CN102380133B

CN102380133B - 羧基离子注入的多壁碳纳米管及其制备方法与应用

Info

Publication number: CN102380133B
Application number: CN 201110320500
Authority: CN
Inventors: 李德军; 张艺腾; 郭美仙; 赵梦鲤; 岳玉琛
Original assignee: Tianjin Normal University
Current assignee: Tianjin Normal University
Priority date: 2011-10-20
Filing date: 2011-10-20
Publication date: 2013-09-11
Anticipated expiration: 2031-10-20
Also published as: CN102380133A

Abstract

本发明涉及注入羧基离子的多壁碳纳米管，它选用将多壁碳纳米管喷涂在预先烧制碳膜的二氧化硅基片上，然后使用离子注入机在此喷涂后的碳纳米管表面注入羧基离子；其中羧基离子的注入密度分别为5×10¹³个/cm²,1×10¹⁴个/cm²和5×10¹⁴个/cm²；离子能量为40keV；所述材料中氧原子的百分数为7.53%-12.86%。通过成年新西兰兔的血小板在材料上粘附实验说明：在MWCNTs上注入羧基离子能够有效提高材料的抗凝血性能，使得该材料在作为与血液相接触的材料方面具有良好的研究应用价值和广泛的应用前景。

Description

羧基离子注入的多壁碳纳米管及其制备方法与应用

技术领域

本发明属于纳米材料在生物医用材料中应用的新型学科领域。涉及使用化学气相沉积系统（CVD）生长多壁碳纳米管（MWCNTs）；特别是利用北师大核科学与技术学院BNU-400keV离子注入机将羧基离子注入MWCNTs表面，以达到改善MWCNTs血液相容性的新技术。

背景技术

纳米技术是20世纪80年代末、90年代初才逐步发展起来的前沿、交叉性新型学科领域，它的迅猛发展将在21世纪促使激活所有工业领域产生一场革命性的变化。由于其微小的体积和很大的表体比，纳米材料拥有很多大体积材料所没有的特性，从而使它们在催化、电子学、光电学和医学等领域有很多新的应用。自从1991年5月碳纳米管(CNTs)被发现以来，因其惊人的电子学、力学以及结构性质而被广泛的应用。在最近几年中，研究者们已经开启了碳纳米管生物医学领域应用的研究，在这些研究中，碳纳米管被用于药物和生物离子传送，组织工程支架等用途。目前以生物医学应用为目标的相关研究主要涉及对碳纳米管进行表面修饰，使其具有阻止蛋白质非特异性吸附和识别特定蛋白分子的功能；利用碳纳米管的特殊形状和电学性质，研究细胞的体外生长等。虽然碳纳米管被期望在生物医学领域具有广泛的应用，但我们对其与血液的作用还知之甚少。

在特定条件下，碳纳米管表面存在一些晶格缺陷，特别是多壁碳纳米管，在合成过程中可以捕获多个缺陷，通过这些缺陷可以在碳纳米管表面引入某些具有反应活性官能团，达到对碳纳米管进行化学修饰的目的。表面处理技术（如气相沉积、电镀、等离子喷涂、离子注入等）代价小、耗时少，在制备和修饰综合性能良好的生物医用材料方面优势显著。其中，离子注入技术在改变材料表面的某些特性，如亲水性、生物相容性等性质的同时不改变其整体性质，从而在这里被选为改善MWCNTs血液相容性的技术手段。将离子注入技术用于碳纳米管材料表面改性，并以羧基作为注入离子，以达到改善碳纳米管材料抗凝血性能的研究目前尚未见文献报道。

发明内容

材料的生物相容性是指实质其与活体组织之间相互容纳的程度。它是评价一种材料能否应用于生物医学领域的根本依据，包括两层含义：血液相容性和组织相容性。其中血液相容性是指材料与血液接触后，不引起血浆蛋白的变形，不破坏血液的有效成分，不导致血液的凝固和血栓的形成。材料与血液接触后，不形成不可逆的血栓过程，称为具有抗凝血性。

本发明的一个目的是首次公开了使用羧基离子注入的多壁碳纳米管产品。

本发明的另一个目的是公开了的使用羧基离子注入的多壁碳纳米管的制备方法。

本发明的再一个目的是公开了使用羧基离子注入的多壁碳纳米管在制备提高多壁碳纳米管材料抗凝血性能方面的应用，以及作为与血液接触的生物材料方面的应用。

为实现上述目的，本发明提供了如下的技术内容：

羧基离子注入的多壁碳纳米管，其特征在于在预先喷涂的多壁碳纳米管基片上注入羧基离子；其中羧基离子的注入密度分别为5×10¹³ 个/ cm², 1×10¹⁴个/ cm² 和5×10¹⁴个/ cm²；离子能量为40keV；所述材料中氧原子的百分数为7.53%-12.86%。采用甲酸作为离子源。

本发明所述羧基离子注入的多壁碳纳米管，其中的多壁碳纳米管为粉末状，可以喷涂在二氧化硅片或碳片基片为衬底的基片上。所述的羧基离子为甲酸。

本发明所述的多壁碳纳米管（纯度：90％，直径：10-20nm，长度：5-15μm），按比例与十二烷基硫酸钠（SDS）混合后溶解在蒸馏水中，喷涂于预先烧制了碳层的二氧化硅（SiO₂）基片上，基片直径15mm，厚度0.5mm。

