CN105688285A - 一种石墨烯材料涂覆壳聚糖三维支架的制备方法 - Google Patents

一种石墨烯材料涂覆壳聚糖三维支架的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种具有不同还原程度氧化石墨烯涂层的壳聚糖支架的制备方法。具体包括通过冷冻干燥法制备具有多孔结构的壳聚糖支架材料，再浸泡在不同浓度的氧化石墨烯分散液中，将氧化石墨烯片通过静电相互作用以及氢键作用吸附在壳聚糖孔壁上，干燥，最后进行阶梯加热还原，得到力学强度得到很大提高，具有不同还原程度石墨烯涂层的壳聚糖支架，其在神经组织工程方面具有很好的应用前景。本发明的方法操作简单，可大量制备所需产品。

Description

一种石墨烯材料涂覆壳聚糖三维支架的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种制备具有不同还原程度的石墨烯涂覆壳聚糖支架的方法，本发明是利用氧化石墨烯片自组装原理以及含氧官能团与壳聚糖支架材料之间的静电以及氢键作用，实现了氧化石墨烯在壳聚糖支架上的涂覆，通过热还原方法最终得到具有组织工程应用前景的还原氧化石墨烯与壳聚糖的复合材料支架。
背景技术：
生命和再生工程，包括人类在未来实现操纵神经***、生物细胞和组织器官等的能力被认为是科学和工业界第六次科技革命所涉及的学科之一。其中再生技术作为第四次产业革命的重要技术，成为各国超前布局、抢占战略制高点，从而赢得主动、掌握核心专利所争相追逐的目标。
“组织工程”的概念最早是由美国国家科学基金会于1987年正式定义的，是应用细胞生物学、生物材料和工程学的原理，研究开发用于修复人体病损部位的一门科学。其研究领域涉及到了材料学、工程学及生命科学。近年来，组织工程材料的研究与开发一直是科研工作者们的关注热点，作为生物材料，它们必须满足以下这些条件：
(1)良好的生物相容性：无毒性、不引起炎症反应，同时，还要有利于种子细胞粘附、增殖和分化；
(2)具有三维多孔结构和较高的比表面积，可为细胞提供宽大的表面积和空间，以及营养物质和气体交换的能力；
(3)合适的机械强度；
(4)表面微环境的可调控性；
(5)易消毒；
(6)优良的生物可降解性。
而单一组分的材料往往不能满足以上所有条件，所以亟待研究开发能满足上述条件的生物材料。
石墨烯作为一种新型纳米材料，在生物医学领域具有极其广泛的潜在应用价值，比如：生物传感器，生物成像，光热理疗，药物运输，组织工程方面等等。它具有极其优异的力学、电学性能以及生物相容性，独特的物理化学性质能够提供细胞生长的细胞外基质条件，这是它作为组织工程支架材料的一个很大优势。目前，石墨烯材料(本征石墨烯、少层石墨烯膜、氧化石墨烯等)在组织工程方面研究主要集中在二维薄膜、石墨烯纳米片作为性能增强添加物、以及采用化学气相沉积技术制备石墨烯三维泡沫等。将石墨烯膜作为表面改性材料，制备基于石墨烯涂层的复合物三维支架材料的研究却寥寥无几。
壳聚糖作为一种天然聚阳离子生物多糖，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，关于其在组织工程方面的研究仍方兴未艾，但是作为具有生物活性的支架面临两个主要问题：(1)较低的力学性能往往难以承载组织及器官的生长；(2)不易被修饰，在细胞可控生长方面面临挑战。
目前，已经有科研工作者实现了在壳聚糖支架上涂覆磷灰石，在胶原蛋白支架上涂覆氧化石墨烯，它们都具有良好的生物相容性，也有科学家制备出了添加氧化石墨烯纳米片的壳聚糖支架，不仅力学强度得到了提高，而且具有很好的生物相容性。但是目前还没有结合简便易行的浸渍法、化学氧化法、低温阶梯加热还原方法，在传统聚合物壳聚糖三维支架上实现具有不同还原程度石墨烯膜的涂覆的报告。这项研究对于提高壳聚糖三维支架的生物活性、力学性能和电学性能具有重要的意义。
