一種醫(yī)用抑菌型氧化石墨烯多孔復(fù)合材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種醫(yī)用抑菌型氧化石墨烯多孔復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：（1）制備氧化石墨烯/海藻酸鈉/明膠共混溶膠；（2）對共混溶膠進(jìn)行鈣離子交聯(lián)；（3）制備醫(yī)用抑菌型氧化石墨烯多孔復(fù)合材料。本發(fā)明所述的方法制備得到的氧化石墨烯多孔復(fù)合材料機(jī)械性能好、組織結(jié)構(gòu)規(guī)整、孔隙率高及生物相容性好，非常適用于吸附過濾、藥物載體、醫(yī)用敷料等生物醫(yī)用領(lǐng)域。
【專利說明】一種醫(yī)用抑菌型氧化石墨烯多孔復(fù)合材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種醫(yī)用抑菌型氧化石墨烯多孔復(fù)合材料的制備方法，屬于功能性材料科學(xué)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]多孔材料具備開放連通的孔道結(jié)構(gòu)、超高的比表面積，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了它具備出色的吸附能力。同時(shí)，作為醫(yī)用材料使用，多孔材料因其開放的連通孔道結(jié)構(gòu)有利水分、養(yǎng)料的傳輸和代謝物的排放，可促進(jìn)組織再生與重建，且獨(dú)特的多孔結(jié)構(gòu)可改善其自身的生物相容性。而作為藥物載體，多孔材料不僅具有藥物裝載量高、分散均勻、材料降解周期短等優(yōu)勢，同時(shí)起到藥物緩釋效果，可延長藥效、減少服藥次數(shù)、緩和病人情緒(Adv DrugDeliv Rev, 2007, 59，187-206)。所以多孔材料用于藥物載體、醫(yī)用敷料或醫(yī)用吸附劑，其優(yōu)勢明顯，正受到日益重視。而作為醫(yī)用材料，其使用過程都具有易感染、周期長的特點(diǎn)，所以對材料的抑菌性能提出了較高要求。單一組分的多孔材料，往往孔道雜亂無規(guī)，孔徑分布不均，機(jī)械強(qiáng)度不足，降解性能不佳，生物相容性差，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了它的性能缺陷，并嚴(yán)重限制了該類材料的應(yīng)用。而利用不同性質(zhì)的原材料復(fù)合制備多孔材料，可集中各組分的優(yōu)勢，制備得到綜合性能更優(yōu)越的復(fù)合材料，以滿足醫(yī)用和藥用材料的各類性能要求。
[0003]石墨烯是由單層碳原子緊密堆積構(gòu)成的二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)的新型碳基材料，具有較高的比表面積(理論值高達(dá)2600m2/g)及優(yōu)越的力學(xué)性能(1060GPa)，它是目前世界上最薄且強(qiáng)度最高的材料。氧化石墨烯是石墨烯的一種重要派生物。本方法中的氧化石墨烯是采用改進(jìn)型Hummers法制備，即在強(qiáng)酸等強(qiáng)氧化劑作用下，氧原子插層進(jìn)入石墨層間，通過超聲剝離，得到含有_C=0、-C-0H、-COOH等含氧官能團(tuán)的氧化石墨烯，這些豐富的氧基官能團(tuán)為氧化石墨烯醫(yī)用材料的制備提供了充足的反應(yīng)位點(diǎn)。此外，研究表明，氧化石墨烯具有良好的抑菌性和生物相容性(AC`S Nano, 2011，6971-6980)，這使得其可以作為一個(gè)理想的載體構(gòu)建新型的抑菌體系，同時(shí)，有望作為醫(yī)用吸附材料及組織工程支架材料。天然高分子材料海藻酸鈉和明膠，生物相容性良好、本身無毒、可降解成無毒小分子并被排出體外、力學(xué)性能好、容易成型，已在醫(yī)療行業(yè)作為醫(yī)用敷料、生物支架等得到廣泛應(yīng)用。中國發(fā)明專利(CN100457989C) “高強(qiáng)度海藻酸/明膠共混纖維的制備方法”中，即公開了一種高強(qiáng)度海藻酸/明膠共混纖維的制備方法。具體步驟是先將海藻酸鈉溶液和明膠溶液以一定體積比混合，攪拌均勻，然后采用濕法紡絲經(jīng)過金屬凝固浴和酸凝固浴，制得共混纖維，此方法制備的纖維的交聯(lián)度和斷裂強(qiáng)度得到提高，物理機(jī)械性能有所改善。采用此纖維制備的無紡布可作為醫(yī)用紗布、敷料等醫(yī)用材料。
