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】
:
[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與殼聚糖支架材料之間的靜電以及氫鍵作用，實現(xiàn)了氧化石墨烯在殼聚糖支架上的涂覆，通過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)】
:
[0002]生命和再生工程，包括人類在未來實現(xiàn)操縱神經(jīng)系統(tǒng)、生物細胞和組織器官等的能力被認為是科學(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)，成為各國超前布局、搶占戰(zhàn)略制高點，從而贏得主動、掌握核心專利所爭相追逐的目標(biāo)。
[0003]“組織工程”的概念最早是由美國國家科學(xué)基金會于1987年正式定義的，是應(yīng)用細胞生物學(xué)、生物材料和工程學(xué)的原理，研究開發(fā)用于修復(fù)人體病損部位的一門科學(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，組織工程材料的研究與開發(fā)一直是科研工作者們的關(guān)注熱點，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:無毒性、不引起炎癥反應(yīng)，同時，還要有利于種子細胞粘附、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，可為細胞提供寬大的表面積和空間，以及營養(yǎng)物質(zhì)和氣體交換的能力；
[0006](3)合適的機械強度；
[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)用價值，比如:生物傳感器，生物成像，光熱理療，藥物運輸，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，獨特的物理化學(xué)性質(zhì)能夠提供細胞生長的細胞外基質(zhì)條件，這是它作為組織工程支架材料的一個很大優(yōu)勢。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幾。
[0012]殼聚糖作為一種天然聚陽離子生物多糖，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主要問題:(I)較低的力學(xué)性能往往難以承載組織及器官的生長；(2)不易被修飾，在細胞可控生長方面面臨挑戰(zhàn)。
[0013]目前，已經(jīng)有科研工作者實現(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)強度得到了提高，而且具有很好的生物相容性。但是目前還沒有結(jié)合簡便易行的浸漬法、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現(xiàn)具有不同還原程度石墨烯膜的涂覆的報告。這項研究對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】

:
[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現(xiàn)自組裝，形成涂層，再通過熱還原的辦法，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，每個溫度段保持時間為12小時。
[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題，所制備樣品的孔隙率基本保持在92%，產(chǎn)物通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察，發(fā)現(xiàn)支架孔徑較為均勻，孔洞取向有序度高，說明階梯加熱所制備的涂層對殼聚糖多孔結(jié)構(gòu)基本無影響。氧化石墨烯涂覆的復(fù)合支架，孔壁有褶皺出現(xiàn)，說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)測試結(jié)果也表明，150 °C范圍內(nèi)加熱對殼聚糖的相結(jié)構(gòu)以及官能團影響不大。X射線光電子能譜(XPS)說明，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)合支架的壓縮強度得到很大提高。【附圖說明】:
[0030]圖1是實施實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是實施案例中的孔隙率測試結(jié)果。
[0032]圖3是實施案例中，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芯能級的XPS能譜圖。
[0036]圖7是實施案例中，殼聚糖(CS)支架在150°C下加熱后產(chǎn)物的Nls芯能級的XPS能譜圖。
[0037]圖8是實施案例中，氧化石墨烯膜(GO)在60°C下加熱后產(chǎn)物的Cls芯能級的XPS能譜圖。
[0038]圖9是實施案例中，氧化石墨烯膜(GO)在120°C下加熱后產(chǎn)物的Cls芯能級的XPS能譜圖。
[0039]圖10是實施案例中，氧化石墨烯膜(GO)在150°C下加熱后產(chǎn)物的Cls芯能級的XPS
能譜圖。
[0040]圖11是實施案例中，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芯能級的XPS能譜圖。
[0041]圖12是實施案例中，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芯能級的XPS能譜圖。
[0042]圖13是實施案例中，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芯能級的XPS能譜圖。
[0043]圖14是實施案例中，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芯能級的XPS能譜圖。
[0044]圖15是實施案例中，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芯能級的XPS能譜圖。
[0045]圖16是實施案例中，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芯能級的XPS能譜圖。
[0046]圖17是實施案例中，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