发明内容：
本发明提供了一种以壳聚糖支架作为基体，氧化石墨烯在基体上实现自组装，形成涂层，再通过热还原的办法，最终得到具有不同还原程度的石墨烯涂覆壳聚糖复合支架材料。本发明操作简单，能够实现大规模生产。
本发明具体步骤如下：
一种石墨烯材料涂覆壳聚糖三维支架的制备方法，步骤如下：
1)将壳聚糖粉末溶解在醋酸水溶液中，制备具有一定浓度的壳聚糖溶液；
2)将步骤1)中的壳聚糖溶液注入24孔板模具中，冷冻成型，然后用真空冷冻干燥机干燥，获得具有多孔结构的壳聚糖支架；
3)将步骤2)中的多孔支架浸泡在碱溶液中，中和残余醋酸，再用去离子水清洗至中性；在此冷冻干燥；
4)利用改良的Hummers法制备氧化石墨烯，将之与酒精混合，超声处理，得到具有不同浓度的氧化石墨烯分散液；
5)把步骤3)得到的壳聚糖支架浸入步骤4)得到的氧化石墨烯分散液中，最后在空气中干燥，得到复合支架；
6)把步骤5)中支架在真空环境中进行阶梯式加热，得到具有不同还原程度的氧化石墨烯涂层的壳聚糖支架。
步骤1)中所述壳聚糖溶液浓度为1～4％。
步骤1)中所用述醋酸水溶液浓度为2％(v/v)。
步骤2)中所用24孔板模具材质为聚苯乙烯；所述冷冻温度为-20℃，冷冻干燥温度为-60℃。
步骤3)中所用碱为氢氧化钠溶液，浓度为0.5mg/ml。
步骤4)中所用石墨粉为阿尔法公司生产的325目天然石墨鳞片；超声处理功率为350w，超声时间为1h，氧化石墨烯浓度为0～1mg/ml。
步骤6)中加热温度分别是60，120，150℃，每个温度段保持时间为12小时。
本发明的特征在于，解决了壳聚糖支架在氧化石墨烯水分散液中的聚沉问题，所制备样品的孔隙率基本保持在92％，产物通过扫描电子显微镜(SEM)观察，发现支架孔径较为均匀，孔洞取向有序度高，说明阶梯加热所制备的涂层对壳聚糖多孔结构基本无影响。氧化石墨烯涂覆的复合支架，孔壁有褶皱出现，说明孔壁上形成了石墨烯涂层。X-射线衍射(XRD)以及傅里叶变换红外吸收光谱(FTIR)测试结果也表明，150℃范围内加热对壳聚糖的相结构以及官能团影响不大。X射线光电子能谱(XPS)说明，不同还原温度下，得到了具有不同还原程度的氧化石墨烯涂层。而且，复合支架的压缩强度得到很大提高。
附图说明：
图1是实施实例中壳聚糖支架以及壳聚糖/氧化石墨烯复合支架在不同温度下加热后的光学照片，支架为直径1.3cm，高度9mm的圆柱体，从左到右的顺序是：CS-60℃、CS-120℃、CS-150℃，(经浓度为1mg/ml的氧化石墨烯分散液浸泡的壳聚糖/石墨烯复合支架)CS-GO-60℃、CS-GO-120℃、CS-GO-150℃。
图2是实施案例中的孔隙率测试结果。
图3是实施案例中，涂覆在玻璃片上的氧化石墨烯膜(GO)在不同温度下加热后产物的X射线衍射分析图。
图4是实施案例中，壳聚糖支架以及经浓度为1mg/ml氧化石墨烯分散液浸泡的壳聚糖/氧化石墨烯(CS/GO)复合支架在不同温度下加热后产物的X射线衍射分析图。
图5是实施案例中，涂覆在玻璃片上的氧化石墨烯膜(GO)，壳聚糖(CS)支架以及经浓度为1mg/ml氧化石墨烯分散液浸泡的壳聚糖/氧化石墨烯(CS/GO)复合支架在不同温度下加热后产物的傅里叶变换红外吸收光谱图。
图6是实施案例中，壳聚糖(CS)支架在150℃下加热后产物的C1s芯能级的XPS能谱图。
图7是实施案例中，壳聚糖(CS)支架在150℃下加热后产物的N1s芯能级的XPS能谱图。