[0004]本發(fā)明將氧化石墨烯、海藻酸鈉和明膠復(fù)合制備醫(yī)用多孔材料，該材料可將各組分優(yōu)勢組合優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)無機(jī)和有機(jī)材料的理想結(jié)合，賦予該復(fù)合材料良好的機(jī)械強(qiáng)度，優(yōu)異的吸附性、抑菌性、生物相容性和生物可降解性。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]本發(fā)明的技術(shù)目的在于提供一種制備方法簡單，所得產(chǎn)物性能優(yōu)越的醫(yī)用抑菌型氧化石墨烯多孔復(fù)合材料的制備方法。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為:
一種醫(yī)用抑菌型氧化石墨烯多孔復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟:
(1)制備氧化石墨烯/海藻酸鈉/明膠共混溶膠:將濃度為0.5~10wt%的明膠溶液加入濃度為0.5~6wt%的海藻酸鈉溶液中，攪拌均勻，再加入濃度為0.25~5wt%的氧化石墨烯溶液，再次攪拌，之后將攪拌后的溶液調(diào)節(jié)PH值至4.5~7.0，得到氧化石墨烯/海藻酸鈉/明膠共混溶膠； (2)對共混溶膠進(jìn)行鈣離子交聯(lián):向共混溶膠中加入濃度為0.2~5wt%的碳酸鈣均勻分散液，混合攪拌后，向攪拌后的復(fù)合溶膠中滴加酸溶液，再次攪拌均勻即轉(zhuǎn)入模具靜置交聯(lián)；
(3)制備醫(yī)用抑菌型氧化石墨烯多孔復(fù)合材料:將步驟(2)交聯(lián)反應(yīng)后的共混溶膠轉(zhuǎn)變成凝膠后，再進(jìn)行冷凍干燥，制得醫(yī)用抑菌型氧化石墨烯多孔復(fù)合材料。
[0007]進(jìn)一步，上述組分按照重量比，氧化石墨烯占0.5-4份，海藻酸鈉占2-8份，明膠占2-8 份。
[0008]而在步驟(2)交聯(lián)反應(yīng)中，所述酸溶液與碳酸鈣的摩爾比為1:1~3:1。所述酸溶液為醋酸溶液。且1丐離子為海藻酸鈉質(zhì)量的0.5%~20%。
[0009]此外，在所述步驟(1)中采用稀鹽酸、醋酸、乳酸和檸檬酸中的一種或多種調(diào)節(jié)溶液的PH值。
[0010]且在所述步驟⑴中，將明膠溶液加入海藻酸鈉溶液后，在35~70°C的條件下，以400~800r/min的速度磁力攪拌30~90min,隨后將氧化石墨烯溶液以I~10ml/min的速度加入上述溶液中，并攪拌30min以上，再調(diào)節(jié)pH值。
[0011]同時(shí)，在所述步驟(2)中，向共混溶膠中加入碳酸鈣均勻分散液后，混合攪拌10~60min，再向復(fù)合溶膠中滴加酸溶液，攪拌均勻即轉(zhuǎn)入模具靜置交聯(lián)30~720min。
[0012]而在步驟(1)中所述氧化石墨烯由改進(jìn)型Hmnmers法得到,該方法采用的氧化劑為過硫酸鉀、五氧化二磷、硝酸鈉、濃硫酸、磷酸和高錳酸鉀中的一種或多種。
[0013]本方法選用氧化石墨烯、海藻酸鈉和明膠作為多孔復(fù)合材料的組分，其依據(jù)在于:氧化石墨烯豐富的含氧官能團(tuán)能夠與海藻酸鈉、明膠活性基團(tuán)形成牢固的共價(jià)鍵、靜電引力或氫鍵結(jié)合；而海藻酸鈉中的G單元與鈣離子生成的“蛋盒”結(jié)構(gòu)狀不可逆凝膠成為復(fù)合材料的骨架結(jié)構(gòu)。氧化石墨烯較高的強(qiáng)度為多孔復(fù)合材料的力學(xué)性能提供了保障，其層狀結(jié)構(gòu)和超大的比表面積為海藻酸鈉和明膠的穿插提供良好的通道，同時(shí)，海藻酸鈉和明膠的加入也利于氧化石墨烯層狀結(jié)構(gòu)的剝離和均勻分散。此外，該材料又可將各組分優(yōu)勢組合優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)無機(jī)和有機(jī)材料的理想結(jié)合，賦予其良好的機(jī)械強(qiáng)度，優(yōu)異的吸附性、抑菌性、生物相容性和生物可降解性。
