一种基于聚吡咯还原氧化石墨烯水凝胶气凝胶合成法构建的血液分离膜的制作方法

本发明涉及血液分离膜技术领域，具体为一种基于聚吡咯/还原氧化石墨烯水凝胶/气凝胶合成法构建的血液分离膜。

背景技术：

胰腺癌是第四大癌症相关的主要死亡原因，在当前的诊断和治疗条件下胰腺癌患者总体的5年生存率仅6％。尽管对无淋巴结侵犯的胰腺癌患者行外科手术切除可使其5年生存率提高至20％-25％，但是85％的患者都已经发展为手术不可切除的疾病。而对于晚期癌症患者行姑息性治疗以及肿瘤降期的新辅助疗法，为了获得胰腺肿块的组织，都依靠于侵入性活检技术。此外，虽然有研究表明新辅助疗法可能提高胰腺癌患者的手术切除率以及生存率，但是目前还没有ⅲ期临床试验的确切证据证明新辅助疗法的效果或可能存在的标准化治疗方案。胰腺囊性肿瘤和粘液性肿瘤有恶变的风险，由于缺乏特异性诊断手段，在一部分的患者中它们掩饰伴随发生的恶性肿瘤。恶性的胰腺神经内分泌肿瘤也可能因为延误诊断试剂，治愈率低至30％。因此，当前迫切地需要对局部晚期的胰腺恶性病变和转移扩散的生物学途径进行深入的了解。

鉴定肿瘤细胞中的特异性基因靶点，是研发更加有效的治疗药物必要条件，并且有助于依据患者个体特征调整治疗方案。多项研究已经证明肿瘤细胞存在于多种恶性肿瘤患者的外周血中。循环肿瘤细胞(circulatingtumorcells,ctc)是一类脱离原发肿瘤并进入循环血的细胞，原发的肿瘤细胞必需要能够抵抗细胞间粘附破坏引起的凋亡，并穿透内皮细胞层进入外周循环中，因此ctc的发生可能为肿瘤侵袭的遗传学基础提供关键的见解。而且，这些ctc细胞在血流中的出现相比可检测的远处转移发生更早，因此推测ctc也可能参与到转移扩散的途径中。这种发生于在晚期疾病之前的早期表现，表明分离出ctc至少具有以下几种潜在的应用前景：1、通过影像或活检结果提示为良性病变的肿块中，一旦发现ctc就能够推断出之前未被检测出的恶性肿瘤；2、为了诊断性目的通过基本的抽血方法从患者外周血中收集来源于肿瘤中的细胞，可能会代替一部分肿瘤不适合行的常规活检技术；3、在疾病自然发展过程中当还处于可治愈期间，同样地也以避免致病性的侵入性活检。此外，如果ctc确实在血源性转移进程中起关键的作用，那么进一步深入研究这些细胞的遗传学特征，将能够通过局部调控治疗肿瘤的扩散并提高治愈率。

迄今为止，分离ctc的主要挑战是ctc与循环血细胞相比其数量极其稀少，在10ml的全血中可能仅存在1-2个ctc，相比于同样体积的血液中存在10⁷的白细胞和超过10¹⁰的红细胞。利用上皮标记物从血细胞中分离出ctc，这项技术受限于事实上在外周循环中存在非肿瘤的上皮细胞，这种现象甚至已经在健康受试者体内得到证实。而且上皮标记物通常在肿瘤细胞发生上皮间质转化过程中丢失，这对于肿瘤细胞发生侵袭和血液散播十分关键。因此理想的ctc分离方法将能够特定地选择出这些数量极为稀少的肿瘤细胞，而没有受到依据上皮细胞蛋白表达产生假阳性和假阴性的影响。此外，这种技术必需能够过滤掉血液中其他细胞产生的干扰，并且在可分析的条件下能够保护ctc。新型(westford,ma)过滤装置，根据细胞大小介导的分拣原理，已经能够从胃肠和其他恶性肿瘤患者的外周血中分离出ctc。目前以细胞大小为基础的ctc分离方法已经证明适用于很多上皮的和非上皮的肿瘤中，包括乳腺、肺、结肠、肝、前列腺、黑色素瘤以及胰腺腺癌。

深入地理解影响到胰腺肿瘤的诊断、化疗靶点的确定以及潜在转移机制。ctc中的基因靶点与切除的原发肿瘤相比具有相似的遗传信息，从外周血样本中分离的这些ctc可能能够代表一种新的检测胰腺肿块几乎无创性的方法。