图8是实施案例中，氧化石墨烯膜(GO)在60℃下加热后产物的C1s芯能级的XPS能谱图。
图9是实施案例中，氧化石墨烯膜(GO)在120℃下加热后产物的C1s芯能级的XPS能谱图。
图10是实施案例中，氧化石墨烯膜(GO)在150℃下加热后产物的C1s芯能级的XPS能谱图。
图11是实施案例中，经浓度为1mg/ml氧化石墨烯分散液浸泡的壳聚糖/氧化石墨烯(CS/GO)复合支架在60℃下加热后产物的C1s芯能级的XPS能谱图。
图12是实施案例中，经浓度为1mg/ml氧化石墨烯分散液浸泡的壳聚糖/氧化石墨烯(CS/GO)复合支架在60℃下加热后产物的N1s芯能级的XPS能谱图。
图13是实施案例中，经浓度为1mg/ml氧化石墨烯分散液浸泡的壳聚糖/氧化石墨烯(CS/GO)复合支架在120℃下加热后产物的C1s芯能级的XPS能谱图。
图14是实施案例中，经浓度为1mg/ml氧化石墨烯分散液浸泡的壳聚糖/氧化石墨烯(CS/GO)复合支架在120℃下加热后产物的N1s芯能级的XPS能谱图。
图15是实施案例中，经浓度为1mg/ml氧化石墨烯分散液浸泡的壳聚糖/氧化石墨烯(CS/GO)复合支架在150℃下加热后产物的C1s芯能级的XPS能谱图。
图16是实施案例中，经浓度为1mg/ml氧化石墨烯分散液浸泡的壳聚糖/氧化石墨烯(CS/GO)复合支架在150℃下加热后产物的N1s芯能级的XPS能谱图。
图17是实施案例中，壳聚糖支架在60℃下加热后产物的70倍扫描电镜(SEM)图像，图中可以看到孔径较为均匀，有序度高。
图18是实施案例中，壳聚糖支架在60℃下加热后产物的1000倍扫描电镜(SEM)图像，孔壁上未发现褶皱存在。
图19是实施案例中，经浓度为0.02mg/ml氧化石墨烯分散液浸泡的复合支架在60℃下加热后产物的1000倍扫描电镜(SEM)图像，可以看出,孔壁上出现褶皱样结构(如箭头所示)。
图20是实施案例中，经浓度为1mg/ml氧化石墨烯分散液浸泡的复合支架在60℃下加热后产物的1000倍扫描电镜(SEM)图像，发现孔壁上出现明显褶皱(如箭头所示)。
图21是实施案例中，经浓度为1mg/ml氧化石墨烯分散液浸泡的复合支架在150℃下加热后产物的1000倍扫描电镜(SEM)图像，孔壁上褶皱更加明显。
图22是实施案例中，经浓度为1mg/ml氧化石墨烯分散液浸泡的复合支架在150℃下加热后产物的15000倍扫描电镜(SEM)图像，表面层为还原氧化石墨烯膜。
图23是实施案例中的压缩强度测试对照表。
具体实施方式
下面结合实例进一步说明本发明的具体内容及其实施方式。
实施实例：
制备具有不同还原程度的石墨烯涂层与壳聚糖三维支架的复合材料，具体实验条件如下：
1)将壳聚糖粉末溶解在体积浓度为2％的冰醋酸溶液中，搅拌2h，配成浓度为4％(w/v)的壳聚糖溶液，超声处理1h，静置，脱除气泡。
2)将步骤(1)中的壳聚糖溶液注入模具中，在4℃环境中静置12h，再转移到-20℃的环境中冷冻处理24h，再放入冷冻干燥机中冷冻干燥48h。
3)将步骤(2)中的多孔支架浸泡在0.5％氢氧化钠溶液中，中和残余醋酸，再用去离子水浸泡、清洗至中性；再次冷冻干燥。
4)利用改良的Hummers法制备氧化石墨：
①将1.5g硝酸钠溶于69ml浓硫酸中，加入2g石墨，搅拌均匀。
②放入冰水浴中，缓慢加入高锰酸钾9g。
③冰水浴保持12小时。
④升温至40摄氏度，保持1小时。
⑤升温至60摄氏度，保持18h。
⑥冷却至室温，加入200ml冰水。
⑦滴加双氧水，至无气泡产生，溶液变成亮黄色。
⑧用盐酸离心清洗，再用去离子水离心清洗至上清液接近中性。
把得到的氧化石墨原液与无水乙醇混合，350w超声处理1h，配置浓度分别为0，0.02,0.1,1mg/ml的氧化石墨烯分散液。
