丙醇的范围内表现出随着电解质表面张力降低而增加表面积，其中在此范围内，电化学表面积从约0.005cm

实施例11：NPG/ePTFE复合材料的毛细管流动孔隙测定法

本实施例描述了根据上述CFP测试方法，实施例1的NPG/ePTFE复合材料的毛细管流动孔隙测定法(CFP)数据。如实施例1中所解释以及图3A和3C所示，NPG基质与ePTFE膜(尤其是ePTFE膜的节点)之间可见间隙。CFP数据呈现在图16中。非常低的泡点(即流动起始点)约为5psig，这与NPG基质和ePTFE膜之间存在这些延伸穿过复合材料厚度的间隙一致。

实施例12：NPG/ePTFE复合材料的耐久性

本实施例描述了根据实施例1的教导制备的NPG/ePTFE复合材料的耐久性数据，其是根据上述湿挠曲颗粒化测试方法测量的。24小时湿挠曲颗粒化测试完成后，测试液中的金含量低于ICP检测限。该结果与NPG/ePTFE复合材料中金没有损失一致，并表明至少99.97重量％的金保留在复合材料中。

实施例13：无强化的薄NPG的脆性

本实施例说明未用聚合物基材加固的薄NPG难以处理。用镊子将一片大小约为1cmx 1cm的12K白金真金叶(洛杉矶金叶，0.12μm厚，51％金/48％ Ag/1％ Pd)放入培养皿中。将70％ HNO

实施例14：制备CPS/ePTFE复合材料

根据W.L.戈尔及同仁股份有限公司的名称为“可拉伸和不可拉伸基材上的柔性耐用印刷电路”的国际公开第WO 2019/216885号的实施例1的教导来制备密堆积银/ePTFE复合材料(CPS/ePTFE)。测量并比较了该材料和根据实施例1中描述的程序制备的NPG/ePTFE复合材料的性能。

图18比较了NPG/ePTFE和CPS/ePTFE在低放大倍数(2,000x)下的横截面SEM图像，以便能够确定每个样品的总厚度，包括NPG/ePTFE的裸露ePTFE表面层。图19比较了NPG/ePTFE和CPS/ePTFE的金属相的特写，以及通过定量图像分析确定的它们的孔相。图20比较了NPG/ePTFE和CPS/ePTFE的基于数量和基于体积的孔径分布。每幅图上都标明了众数孔径(mode pore size)，并且从基于数量的图到基于体积的图，众数的偏移用空心箭头指示。

比较NPG/ePTFE和CPS/ePTFE的数值数据如表4-6所示。为了确定单位面积体积和体积％值，假设以下密度：金为19.3g/cc，银为10.5g/cc，PTFE为2.2g/cc。表7列出了孔径分布的一些关键偏移。

表4：基于质量和体积的组成

表5：电学性质和电化学性质

表6：金属相的孔径

表7：孔径测量值的偏移

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