由于装置设备要求低、操作简单并且处理时间快速，这种方法具有广泛地应用于实现个体化肿瘤治疗为目标的潜在价值。此外，通过这种装置分离的ctc将能够更加容易地获得肿瘤细胞来源用于进一步的研究，并且有助于鉴定新的基因靶点。ctc相比于亲本肿瘤中基因序列的差异，可能为ctc获得侵袭和在外周循环中存活的异常改变提供见解，这种改变即是血源性扩散过程中的关键步骤。如果ctc能够在异种移植的活体内生长，通过靶向形成转移肿瘤的细胞，深入研究这一类细胞很可能有助于阐明肿瘤转移的基本机制并提供可能的治疗方法。

现有技术中，在循环血液中，肿瘤细胞的通常大于其他血液成分，如红细胞、白血球和血小板。如图1，早期使用了简单的筛子作为滤器从血液中分离出ctc，这种筛子材料是孔径4.5μm的穿孔markrofol膜，该过滤器能够分离近100％掺入全血的hela细胞，并从50个癌症患者样本中的中筛查出19个癌细胞。因此，构建具有精确尺寸孔径和密度的滤膜，可应用于ctc细胞筛选。

尽管在胰腺癌ctc的分离及后续的基础或临床研究中，装置具有独特的优势及广阔的应用前景；装置的核心在于其细胞滤过膜的细胞筛选，如何保证外周血液中血小板、红细胞等成分通过滤过膜，而保留肿瘤细胞，是构建ctc筛选装置的最关键步骤。但是，装置售价昂贵并且不可重复使用，单人单次检测费用需约人民币0.5万元，使得它在国内外的临床应用受限。因此，当前亟需开发成本更低廉、效果相似的ctc筛选装置。

技术实现要素：

现有技术问题：现有的装置售价昂贵并且不可重复使用，单人单次检测费用需约人民币0.5万元，使得它在国内外的临床应用受限。因此，当前亟需开发成本更低廉、效果相似的ctc筛选装置。

为解决上述问题，本发明公开了一种基于聚吡咯/还原氧化石墨烯水凝胶/气凝胶合成法构建的血液分离膜，本专利的内容着重于ctc分离膜的构建，将ctc筛选装置国产化，保证质量同时进一步降低成本，有利于ctc的临床研究的开展和广泛应用，甚至可应用于肿瘤普查，提高肿瘤的早期诊断及精准治疗，这将能产生巨大的社会经济效益。

