[发明专利]聚酰亚胺膜与氧化铝模板复合的非对称多孔复合材料及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及仿生离子通道复合材料，特别涉及聚酰亚胺高分子材料膜与氧化铝模板进行复合形成的具有良好离子整流性的非对称多孔微纳米结构的复合材料及其制备方法。

背景技术

种类繁多的生物经过45亿年长期的进化，使其结构与功能达到了近乎完美的程度，实现了结构与功能的统一，局部与整体的协调和统一。仿生设计原理为创造新型结构及功能材料提供了新的方法和途径，向自然学习是新材料发展的重要源泉。近年来，仿生结构及其功能材料受到了人们越来越多的关注，如仿生光子晶体材料、仿生空心结构材料、仿生离子通道、仿蜘蛛丝超韧纤维、仿生特殊浸润性表面、仿生高强超韧层状复合材料、仿生高黏附材料等。

离子通道是广泛存在于各种细胞膜上控制细胞与环境物质交换的重要途径，大多对生命有着重要意义的各种离子、糖类等进入细胞和生命活动中产生的水溶性废物在离开细胞时都是通过离子通道，其中具有整流性的离子通道如K⁺延迟外向整流性通道和内向整流性通道对维持细胞的静息电位、调节血管平滑肌舒缩等具有至关重要作用，因此对整流性仿生离子通道的研究具有非常重要的科学意义。目前整流性离子通道仿生材料的合成着重于构建通道结构或化学成分不对称，从而达到较好的整流或者离子选择门控效果。在构建纳米尺寸通道时，通过离子径迹刻蚀技术、电化学刻蚀修饰或化学刻蚀修饰得到的两端的孔径或者化学成分不对称的孔道在作为离子通道时可赋予通道较好的离子整流性，但是这些孔道的形成需要较为苛刻的条件和控制精度，能耗高且用于制备纳米器件时尺寸有限，应用推广受到限制。具有蜂窝状的多孔结构的薄膜的孔为微米尺寸阵列化的贯通孔道，这种具有蜂窝状的多孔结构的薄膜与具有纳米尺寸阵列化贯通孔道的氧化铝模板结合在一起，由于具有蜂窝状的多孔结构的薄膜的贯通孔道的孔径与具有蜂窝状的贯通孔道的氧化铝模板的贯通孔道的孔径不一样，由此可以得到大面积阵列化的非对称贯通孔道结构，这种非对称贯通孔道结构将对生物传感、纳流控制设备和仿生离子通道系统的研究产生重大意义。

发明内容

本发明的目的之一是提供具有蜂窝状微米孔道结构的多孔聚酰亚胺膜和具有蜂窝状纳米孔道结构的多孔氧化铝模板进行复合得到的具有良好离子整流性和高稳定性的非对称多孔复合材料。

本发明的目的之二是为了克服目前仿生离子通道材料制备方法的繁琐费时、条件苛刻不易控制和应用推广难的问题，从而提供一种制备方法简单的具有良好离子整流性和高稳定性的具有蜂窝状微米孔道结构的多孔聚酰亚胺膜和具有蜂窝状纳米孔道结构的多孔氧化铝模板复合的非对称多孔复合材料的制备方法。

本发明是利用聚酰亚胺在具有阵列化蜂窝状纳米孔道结构的多孔氧化铝模板上形成具有蜂窝状微米孔道结构的多孔聚酰亚胺膜，所述的多孔聚酰亚胺膜层和所述的多孔氧化铝模板的结合处的孔道相连通，形成孔径为微米与孔径为纳米的孔道相连通的贯通孔道。通过形貌观测和电学性能测试，证实了该非对称多孔复合材料内的复合通孔结构的存在，且该复合材料具有良好的离子整流性。

本发明的聚酰亚胺膜与氧化铝模板复合的非对称多孔复合材料是由具有蜂窝状微米孔道结构的多孔聚酰亚胺膜和具有蜂窝状纳米孔道结构的多孔氧化铝模板复合而成，所述的具有蜂窝状微米孔道结构的多孔聚酰亚胺膜中的微米孔道和具有蜂窝状纳米孔道结构的多孔氧化铝模板中的纳米孔道的结合处的孔道相连通，形成孔径为微米与孔径为纳米的孔道对接相连通的非对称贯通孔道结构。

本发明的非对称多孔复合材料中的微纳米复合结构贯通孔道具有良好的离子整流性，在作为仿生离子通道时，利用皮安计测得其最佳离子整流值为20.8。通过实施例2中采用浓度分别0.01M、0.1M、1M的KCl溶液作为电解质溶液，所测得的上述聚酰亚胺膜与氧化铝模板复合的非对称多孔复合材料的I-V曲线（见图3）可以看出，其它条件相同时，聚酰亚胺膜与氧化铝模板复合的非对称多孔复合材料中的贯通孔道的离子整流性随测试所用的KCl电解质溶液的浓度增大而减小。通过实施例1、2、3、4中采用浓度为0.01M的KCl溶液作为电解质溶液时，所测得的聚酰亚胺膜与氧化铝模板复合的非对称多孔复合材料中的贯通孔道的离子整流值与所用的氧化铝模板中的孔径的对应关系图（图4）可以看出，使用20～30nm孔径的氧化铝模板所制得的非对称多孔复合材料的整流性最好，使用其它孔径的氧化铝模板所制得的非对称多孔复合材料的整流性相对偏小。

本发明的聚酰亚胺膜与氧化铝模板复合的非对称多孔复合材料是由聚酰亚胺的三氯甲烷溶液在氧化铝模板上利用水模板法在高湿度环境下制备而成，具体包括以下步骤：