一種醫用抑菌型氧化石墨烯多孔復合材料的制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種醫用抑菌型氧化石墨烯多孔復合材料的制備方法，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）對共混溶膠進行鈣離子交聯；（3）制備醫用抑菌型氧化石墨烯多孔復合材料。本發明所述的方法制備得到的氧化石墨烯多孔復合材料機械性能好、組織結構規整、孔隙率高及生物相容性好，非常適用于吸附過濾、藥物載體、醫用敷料等生物醫用領域。
【專利說明】一種醫用抑菌型氧化石墨烯多孔復合材料的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種醫用抑菌型氧化石墨烯多孔復合材料的制備方法，屬于功能性材料科學領域。
【背景技術】
[0002]多孔材料具備開放連通的孔道結構、超高的比表面積，結構特點決定了它具備出色的吸附能力。同時，作為醫用材料使用，多孔材料因其開放的連通孔道結構有利水分、養料的傳輸和代謝物的排放，可促進組織再生與重建，且獨特的多孔結構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勢，同時起到藥物緩釋效果，可延長藥效、減少服藥次數、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、醫用敷料或醫用吸附劑，其優勢明顯，正受到日益重視。而作為醫用材料，其使用過程都具有易感染、周期長的特點，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，孔徑分布不均，機械強度不足，降解性能不佳，生物相容性差，其結構特點決定了它的性能缺陷，并嚴重限制了該類材料的應用。而利用不同性質的原材料復合制備多孔材料，可集中各組分的優勢，制備得到綜合性能更優越的復合材料，以滿足醫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成的二維蜂窩狀結構的新型碳基材料，具有較高的比表面積(理論值高達2600m2/g)及優越的力學性能(1060GPa)，它是目前世界上最薄且強度最高的材料。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型Hummers法制備，即在強酸等強氧化劑作用下，氧原子插層進入石墨層間，通過超聲剝離，得到含有_C=0、-C-0H、-COOH等含氧官能團的氧化石墨烯，這些豐富的氧基官能團為氧化石墨烯醫用材料的制備提供了充足的反應位點。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理想的載體構建新型的抑菌體系，同時，有望作為醫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、力學性能好、容易成型，已在醫療行業作為醫用敷料、生物支架等得到廣泛應用。中國發明專利(CN100457989C) “高強度海藻酸/明膠共混纖維的制備方法”中，即公開了一種高強度海藻酸/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度和斷裂強度得到提高，物理機械性能有所改善。采用此纖維制備的無紡布可作為醫用紗布、敷料等醫用材料。
[0004]本發明將氧化石墨烯、海藻酸鈉和明膠復合制備醫用多孔材料，該材料可將各組分優勢組合優化，實現無機和有機材料的理想結合，賦予該復合材料良好的機械強度，優異的吸附性、抑菌性、生物相容性和生物可降解性。
【發明內容】
[0005]本發明的技術目的在于提供一種制備方法簡單，所得產物性能優越的醫用抑菌型氧化石墨烯多孔復合材料的制備方法。
[0006]為實現上述技術目的，本發明所提供的技術方案為:
一種醫用抑菌型氧化石墨烯多孔復合材料的制備方法，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節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)對共混溶膠進行鈣離子交聯: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，向攪拌后的復合溶膠中滴加酸溶液，再次攪拌均勻即轉入模具靜置交聯；
(3)制備醫用抑菌型氧化石墨烯多孔復合材料:將步驟(2)交聯反應后的共混溶膠轉變成凝膠后，再進行冷凍干燥，制得醫用抑菌型氧化石墨烯多孔復合材料。
[0007]進一步，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)交聯反應中，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節溶液的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，再調節pH值。
[0011]同時，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，再向復合溶膠中滴加酸溶液，攪拌均勻即轉入模具靜置交聯30~720min。
[0012]而在步驟(1)中所述氧化石墨烯由改進型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合材料的組分，其依據在于:氧化石墨烯豐富的含氧官能團能夠與海藻酸鈉、明膠活性基團形成牢固的共價鍵、靜電引力或氫鍵結合；而海藻酸鈉中的G單元與鈣離子生成的“蛋盒”結構狀不可逆凝膠成為復合材料的骨架結構。氧化石墨烯較高的強度為多孔復合材料的力學性能提供了保障，其層狀結構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，海藻酸鈉和明膠的加入也利于氧化石墨烯層狀結構的剝離和均勻分散。此外，該材料又可將各組分優勢組合優化，實現無機和有機材料的理想結合，賦予其良好的機械強度，優異的吸附性、抑菌性、生物相容性和生物可降解性。
[0014]本發明的有益效果在于:
(1)本發明所用材料均為天然物質，來源豐富、價格低廉、綠色環保；
(2)制得的醫用抑菌型氧化石墨烯多孔復合材料機械性能好、組織規整、結構穩定、孔隙率高、生物相容性好，且該復合材料在水、弱酸和常見鹽溶液中溶脹度高，并可保持形態穩定，可重復利用；(3)鑒于醫用抑菌型氧化石墨烯多孔復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、藥物載體和醫用敷料等領域廣泛使用；
(4)本發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為實施例1制備的多孔復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成型的多孔復合材料形狀示意圖；
圖3為實施例1制備的多孔復合材料的掃描電鏡圖；