[0014]本發(fā)明的有益效果在于:
(1)本發(fā)明所用材料均為天然物質(zhì)，來源豐富、價(jià)格低廉、綠色環(huán)保；
(2)制得的醫(yī)用抑菌型氧化石墨烯多孔復(fù)合材料機(jī)械性能好、組織規(guī)整、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、孔隙率高、生物相容性好，且該復(fù)合材料在水、弱酸和常見鹽溶液中溶脹度高，并可保持形態(tài)穩(wěn)定，可重復(fù)利用；(3)鑒于醫(yī)用抑菌型氧化石墨烯多孔復(fù)合材料的高比表面積、高組分活性、良好抑菌性、生物相容性和生物可降解性，可在吸附過濾、藥物載體和醫(yī)用敷料等領(lǐng)域廣泛使用；
(4)本發(fā)明的制備方法簡單易行、流程較短、操作易控，適于推廣使用。
【專利附圖】

【附圖說明】/
[0015]圖1為實(shí)施例1制備的多孔復(fù)合材料和各組分的紅外光譜圖；
圖2為在橢圓柱狀模具中交聯(lián)成型的多孔復(fù)合材料形狀示意圖；
圖3為實(shí)施例1制備的多孔復(fù)合材料的掃描電鏡圖；
圖4為在圖3基礎(chǔ)上進(jìn)一步放大的掃描電鏡圖；
圖5為在圖4基礎(chǔ)上進(jìn)一步放大的掃描電鏡圖；
圖6為在圖5基礎(chǔ)上進(jìn)一步放大的掃描電鏡圖；
圖7為實(shí)施例1制備的多孔復(fù)合材料的靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué)曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]為了闡明本發(fā)明的技術(shù)方案及技術(shù)目的，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的介紹。
[0017]實(shí)施例1:
先將濃度為0.5wt%的明膠溶液混入濃度為4wt%的海藻酸鈉溶液中，在35°C中，以400r/min磁力攪拌90min,隨后將濃度為2wt%的氧化石墨烯溶液以lml/min的速度加入上述溶液中，攪拌30min之后，用體積濃度1%醋酸溶液調(diào)節(jié)混合溶液pH值至5.74，靜置脫泡，即得到氧化石墨烯/海藻酸鈉/明膠共混溶膠。
[0018]然后向共混溶膠中緩慢滴加濃度為lwt%的碳酸鈣均勻分散液，混合攪拌60min后，向復(fù)合溶膠中緩慢滴加體積濃度為1%的醋酸溶液，攪拌均勻即轉(zhuǎn)入模具靜置交聯(lián)240min,共混溶膠轉(zhuǎn)變成凝膠，冷凍干燥，得到醫(yī)用抑菌型氧化石墨烯多孔復(fù)合材料。
[0019]實(shí)施例2:
先將濃度為7wt%的明膠溶液混入濃度為lwt%的海藻酸鈉溶液中，在50°C中，以600r/min磁力攪拌60min。隨后將濃度為2wt%的氧化石墨烯溶液以4ml/min的速度加入上述溶液中，攪拌45min，再用體積濃度0.5%的鹽酸溶液調(diào)節(jié)pH值為5.78，靜置脫泡后，得到氧化
石墨烯/海藻酸鈉/明膠共混溶膠。
[0020]然后向共混溶膠中緩慢滴加濃度為5wt%的的碳酸鈣均勻分散液，混合攪拌IOmin后，向復(fù)合溶膠中緩慢滴加體積濃度為5%的醋酸溶液，攪拌均勻即轉(zhuǎn)入模具交聯(lián)720min，共混溶膠轉(zhuǎn)變成凝膠，冷凍干燥，即得到醫(yī)用抑菌型氧化石墨烯多孔復(fù)合材料。
[0021]實(shí)施例3:
先將濃度為2wt%的明膠溶液混入濃度為1.5wt%的海藻酸鈉溶液中，在55°C中，以800r/min磁力攪拌40min。隨后將濃度為2wt%的氧化石墨烯溶液以6ml/min的速度加入上述溶液中，攪拌90min，用體積濃度1%醋酸溶液調(diào)節(jié)pH值至4.66，靜置脫泡，得到氧化石
墨烯/海藻酸鈉/明膠共混溶膠。
[0022]然后向共混溶液中加入濃度為2.5wt%的碳酸鈣均勻分散液，混合攪拌30min后，向復(fù)合溶膠中緩慢滴加體積濃度為2.5%醋酸溶液，攪拌均勻即轉(zhuǎn)入模具靜置交聯(lián)90min，共混溶膠轉(zhuǎn)變成凝膠，冷凍干燥后，得到醫(yī)用抑菌型氧化石墨烯多孔復(fù)合材料。
