一種石墨烯材料涂覆殼聚糖三維支架的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及一種制備具有不同還原程度的石墨烯涂覆殼聚糖支架的方法，本發(fā)明是利用氧化石墨烯片自組裝原理以及含氧官能團(tuán)與殼聚糖支架材料之間的靜電以及氫鍵作用，實(shí)現(xiàn)了氧化石墨烯在殼聚糖支架上的涂覆，通過(guò)熱還原方法最終得到具有組織工程應(yīng)用前景的還原氧化石墨烯與殼聚糖的復(fù)合材料支架。
【背景技術(shù)】
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[0002]生命和再生工程，包括人類在未來(lái)實(shí)現(xiàn)操縱神經(jīng)系統(tǒng)、生物細(xì)胞和組織器官等的能力被認(rèn)為是科學(xué)和工業(yè)界第六次科技革命所涉及的學(xué)科之一。其中再生技術(shù)作為第四次產(chǎn)業(yè)革命的重要技術(shù)，成為各國(guó)超前布局、搶占戰(zhàn)略制高點(diǎn)，從而贏得主動(dòng)、掌握核心專利所爭(zhēng)相追逐的目標(biāo)。
[0003]“組織工程”的概念最早是由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)于1987年正式定義的，是應(yīng)用細(xì)胞生物學(xué)、生物材料和工程學(xué)的原理，研究開(kāi)發(fā)用于修復(fù)人體病損部位的一門(mén)科學(xué)。其研究領(lǐng)域涉及到了材料學(xué)、工程學(xué)及生命科學(xué)。近年來(lái)，組織工程材料的研究與開(kāi)發(fā)一直是科研工作者們的關(guān)注熱點(diǎn)，作為生物材料，它們必須滿足以下這些條件:
[0004](I)良好的生物相容性:無(wú)毒性、不引起炎癥反應(yīng)，同時(shí)，還要有利于種子細(xì)胞粘附、增殖和分化；
[0005](2)具有三維多孔結(jié)構(gòu)和較高的比表面積，可為細(xì)胞提供寬大的表面積和空間，以及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氣體交換的能力；
[0006](3)合適的機(jī)械強(qiáng)度；
[0007](4)表面微環(huán)境的可調(diào)控性；
[0008](5)易消毒；
[0009](6)優(yōu)良的生物可降解性。
[0010]而單一組分的材料往往不能滿足以上所有條件，所以亟待研究開(kāi)發(fā)能滿足上述條件的生物材料。
[0011]石墨烯作為一種新型納米材料，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有極其廣泛的潛在應(yīng)用價(jià)值，比如:生物傳感器，生物成像，光熱理療，藥物運(yùn)輸，組織工程方面等等。它具有極其優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)性能以及生物相容性，獨(dú)特的物理化學(xué)性質(zhì)能夠提供細(xì)胞生長(zhǎng)的細(xì)胞外基質(zhì)條件，這是它作為組織工程支架材料的一個(gè)很大優(yōu)勢(shì)。目前，石墨烯材料(本征石墨烯、少層石墨烯膜、氧化石墨烯等)在組織工程方面研究主要集中在二維薄膜、石墨烯納米片作為性能增強(qiáng)添加物、以及采用化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備石墨烯三維泡沫等。將石墨烯膜作為表面改性材料，制備基于石墨烯涂層的復(fù)合物三維支架材料的研究卻寥寥無(wú)幾。
[0012]殼聚糖作為一種天然聚陽(yáng)離子生物多糖，大量存在于自然界中，具有良好的生物相容性和生物可降解性，關(guān)于其在組織工程方面的研究仍方興未艾，但是作為具有生物活性的支架面臨兩個(gè)主要問(wèn)題:(I)較低的力學(xué)性能往往難以承載組織及器官的生長(zhǎng)；(2)不易被修飾，在細(xì)胞可控生長(zhǎng)方面面臨挑戰(zhàn)。