为了达到以上目的，本发明提供如下技术方案：

技术方案：一种基于聚吡咯/还原氧化石墨烯水凝胶/气凝胶合成法构建的血液分离膜，所述血液分离膜用于ctc的分离。

一种聚吡咯/还原氧化石墨烯水凝胶/气凝胶的合成方法，通过水浴法合成聚吡咯/还原氧化石墨烯水凝胶。所有化学品均为分析纯，无需进一步纯化。合成步骤如下：

步骤1：通过改良的hummer方法合成氧化石墨烯，超声处理。使堆叠的氧化石墨烯纳米片剥落。

步骤2：将napts和吡咯单体添加到步骤1的氧化石墨烯溶液中。吡咯单体的进一步增加不会影响pgh的物理性质。

步骤3：将步骤2得到的混合物搅拌，然后进行静水浴，得到pgh。在静水浴过程中，吡咯单体将氧化石墨烯还原为还原氧化石墨烯，然后将其氧化为ppy。

步骤4：将获得的pgh冷冻干燥，获得相应的气凝胶，得到的气凝胶为血液分离膜。

其中：采用的氧化石墨烯的浓度为2mgml^-1。采用的napts的浓度为0.1m，采用的吡咯单体的浓度为1.0m。

其中，步骤3中的静水浴的温度约为90℃。超声处理的时间约为15分钟。混合物搅拌时间约为30分钟。冷冻干燥的时间约为24小时。

关键的两个步骤，即水凝胶的合成和随后的冷冻干燥。在合成过程中，在添加活性物质之前，将氧化石墨烯溶液超声处理15分钟，以使堆叠的纳米片剥落。

所有化学品均为分析纯，无需进一步纯化。

合成滤膜的直径4μm。

合成滤膜的应用：本专利应用聚吡咯/还原氧化石墨烯水凝胶/气凝胶合成法构建的合成滤膜，根据细胞大小介导的分拣原理，能够从肿瘤患者的外周血中分离出ctc。目前以细胞大小为依据的ctc筛选方法适用于很多上皮的和非上皮的肿瘤中，包括乳腺、肺、结肠、肝、前列腺、黑色素瘤以及胰腺腺癌。合成滤膜的优势包括：快速地分离活细胞或固定细胞，设备要求低，成本低廉。细胞在状态良好条件下分离适合于后续的细胞培养、细胞病理学和分子生物学分析。合成滤膜在胰腺癌ctc的分离及后续的研究中具有广阔的应用前景，ctc筛选装置的国产化将产生较大的社会经济效益。

有益效果：本专利的分离膜成功地分离出胰腺导管腺癌的ctc，并进行了形态鉴定，检测了胰腺导管腺癌的ctc的kras突变情况，国内尚没有相关的胰腺癌的ctc直观的病理形态报道。运用本专利的合成方法来筛选胰腺癌的ctc，将有以下的应用前景：1、通过影像或活检结果提示为良性病变的肿块中，一旦发现ctc就能够推断出之前未被检测出的恶性肿瘤；2、为了诊断性目的通过基本的抽血方法从患者外周血中收集来源于肿瘤中的细胞，可能会代替一部分肿瘤不适合行的常规活检技术；3、在疾病自然发展过程中当还处于可治愈期间，同样地也以避免致病性的侵入性活检。此外，如果ctc确实在血源性转移进程中起关键的作用那么进一步深入研究这些细胞的遗传学特征，将能够通过局部调控治疗肿瘤的扩散并提高治愈率。

附图说明

图1、分离膜筛选ctc的原理图；

图2、装置的结构图；

图3、装置滤膜的电镜扫描图；

图4、装置滤膜的表征分析图；

图5、本发明的合成滤膜的设计原理图；

图6、本发明的合成滤膜的电镜扫描图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

一、ctc分离膜的设计构思

在循环血液中，肿瘤细胞的通常大于其他血液成分，如红细胞、白血球和血小板。如图1所示，早期使用了简单的筛子作为滤器从血液中分离出ctc，这种筛子材料是孔径4.5μm的穿孔markrofol膜，该过滤器能够分离近100％掺入全血的hela细胞，并从50个癌症患者样本中的中筛查出19个癌细胞。因此，构建具有精确尺寸孔径和密度的滤膜，可应用于ctc细胞筛选。

二、现有装置滤膜

2.1装置的结构分析

装置是在微孔膜过滤器上按尺寸大小分离循环血细胞，该装置长度约19cm，按照用途可分以下3种：cyto用于细胞学研究的固定细胞；cc用于培养的活细胞；mb用于分子生物学实验。装置包括一个过滤槽，一个由可移动喷嘴/支架盖住的滤器，滤器可插入收集管。圆形滤膜由聚碳酸酯材料组成，厚18μm，表面光滑且亲水。校准圆形孔(分别用于分离固定细胞或活细胞的7.5±0.36μm或6.5±0.33μm)并随机分布在整个过滤器中(1×105个孔/cm²)。在过滤之前需要裂解红细胞，方法是在7-8ml的特定稀释缓冲液中加入1ml血液。从过滤器中除去rbc碎片，过滤固定细胞，再过滤1mlpbs，以进行更好的细胞学研究。过滤通常在大约50s内完成(当过滤超过60s，样品可能出现微凝结)。过滤结束时，从滤槽中取出装置的喷嘴/固定器解开并(图2和3)。

取cyto原厂滤膜，直径约13mm，膜厚0.065mm，行扫描电镜观察(图2)，可见滤孔分布较为均匀，孔径6.0μm左右，有少部分滤孔打孔不成功。纯水通量为77392g/m2/h，水分子动力学直径：

2.2装置滤膜的表征分析

本研究进一步对滤膜的表征加以解析，xrd是检测表征材料晶面的特征(图4中的a)，红外ft-ir是表征材料有机官能团的特性表现(图4中的b)。材料的光谱提示其产物结构与水热法将聚吡咯加入还原氧化石墨烯水凝胶单体反应产生的聚合材料相像，因此本研究拟采用基于聚吡咯/还原氧化石墨烯水凝胶合成法构建血液滤器。