5)把步骤(3)得到的壳聚糖支架浸入步骤(4)得到的氧化石墨烯分散液中，保持48h，用无水乙醇清洗数次，最后在空气中干燥，得到复合支架；
6)把步骤(5)中支架在真空环境中进行阶梯式加热：60℃下12h，120℃下12h，150℃下12h，得到具有不同还原程度的氧化石墨烯涂层的壳聚糖支架。
7)对复合支架进行XRD测试，孔隙率测试，FTIR测试，SEM测试，XPS测试，压缩强度测试。
根据上述发明所举的方法，可以制备出石墨烯材料涂覆的壳聚糖三维支架，其特征如下：
1)宏观光学图片上可以看出，氧化石墨烯分散液浸泡的纯壳聚糖支架，随着温度的升高，壳聚糖表面颜色变黄；涂覆了氧化石墨烯后，壳聚糖表面颜色变成褐色，随着加热温度的升高，逐渐变成了黑色。
2)采用酒精替代法对所制样品进行孔隙率分析，结果表明，所有支架(涂覆前后)孔隙率都保持在92％左右。随着使用的氧化石墨烯浓度的增加，孔隙率呈现略有减小的趋势。
3)X射线衍射分析显示，所有支架都具有壳聚糖的典型衍射峰：2θ＝14.9°和2θ＝20.4°，说明氧化石墨烯涂覆的壳聚糖经过阶梯加热，壳聚糖的相结构基本没有发生变化；相比于基体壳聚糖，氧化石墨烯含量很少，因此未能明显观测到复合支架中的(还原)氧化石墨烯衍射峰。其它条件相同，涂覆在玻璃片上的氧化石墨烯涂层，随着加热温度的提高，可以看到，衍射主峰由60℃时的12.04°移至13.65°(升温至120℃)以及23.52°(150℃的加热温度)，说明氧化石墨烯在逐渐被还原。
4)对所制样品进行傅里叶变换红外吸收光谱分析，发现所有支架都呈现出壳聚糖典型吸收峰：1085cm-1处为糖类的特征C-O伸缩振动吸收峰，1583cm-1处为酰胺Ⅰ峰带，1384cm-1处为酰胺Ⅱ峰带，2861cm-1处为壳聚糖烷基的C-H伸缩振动峰，3458cm-1处为-OH伸缩振动峰。未发现明显的氧化石墨烯吸收峰，这是由于氧化石墨烯含量相对壳聚糖来说非常少，吸收峰相对强度低。涂覆在玻璃片上的氧化石墨烯膜则呈现出氧化石墨烯的特征吸收峰：1035,1225,1627，1739cm-1分别对应于环氧基的C-O吸收峰，C-OH吸收峰，C＝C吸收峰和–COOH的C-O吸收峰，3455cm-1则对应O-H吸收峰。随着加热温度升高，氧化石墨烯膜对应的吸收峰强度都在下降，也说明氧化石墨烯在逐渐被还原。
5)为了进一步确定成分和结合状态，我们对制备的样品进行了X射线光电子能谱分析。结果表明，壳聚糖支架分别经经60℃、120℃、150℃不同温度处理后，C1s和N1s结合能峰位及峰形基本没有发生变化，说明低温加热没有改变壳聚糖的结构和成分。其中C元素的XPS能谱中，284.4eV的结合能对应于sp2C＝C，285.7eV、286.5eV、287.7eV分别对应于sp2N-C、C-O、C-O-C；N元素的XPS能谱中，399.1eV的结合能对应于吡啶氮。对氧化石墨烯胶体加热还原后的样品C1s的XPS谱图去卷积处理后结果表明，284.4eV、285.4eV、286.8eV、287.7eV、288.6eV和289.2eV可以分别归属为sp2C＝C、sp3C-C、C-OH、C-O-C、O＝C-OH和C＝O基团。对比经60℃、120℃、150℃加热还原处理的样品的C1s可以看出，高于120℃加热处理，石墨烯片上的环氧官能团发生了分解去氧化作用，高于150℃热还原可以有效去除样品中的氧含量，得到具有不同还原程度的石墨烯涂层。XPS分析结果与FTIR分析结果一致。