[0023]本發(fā)明列舉但并不限于以上列出的具體實(shí)施例方案。通過上述制備過程所得到的醫(yī)用抑菌型氧化石墨烯多孔復(fù)合材料，主要含有氧化石墨烯、海藻酸鈉、和明膠等幾種組分，其最終的組分構(gòu)成，按照重量比，氧化石墨烯約占0.5-4份，海藻酸鈉約占2-8份，明膠占2-8份左右。
[0024]以上述實(shí)施例1制得的醫(yī)用抑菌型氧化石墨烯多孔復(fù)合材料為例，進(jìn)行進(jìn)一步地研究和分析，如圖1所示，圖1中曲線d為多孔復(fù)合材料的紅外光譜曲線圖，曲線a、b、c分別為海藻酸鈉、明膠和氧化石墨烯的紅外光譜曲線圖，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯/海藻酸鈉/明膠復(fù)合材料的紅外光譜中分別于1640.3cm-1和1541.2^1處出現(xiàn)了明顯的酰胺I帶(σ C=O)和酰胺II帶(δ N-H)吸收峰，它來自于明膠但強(qiáng)度又略大于明膠，推測可能為氧化石墨烯或海藻酸鈉與明膠分子間生成部分酰胺鍵導(dǎo)致。同時(shí)，氧化石墨烯/海藻酸鈉/明膠復(fù)合材料中1415CHT1、1032.2cm_1處分別為各組分中-OH的彎曲振動(dòng)峰和C-O的伸縮振動(dòng)峰。此外，屬于各組分中-OH或N-H的伸縮振動(dòng)峰在氧化石墨烯/海藻酸鈉/明膠復(fù)合材料(曲線d)中明顯向高波數(shù)方向偏移到了 3472.1cm—1，且峰形略變寬，這表明復(fù)合材料三組分間有氫鍵結(jié)合。因此，氧化石墨烯/海藻酸鈉/明膠復(fù)合材料各組分間有化學(xué)作用力的結(jié)合，這為復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定提供基本保證。
[0025]圖2為在橢圓柱形模具內(nèi)成型的氧化石墨烯/海藻酸鈉/明膠復(fù)合材料的外觀形狀示意圖，材料的形狀可隨模具形狀任意成型。成型后的材料表面粗糙，呈密集微孔形貌，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度較大。
[0026]圖3至圖6為氧化石墨烯/海藻酸鈉/明膠復(fù)合材料的掃描電鏡圖(表面形貌)。由圖3、4、5可見復(fù)合材料為三維網(wǎng)絡(luò)孔洞互穿結(jié)構(gòu)，孔洞排列比較規(guī)整，孔徑分布在50~200 μ m (微米)。海藻酸鈣絡(luò)合物凝膠在復(fù)合材料中充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)支架，明膠、氧化石墨烯或二者復(fù)合物則均勻的分布于網(wǎng)絡(luò)支架中，形成孔壁進(jìn)而構(gòu)建了復(fù)合材料的網(wǎng)絡(luò)多孔結(jié)構(gòu)。圖6為孔內(nèi)壁形貌，所示波浪起伏狀物質(zhì)為典型的氧化石墨烯表面形貌，可見氧化石墨烯有相當(dāng)部分都分布于孔壁表面，可確保材`料活性。復(fù)合材料的原料組成及上述的結(jié)構(gòu)特征，使其具備出色的吸附性能，同時(shí)具有良好的形態(tài)穩(wěn)定性、抑菌性、生物相容性和生物可降解性，這些都是作為醫(yī)用材料的必備條件。
[0027]圖7為多孔復(fù)合材料的靜態(tài)吸附動(dòng)力學(xué)曲線圖，圖中所給Pb2+和Cu2+溶液的初始濃度均為500mg/L，pH=5.5，吸附溫度為30°C。由圖可見Pb2+飽和吸附時(shí)間約需6h，而Cu2+僅需4h達(dá)到吸附飽和值；Pb2+飽和吸附量為144.6mg/g, Cu2+飽和吸附量為81.7mg/g, Pb2+飽和吸附量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Cu2+，這與本發(fā)明最初設(shè)想相符，該氧化石墨烯多孔復(fù)合材料對重金屬離子具備優(yōu)異的吸附能力。同時(shí)有望作為醫(yī)用吸附材料用于患者體內(nèi)外有毒物質(zhì)的吸附和清除(肌肝、尿素等)。