三、本发明的分离ctc的合成滤膜的构建

3.1聚吡咯/还原氧化石墨烯水凝胶/气凝胶的合成

所有化学品均为分析纯，无需进一步纯化。通过简便的水浴法合成聚吡咯/还原氧化石墨烯水凝胶。通过改良的hummer方法合成的2mgml^-1的氧化石墨烯进行超声处理，以使堆叠的氧化石墨烯纳米片剥落15分钟。将0.1m的napts和1.0m的吡咯单体添加到氧化石墨烯溶液中。吡咯单体的进一步增加不会影响pgh的物理性质，吡咯单体的浓度固定为0.1m。然后将混合物搅拌30分钟，然后进行静水浴(约90℃)。在静水浴过程中，吡咯单体将氧化石墨烯还原为还原氧化石墨烯，然后将其氧化为ppy。最后将获得的pgh冷冻干燥24小时以获得相应的气凝胶，并将产物表示为合成滤膜。

图5展示了使用静水浴法制造合成滤膜的过程。关键的两个步骤，即水凝胶的合成和随后的冷冻干燥。在合成过程中，在添加活性物质之前，将氧化石墨烯溶液超声处理5分钟，以使堆叠的纳米片剥落。

3.2合成滤膜的电镜扫描

为了检查合成滤膜的弹性，进行扫描电镜成以观察样品的微观结构。从高放大倍率可以清楚地看到，氧化石墨烯纳米片堆叠在一起形成了很少的厚层，这些厚层构成了整个晶格。这表明在转化过程中还原氧化石墨烯纳米片的自聚集特性。在将吡咯添加入后，还原氧化石墨烯薄片会脱落成高度互连的网络(图6a和b)。此外，可以清楚地看到，还原氧化石墨烯纳米片的层很薄，聚吡咯纳米颗粒在整个表面上的沉积有效地抑制了还原氧化石墨烯的堆积。合成滤膜的直径4μm。

迄今为止，ctc筛选主要的挑战是ctc与循环血细胞相比其数量极其稀少，在10ml的全血中，约存在10⁷的白细胞和超过10¹⁰的红细胞，可能仅存在1-2个ctc。目前国外应用较多的是根据上皮标记物从血细胞中分离出ctc，事实上在外周循环中存在非肿瘤的上皮细胞，这项技术受到很大的干扰；而且上皮标记物通常在肿瘤细胞发生上皮间质转化过程中丢失，因此依据上皮细胞蛋白表达来筛选ctc易产生假阳性和假阴性结果。理想的ctc分离方法将能够特定地选择出这些数量极为稀少的ctc，而且不受上皮细胞蛋白表达产生假阳性和假阴性的影响。此外，这种技术必需能够过滤掉血液中其他细胞产生的干扰，并且在可分析的条件下能够保护ctc。

本研究应用聚吡咯/还原氧化石墨烯水凝胶/气凝胶合成法构建的合成滤膜，根据细胞大小介导的分拣原理，能够从肿瘤患者的外周血中分离出ctc。目前以细胞大小为依据的ctc筛选方法适用于很多上皮的和非上皮的肿瘤中，包括乳腺、肺、结肠、肝、前列腺、黑色素瘤以及胰腺腺癌。合成滤膜的优势包括：快速地分离活细胞或固定细胞，设备要求低，成本低廉。细胞在状态良好条件下分离适合于后续的细胞培养、细胞病理学和分子生物学分析。合成滤膜在胰腺癌ctc的分离及后续的研究中具有广阔的应用前景，ctc筛选装置的国产化将产生较大的社会经济效益。

当然，合成滤膜目前仍需要临床应用的验证，以改进制造工艺。虽然聚吡咯/还原氧化石墨烯水凝胶/气凝胶合成法形成均匀的孔径，但合成滤膜中的孔分布可能是不规则的，解决方案是使用微细加工技术来产生更均匀的孔密度。郑等使用的聚对二甲苯-c进行了微细加工，该聚合物表现出许多优良的特征，如出色的机械性能、光学透明性和低生物结垢性。他的多孔膜过滤器将聚对二甲苯-c沉积在硅片上，并在反应离子蚀刻中用氧等离子体进行构图，用去离子水将其从硅片上释放出来。多孔滤器集成了铬/金电极，可进行膜上裂细胞解，以行进一步的pcr分析。然后用患者样品对该膜进行测试，并将结果与从cellsearch获得的结果进行比较：聚对二甲苯过滤器微装置在57位患者中的51位患者中检测到了ctc，而cellsearch仅在57位样品中的26位中检测到了ctc。