圖4為在圖3基礎上進一步放大的掃描電鏡圖；
圖5為在圖4基礎上進一步放大的掃描電鏡圖；
圖6為在圖5基礎上進一步放大的掃描電鏡圖；
圖7為實施例1制備的多孔復合材料的靜態吸附動力學曲線圖。
【具體實施方式】
[0016]為了闡明本發明的技術方案及技術目的，下面結合附圖及具體實施例對本發明做進一步的介紹。
[0017]實施例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%醋酸溶液調節混合溶液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，攪拌均勻即轉入模具靜置交聯240min,共混溶膠轉變成凝膠，冷凍干燥，得到醫用抑菌型氧化石墨烯多孔復合材料。
[0019]實施例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%的鹽酸溶液調節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，攪拌均勻即轉入模具交聯720min，共混溶膠轉變成凝膠，冷凍干燥，即得到醫用抑菌型氧化石墨烯多孔復合材料。
[0021]實施例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%醋酸溶液調節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，攪拌均勻即轉入模具靜置交聯90min，共混溶膠轉變成凝膠，冷凍干燥后，得到醫用抑菌型氧化石墨烯多孔復合材料。
[0023]本發明列舉但并不限于以上列出的具體實施例方案。通過上述制備過程所得到的醫用抑菌型氧化石墨烯多孔復合材料，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]以上述實施例1制得的醫用抑菌型氧化石墨烯多孔復合材料為例，進行進一步地研究和分析，如圖1所示，圖1中曲線d為多孔復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，經對比發現，氧化石墨烯/海藻酸鈉/明膠復合材料的紅外光譜中分別于1640.3cm-1和1541.2^1處出現了明顯的酰胺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致。同時，氧化石墨烯/海藻酸鈉/明膠復合材料中1415CHT1、1032.2cm_1處分別為各組分中-OH的彎曲振動峰和C-O的伸縮振動峰。此外，屬于各組分中-OH或N-H的伸縮振動峰在氧化石墨烯/海藻酸鈉/明膠復合材料(曲線d)中明顯向高波數方向偏移到了 3472.1cm—1，且峰形略變寬，這表明復合材料三組分間有氫鍵結合。因此，氧化石墨烯/海藻酸鈉/明膠復合材料各組分間有化學作用力的結合，這為復合材料的結構穩定提供基本保證。
[0025]圖2為在橢圓柱形模具內成型的氧化石墨烯/海藻酸鈉/明膠復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，其結構穩定，機械強度較大。
[0026]圖3至圖6為氧化石墨烯/海藻酸鈉/明膠復合材料的掃描電鏡圖(表面形貌)。由圖3、4、5可見復合材料為三維網絡孔洞互穿結構，孔洞排列比較規整，孔徑分布在50~200 μ m (微米)。海藻酸鈣絡合物凝膠在復合材料中充當網絡支架，明膠、氧化石墨烯或二者復合物則均勻的分布于網絡支架中，形成孔壁進而構建了復合材料的網絡多孔結構。圖6為孔內壁形貌，所示波浪起伏狀物質為典型的氧化石墨烯表面形貌，可見氧化石墨烯有相當部分都分布于孔壁表面，可確保材`料活性。復合材料的原料組成及上述的結構特征，使其具備出色的吸附性能，同時具有良好的形態穩定性、抑菌性、生物相容性和生物可降解性，這些都是作為醫用材料的必備條件。
[0027]圖7為多孔復合材料的靜態吸附動力學曲線圖，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+飽和吸附時間約需6h，而Cu2+僅需4h達到吸附飽和值；Pb2+飽和吸附量為144.6mg/g, Cu2+飽和吸附量為81.7mg/g, Pb2+飽和吸附量遠遠大于Cu2+，這與本發明最初設想相符，該氧化石墨烯多孔復合材料對重金屬離子具備優異的吸附能力。同時有望作為醫用吸附材料用于患者體內外有毒物質的吸附和清除(肌肝、尿素等)。
[0028]以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內。本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
【權利要求】
1.一種醫用抑菌型氧化石墨烯多孔復合材料的制備方法，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)對共混溶膠進行鈣離子交聯: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，向攪拌后的復合溶膠中滴加酸溶液，再次攪拌均勻即轉入模具靜置交聯； (3)制備醫用抑菌型氧化石墨烯多孔復合材料:將步驟(2)交聯反應后的共混溶膠轉變成凝膠后，再進行冷凍干燥，制得醫用抑菌型氧化石墨烯多孔復合材料。
2.根據權利I所述的醫用抑菌型氧化石墨烯多孔復合材料的制備方法，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.根據權利I所述的一種醫用抑菌型氧化石墨烯多孔復合材料的制備方法，其特征在于，步驟(2)交聯反應中，所述酸溶液與碳酸鈣的摩爾比為1:1~3:1。
4.根據權利I或3所述的一種醫用抑菌型氧化石墨烯多孔復合材料的制備方法，其特征在于，步驟(2)交聯反應中，所述酸溶液為醋酸溶液。
5.根據權利I所述的一種醫用抑菌型氧化石墨烯多孔復合材料的制備方法，其特征在于，在步驟(2)的交聯反應中，鈣離子為海藻酸鈉質量的0.5%~20%。
6.根據權利I所述的一種醫用抑菌型氧化石墨烯多孔復合材料的制備方法，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節溶液的PH值。
7.根據權利I所述的一種醫用抑菌型氧化石墨烯多孔復合材料的制備方法，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，再調節pH值。
8.根據權利I所述的一種醫用抑菌型氧化石墨烯多孔復合材料的制備方法，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，再向復合溶膠中滴加酸溶液，攪拌均勻即轉入模具靜置交聯30~720min。
9.根據權利I所述的一種醫用抑菌型氧化石墨烯多孔復合材料的制備方法，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 優先權日:2013年10月16日
【發明者】陳宇岳, 焦晨璐, 熊佳慶, 林紅 申請人:蘇州大學