[0028]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.一種醫(yī)用抑菌型氧化石墨烯多孔復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)制備氧化石墨烯/海藻酸鈉/明膠共混溶膠:將濃度為0.5~10wt%的明膠溶液加入濃度為0.5~6wt%的海藻酸鈉溶液中，攪拌均勻，再加入濃度為0.25~5wt%的氧化石墨烯溶液，再次攪拌，隨后將攪拌后的溶液PH值調(diào)至4.5~7.0，得到氧化石墨烯/海藻酸鈉/明膠共混溶膠； (2)對共混溶膠進(jìn)行鈣離子交聯(lián):向共混溶膠中加入濃度為0.2~5wt%的碳酸鈣均勻分散液，混合攪拌后，向攪拌后的復(fù)合溶膠中滴加酸溶液，再次攪拌均勻即轉(zhuǎn)入模具靜置交聯(lián)； (3)制備醫(yī)用抑菌型氧化石墨烯多孔復(fù)合材料:將步驟(2)交聯(lián)反應(yīng)后的共混溶膠轉(zhuǎn)變成凝膠后，再進(jìn)行冷凍干燥，制得醫(yī)用抑菌型氧化石墨烯多孔復(fù)合材料。
2.根據(jù)權(quán)利I所述的醫(yī)用抑菌型氧化石墨烯多孔復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，上述組分按照重量比，氧化石墨烯占0.5-4份，海藻酸鈉占2-8份，明膠占2-8份。
3.根據(jù)權(quán)利I所述的一種醫(yī)用抑菌型氧化石墨烯多孔復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟(2)交聯(lián)反應(yīng)中，所述酸溶液與碳酸鈣的摩爾比為1:1~3:1。
4.根據(jù)權(quán)利I或3所述的一種醫(yī)用抑菌型氧化石墨烯多孔復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟(2)交聯(lián)反應(yīng)中，所述酸溶液為醋酸溶液。
5.根據(jù)權(quán)利I所述的一種醫(yī)用抑菌型氧化石墨烯多孔復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，在步驟(2)的交聯(lián)反應(yīng)中，鈣離子為海藻酸鈉質(zhì)量的0.5%~20%。
6.根據(jù)權(quán)利I所述的一種醫(yī)用抑菌型氧化石墨烯多孔復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，在所述步驟(1)中采用稀鹽酸、醋酸、乳酸和檸檬酸中的一種或多種調(diào)節(jié)溶液的PH值。
7.根據(jù)權(quán)利I所述的一種醫(yī)用抑菌型氧化石墨烯多孔復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，在所述步驟(1)中，將明膠溶液加入海藻酸鈉溶液后，在35~70°C的條件下，以400~800r/min的速度磁力攪拌30~90min,隨后將氧化石墨烯溶液以I~10ml/min的速度加入上述溶液中，并攪拌30min以上，再調(diào)節(jié)pH值。
8.根據(jù)權(quán)利I所述的一種醫(yī)用抑菌型氧化石墨烯多孔復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，在所述步驟(2)中，向共混溶膠中加入碳酸鈣均勻分散液后，混合攪拌10~60min，再向復(fù)合溶膠中滴加酸溶液，攪拌均勻即轉(zhuǎn)入模具靜置交聯(lián)30~720min。
9.根據(jù)權(quán)利I所述的一種醫(yī)用抑菌型氧化石墨烯多孔復(fù)合材料的制備方法，其特征在于，步驟(1)中所述氧化石墨烯由改進(jìn)型Hummers法得到，該方法采用的氧化劑為過硫酸鉀、五氧化二磷、硝酸鈉、濃硫酸、磷酸和高錳酸鉀中的一種或多種。
【文檔編號】C08K3/26GK103483617SQ201310483276
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年10月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月16日
【發(fā)明者】陳宇岳, 焦晨璐, 熊佳慶, 林紅 申請人:蘇州大學(xué)