此外，筛选前扩增目标细胞的策略也已可与微滤器一起应用于ctc的筛选²⁷。有研究报道在通过含有可光裂解的邻硝基苄基的接头与抗epcam偶联的微珠孵育后，使稀释的血样流过具有8μm孔的微过滤器芯片。白细胞继续通过膜，而保留了扩增的癌细胞。通过i-line光照射去除微珠，留下了活细胞，然后可以用免疫细胞化学和定量荧光分析活细胞，以确定人类表皮生长因子受体(her2)的表达，结果检测血液中的乳腺癌细胞系细胞的平均效率为89％。同时分析了十二例转移性乳腺癌患者样品，所有样品中的ctc均在131ctc/ml范围内。

过滤工艺是一个不断发展的领域，所用材料及其制造工艺都在不断进步。这进一步允许进行活细胞分离以进行染色和形态观察以及细胞培养的直接平台。但是，大多数过滤方法仍然受到繁琐的预处理步骤的困扰(例如稀释，流式细胞仪和免疫磁分离)，这也影响了总体通量。膜堵塞会导致纯度问题，而ctc大小的变化会导致这些稀有细胞的丢失。

本专利的前期实验已成功地分离出胰腺导管腺癌的ctc，并进行了形态鉴定，检测了胰腺导管腺癌的ctc的kras突变情况，国内尚没有相关的胰腺癌的ctc直观的病理形态报道。如果运用本研究的合成方法来筛选胰腺癌的ctc，将有以下的应用前景：1、通过影像或活检结果提示为良性病变的肿块中，一旦发现ctc就能够推断出之前未被检测出的恶性肿瘤；2、为了诊断性目的通过基本的抽血方法从患者外周血中收集来源于肿瘤中的细胞，可能会代替一部分肿瘤不适合行的常规活检技术；3、在疾病自然发展过程中当还处于可治愈期间，同样地也以避免致病性的侵入性活检。此外，如果ctc确实在血源性转移进程中起关键的作用那么进一步深入研究这些细胞的遗传学特征，将能够通过局部调控治疗肿瘤的扩散并提高治愈率。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种聚吡咯/还原氧化石墨烯水凝胶/气凝胶的的血液分离膜合成方法，通过水浴法合成聚吡咯/还原氧化石墨烯水凝胶；合成步骤如下：

步骤1：通过hummer方法合成氧化石墨烯，然后超声处理；

步骤2：将napts和吡咯单体添加到步骤1的氧化石墨烯溶液中；

步骤3：将步骤2得到的混合物搅拌，然后进行静水浴，得到pgh；

步骤4：将获得的pgh冷冻干燥，获得相应的气凝胶，得到的气凝胶为血液分离膜。

2.如权利要求2所述的方法，其特征在于：采用的原料均为分析纯。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：其中：采用的氧化石墨烯的浓度为2mgml^-1；采用的napts的浓度为0.1m，采用的吡咯单体的浓度为1.0m。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于：步骤1中超声处理的时间为15分钟；步骤3中静水浴的温度为90°c，混合物搅拌时间为30分钟；步骤4中冷冻干燥的时间为24小时。

5.一种基于聚吡咯/还原氧化石墨烯水凝胶/气凝胶合成法构建的血液分离膜，其特征在于：所述血液分离膜应用于ctc的分离。

技术总结
本发明公开了一种基于聚吡咯/还原氧化石墨烯水凝胶/气凝胶合成法构建的血液分离膜，所述血液分离膜应用于CTC的分离。所述的基于聚吡咯/还原氧化石墨烯水凝胶/气凝胶合成法构建的血液分离膜的合成方法，通过水浴法合成聚吡咯/还原氧化石墨烯水凝胶；合成步骤如下：通过改良的Hummer方法合成氧化石墨烯，超声处理；将NapTS和吡咯单体添加到步骤1的氧化石墨烯溶液中；将步骤2得到的混合物搅拌，然后进行静水浴，得到PGH；将获得的PGH冷冻干燥，获得相应的气凝胶，对应的气凝胶为血液分离膜。

技术研发人员：周家华;王立山
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：2019.12.31
技术公布日：2020.06.09