[0013]目前，已經(jīng)有科研工作者實(shí)現(xiàn)了在殼聚糖支架上涂覆磷灰石，在膠原蛋白支架上涂覆氧化石墨烯，它們都具有良好的生物相容性，也有科學(xué)家制備出了添加氧化石墨烯納米片的殼聚糖支架，不僅力學(xué)強(qiáng)度得到了提高，而且具有很好的生物相容性。但是目前還沒(méi)有結(jié)合簡(jiǎn)便易行的浸漬法、化學(xué)氧化法、低溫階梯加熱還原方法，在傳統(tǒng)聚合物殼聚糖三維支架上實(shí)現(xiàn)具有不同還原程度石墨烯膜的涂覆的報(bào)告。這項(xiàng)研究對(duì)于提高殼聚糖三維支架的生物活性、力學(xué)性能和電學(xué)性能具有重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0014]本發(fā)明提供了一種以殼聚糖支架作為基體，氧化石墨烯在基體上實(shí)現(xiàn)自組裝，形成涂層，再通過(guò)熱還原的辦法，最終得到具有不同還原程度的石墨烯涂覆殼聚糖復(fù)合支架材料。本發(fā)明操作簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。
[0015]本發(fā)明具體步驟如下:
[0016]一種石墨烯材料涂覆殼聚糖三維支架的制備方法，步驟如下:
[0017]I)將殼聚糖粉末溶解在醋酸水溶液中，制備具有一定濃度的殼聚糖溶液；
[0018]2)將步驟I)中的殼聚糖溶液注入24孔板模具中，冷凍成型，然后用真空冷凍干燥機(jī)干燥，獲得具有多孔結(jié)構(gòu)的殼聚糖支架；
[0019]3)將步驟2)中的多孔支架浸泡在堿溶液中，中和殘余醋酸，再用去離子水清洗至中性;在此冷凍干燥；
[0020]4)利用改良的Hummer s法制備氧化石墨烯，將之與酒精混合，超聲處理，得到具有不同濃度的氧化石墨烯分散液；
[0021]5)把步驟3)得到的殼聚糖支架浸入步驟4)得到的氧化石墨烯分散液中，最后在空氣中干燥，得到復(fù)合支架；
[0022]6)把步驟5)中支架在真空環(huán)境中進(jìn)行階梯式加熱，得到具有不同還原程度的氧化石墨烯涂層的殼聚糖支架。
[0023]步驟I)中所述殼聚糖溶液濃度為I?4%。
[0024]步驟I)中所用述醋酸水溶液濃度為2% (v/v)。
[0025]步驟2)中所用24孔板模具材質(zhì)為聚苯乙烯;所述冷凍溫度為-20°C，冷凍干燥溫度為-60。。。
[0026]步驟3)中所用堿為氫氧化鈉溶液，濃度為0.5mg/ml。
[0027]步驟4)中所用石墨粉為阿爾法公司生產(chǎn)的325目天然石墨鱗片；超聲處理功率為350w，超聲時(shí)間為lh，氧化石墨稀濃度為O?lmg/ml。
[0028]步驟6)中加熱溫度分別是60，120，150°C，每個(gè)溫度段保持時(shí)間為12小時(shí)。
[0029]本發(fā)明的特征在于，解決了殼聚糖支架在氧化石墨烯水分散液中的聚沉問(wèn)題，所制備樣品的孔隙率基本保持在92%，產(chǎn)物通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)觀察，發(fā)現(xiàn)支架孔徑較為均勻，孔洞取向有序度高，說(shuō)明階梯加熱所制備的涂層對(duì)殼聚糖多孔結(jié)構(gòu)基本無(wú)影響。氧化石墨烯涂覆的復(fù)合支架，孔壁有褶皺出現(xiàn)，說(shuō)明孔壁上形成了石墨烯涂層。X-射線衍射(XRD)以及傅里葉變換紅外吸收光譜(FTIR)測(cè)試結(jié)果也表明，150 °C范圍內(nèi)加熱對(duì)殼聚糖的相結(jié)構(gòu)以及官能團(tuán)影響不大。X射線光電子能譜(XPS)說(shuō)明，不同還原溫度下，得到了具有不同還原程度的氧化石墨烯涂層。而且，復(fù)合支架的壓縮強(qiáng)度得到很大提高?！靖綀D說(shuō)明】:
[0030]圖1是實(shí)施實(shí)例中殼聚糖支架以及殼聚糖/氧化石墨烯復(fù)合支架在不同溫度下加熱后的光學(xué)照片，支架為直徑1.3cm，高度9mm的圓柱體，從左到右的順序是:CS-60 °C、CS-120 °C,CS-1500C，(經(jīng)濃度為lmg/ml的氧化石墨烯分散液浸泡的殼聚糖/石墨烯復(fù)合支架)CS-G0-60 0C、CS-G0-120 °C、CS-G0-150 °C。
[0031]圖2是實(shí)施案例中的孔隙率測(cè)試結(jié)果。