涂覆石墨烯层的壳聚糖样品的C1s的XPS谱图经分峰处理后可以得到如下结果：284.0eV(sp2C-C)、284.4eV(sp2C＝C)、285.3eV(sp3C-C/sp2N-C)、286.7eV(C-OH)、287.8eV(C-O-C)、288.6(O＝C-OH)、289.6eV(C＝O)。从C1s的XPS谱图中可以看出，样品中的C1s既有来自于石墨烯中的碳芯能级能谱，又有壳聚糖中C元素的贡献结果，因此可以说吗石墨烯有效涂覆在了壳聚糖支架表面。在60℃还原温度下获得的涂覆石墨烯的壳聚糖样品中的N元素的化学环境为吡啶氮和石墨氮，120℃还原的样品中的N芯能级为399.2eV(吡啶氮)和400.5eV(石墨氮，graphitic-N1或吡咯氮，N-H),150℃还原后测试得到的N1s的XPS谱图对应于吡啶氮(399.4eV)。
6)采用扫描电子电镜分析所制备样品的表面形貌。可以看出，支架孔径均较为均匀，孔径尺寸在150-300μm之间，孔洞取向有序度高，呈柱状，说明石墨烯涂层及升温处理对壳聚糖的多孔结构影响不大。氧化石墨烯涂覆的复合支架，孔壁有褶皱出现，说明孔壁上形成了氧化石墨烯涂层，且随着加热温度的升高，褶皱程度增加，这是由于氧化石墨烯涂层逐渐被还原形成了典型的还原氧化石墨烯膜的缘故。
7)对所制备样品进行压缩强度测试，压缩比例为25％。可以看出，随着壳聚糖支架所浸泡GO分散液浓度的增加，加热温度的升高，支架的压缩强度是在逐渐增大的。经浓度为1mg/ml氧化石墨烯分散液浸泡的复合支架在150℃下加热后产物的压缩强度是纯壳聚糖支架60℃下加热后产物的1.7倍。这说明，氧化石墨烯涂层能很大程度上提高壳聚糖支架的力学性能。

Claims (7)

1.一种石墨烯材料涂覆壳聚糖三维支架的制备方法，步骤如下：
1)将壳聚糖粉末溶解在醋酸水溶液中，制备具有一定浓度的壳聚糖溶液；
2)将步骤1)中的壳聚糖溶液注入24孔板模具中，冷冻成型，然后用真空冷冻干燥机干燥，获得具有多孔结构的壳聚糖支架；
3)将步骤2)中的多孔支架浸泡在碱溶液中，中和残余醋酸，再用去离子水清洗至中性,再次冷冻干燥；
4)利用改良的Hummers法制备氧化石墨烯，将之与无水乙醇混合，超声处理，得到具有不同浓度的氧化石墨烯分散液；
5)把步骤3)得到的壳聚糖支架浸入步骤4)得到的氧化石墨烯分散液中，最后在空气中干燥，得到复合支架；
6)把步骤5)中支架在真空环境中进行阶梯式加热，得到具有不同还原程度的氧化石墨烯涂层的壳聚糖支架。
2.根据权利要求1所述一种石墨烯材料涂覆壳聚糖三维支架的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述壳聚糖溶液浓度为1～4％(w/v)。
3.根据权利要求1所述一种石墨烯材料涂覆壳聚糖三维支架的制备方法，其特征在于，步骤1)中所用述醋酸水溶液浓度为2％(v/v)。
4.根据权利要求书1所述一种石墨烯材料涂覆壳聚糖三维支架的制备方法，其特征在于，步骤2)中所用24孔板模具材质为聚苯乙烯；所述冷冻温度为-20℃，冷冻干燥温度为-60℃。
5.根据权利要求书1所述一种石墨烯材料涂覆壳聚糖三维支架的制备方法，其特征在于，步骤3)所用碱为NaOH，碱浓度为0.5mg/ml。
6.根据权利要求书1所述一种石墨烯材料涂覆壳聚糖三维支架的制备方法，其特征在于，步骤4)所用石墨粉为阿尔法公司生产的325目天然石墨鳞片；超声处理功率为350w，超声时间为1h；氧化石墨烯浓度为0～1mg/ml。
7.根据权利要求书1所述一种石墨烯材料涂覆壳聚糖三维支架的制备方法，其特征在于，步骤(6)中加热温度分别是60，120，150℃，每个温度段时间为12小时。
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