[0032]圖3是實(shí)施案例中，涂覆在玻璃片上的氧化石墨烯膜(GO)在不同溫度下加熱后產(chǎn)物的X射線衍射分析圖。
[0033]圖4是實(shí)施案例中，殼聚糖支架以及經(jīng)濃度為lmg/ml氧化石墨烯分散液浸泡的殼聚糖/氧化石墨烯(CS/G0)復(fù)合支架在不同溫度下加熱后產(chǎn)物的X射線衍射分析圖。
[0034]圖5是實(shí)施案例中，涂覆在玻璃片上的氧化石墨烯膜(GO)，殼聚糖(CS)支架以及經(jīng)濃度為lmg/ml氧化石墨稀分散液浸泡的殼聚糖/氧化石墨稀(CS/G0)復(fù)合支架在不同溫度下加熱后產(chǎn)物的傅里葉變換紅外吸收光譜圖。
[0035]圖6是實(shí)施案例中，殼聚糖(CS)支架在150°C下加熱后產(chǎn)物的Cls芯能級(jí)的XPS能譜圖。
[0036]圖7是實(shí)施案例中，殼聚糖(CS)支架在150°C下加熱后產(chǎn)物的Nls芯能級(jí)的XPS能譜圖。
[0037]圖8是實(shí)施案例中，氧化石墨烯膜(GO)在60°C下加熱后產(chǎn)物的Cls芯能級(jí)的XPS能譜圖。
[0038]圖9是實(shí)施案例中，氧化石墨烯膜(GO)在120°C下加熱后產(chǎn)物的Cls芯能級(jí)的XPS能譜圖。
[0039]圖10是實(shí)施案例中，氧化石墨烯膜(GO)在150°C下加熱后產(chǎn)物的Cls芯能級(jí)的XPS
能譜圖。
[0040]圖11是實(shí)施案例中，經(jīng)濃度為lmg/ml氧化石墨烯分散液浸泡的殼聚糖/氧化石墨烯(CS/G0)復(fù)合支架在60°C下加熱后產(chǎn)物的Cls芯能級(jí)的XPS能譜圖。
[0041]圖12是實(shí)施案例中，經(jīng)濃度為lmg/ml氧化石墨烯分散液浸泡的殼聚糖/氧化石墨烯(CS/G0)復(fù)合支架在60°C下加熱后產(chǎn)物的Nls芯能級(jí)的XPS能譜圖。
[0042]圖13是實(shí)施案例中，經(jīng)濃度為lmg/ml氧化石墨烯分散液浸泡的殼聚糖/氧化石墨烯(CS/G0)復(fù)合支架在120°C下加熱后產(chǎn)物的Cls芯能級(jí)的XPS能譜圖。
[0043]圖14是實(shí)施案例中，經(jīng)濃度為lmg/ml氧化石墨烯分散液浸泡的殼聚糖/氧化石墨烯(CS/G0)復(fù)合支架在120°C下加熱后產(chǎn)物的Nls芯能級(jí)的XPS能譜圖。
[0044]圖15是實(shí)施案例中，經(jīng)濃度為lmg/ml氧化石墨烯分散液浸泡的殼聚糖/氧化石墨烯(CS/G0)復(fù)合支架在150°C下加熱后產(chǎn)物的Cls芯能級(jí)的XPS能譜圖。
[0045]圖16是實(shí)施案例中，經(jīng)濃度為lmg/ml氧化石墨烯分散液浸泡的殼聚糖/氧化石墨烯(CS/G0)復(fù)合支架在150°C下加熱后產(chǎn)物的Nls芯能級(jí)的XPS能譜圖。
[0046]圖17是實(shí)施案例中，殼聚糖支架在60°C下加熱后產(chǎn)物的70倍掃描電鏡(SEM)圖像，圖中可以看到孔徑較為均勻，有序度高。
[0047]圖18是實(shí)施案例中，殼聚糖支架在60°C下加熱后產(chǎn)物的1000倍掃描電鏡(SEM)圖像，孔壁上未發(fā)現(xiàn)褶皺存在。
[0048]圖19是實(shí)施案例中，經(jīng)濃度為0.02mg/ml氧化石墨烯分散液浸泡的復(fù)合支架在600C下加熱后產(chǎn)物的1000倍掃描電鏡(SEM)圖像，可以看出，孔壁上出現(xiàn)褶皺樣結(jié)構(gòu)(如箭頭所示)。
[0049]圖20是實(shí)施案例中，經(jīng)濃度為lmg/ml氧化石墨烯分散液浸泡的復(fù)合支架在60°C下加熱后產(chǎn)物的1000倍掃描電鏡(SEM)圖像，發(fā)現(xiàn)孔壁上出現(xiàn)明顯褶皺(如箭頭所示)。
[0050]圖21是實(shí)施案例中，經(jīng)濃度為lmg/ml氧化石墨烯分散液浸泡的復(fù)合支架在150°C下加熱后產(chǎn)物的1000倍掃描電鏡(SEM)圖像，孔壁上褶皺更加明顯。
[0051]圖22是實(shí)施案例中，經(jīng)濃度為lmg/ml氧化石墨烯分散液浸泡的復(fù)合支架在150°C下加熱后產(chǎn)物的15000倍