本发明进一步公开了羧基离子注入的多壁碳纳米管的制备方法，其特征在于使用BNU-400keV离子注入机对预先喷涂多壁碳纳米管的基片进行羧基离子注入；在此过程中，采用甲酸作为离子源，先对甲酸进行高温蒸发和加速电子轰击使其离子化，电子束电流密度控制在3μA/cm²以下；注入过程中腔室的气压为1

10^-3 Pa，温度为室温，离子能量为40keV。

本发明对未经羧基离子注入的多壁碳纳米管和羧基离子注入的多壁碳纳米管样品进行了扫描电镜（SEM）、傅里叶转换红外光谱仪(FT-IR)和X射线衍射（XPS）结构分析与比较。

为确认羧基离子注入后在MWCNTs表面存在羧基基团，选择未经羧基离子注入和羧基离子注入密度为5×10¹⁴个/cm²的样品进行FT-IR分析，结果如图1所示。在图1(a)中，1100 cm^-1 and 2980 cm^-1附近的峰分别对应于C-C和C-H键；而图1（b）中多出的3500 cm^-1和1620 cm^-1附近的峰分别对应于羧基中的O-H和C=O键，从而证明了离子注入后羧基基团已成功注入到了MWCNTs表面。

XPS是检验材料表面元素合成及其化学结构的有效手段，在此，被用来表征未经羧基离子注入的MWCNTs以及羧基离子注入密度最小（5×10¹³个/cm²）和最大（5×10¹⁴个/cm²）的MWCNTs。材料表面的元素含量如表1。

表1 未经羧基离子注入的和经羧基离子注入的多壁碳纳米管表面元素含量

通过XPS谱线可知，C和O元素在未经离子注入和经羧基离子注入的MWCNTs样品中均被探获。通过分析XPS的O_1S谱线，可知羧基离子注入后MWCNTs表面羧基基团的含量随离子注入密度变化。图2或图3为未经离子注入的MWCNTs和经羧基离子注入的MWCNTs的O_1S谱线，从中可以看出，未经离子注入的MWCNTs的主峰在533.1eV，对应于C–O键；而经羧基离子注入的MWCNTs的峰分裂为两个，532.9eV和532.2eV，分别对应于C-O 键和C=O键。通过分析O_1S谱，可以发现：

（1）与未经离子注入的MWCNTs的谱线比较，经羧基离子注入的MWCNTs的谱线在532.2eV的峰值增强，而这一峰值对应C=O键。这表明羧基离子已经成功注入到了MWCNTs表面，并且材料表面的羧基基团保持了羧基基团的性质。这一结果与FT-IR光谱的分析结果一致；

（2）在比较离子注入密度为5×10¹³个/cm²和5×10¹⁴个/cm²的MWCNTs的O_1S谱时，可以发现随着离子注入密度的增加，532.9eV和532.2eV峰的强度增强，而这两个峰值分别对应于羧基基团中的C-O键和 C=O键。与此同时，随着离子注入密度的增加，材料表面O元素的含量从7.53%升至12.86%。

以上两现象表明，随着羧基离子注入密度的增加，更多羧基集团存在于MWCNTs表面（详见图2或图3）。

本发明进一步公开了羧基离子注入的多壁碳纳米管的抗凝血性能。血小板粘附的结果表明该材料在与血液相接触的材料领域具有良好的应用前景。

材料的血液相容性评价是材料生物学评价的重要组成部分，是最常用的粗筛试验，也被认为是细胞毒性评价的一个补充试验。血小板粘附于表面并聚集成血栓子以减少出血。它能通过形成血小板栓抑制流血，通过催化凝血反应使血小板栓稳定，导致血栓。血小板粘附试验是评价生物材料抗凝血性能的方法之一。

式中：A-抗凝血中的血小板数；B-与材料作用完之后的抗凝血中的血小板数。

甲基硅油是一种抗凝血性能较好的材料,而二氧化硅片的抗凝血能力就很差，因此本发明就分别以它们作为阴、阳性参照物。与正常对照计数算出样品血小板的粘附率。

表2为样品表面粘附血小板数及血小板粘附率的计算结果，可以看出未经羧基离子注入的MWCNTs和经羧基离子注入的MWCNTs的血小板黏附率均明显低于阳性对照组，而经羧基离子注入的MWCNTs的血小板黏附率甚至低于阴性对照组。当离子注入密度较低（5×10¹³ 个/cm²）时，MWCNTs的血小板黏附率与未经离子注入的MWCNTs相比无明显变化。而随着离子注入密度的增加，MWCNTs的血小板黏附率显著降低，这也意味着材料表面增加的羧基基团显著改善了MWCNTs的抗凝血性能。

表2 材料表面的血小板粘附率

通过SEM观察粘附在未经离子注入的MWCNTs和经羧基离子注入的MWCNTs表面的血小板可知，在未经离子注入的和离子注入剂量较低（5×10¹³个/cm²）的MWCNTs表面的血小板凝聚团中的血小板数量较多，且多已变形或长出伪足，表明它们已被激活。而羧基离子注入密度较高（5×10¹⁴个/cm²）的MWCNTs表面的血小板凝聚团中的血小板数量较少，且变形不明显。这表明粘附在未经离子注入的和离子注入剂量较低的MWCNTs的血小板的激活程度高于粘附在羧基离子注入密度较高的的MWCNTs表面的血小板。这与测量血小板粘附率的实验所得结果一致，即经羧基离子注入的MWCNTs表面的羧基基团改善了MWCNTs表面的抗凝血性能。

本发明所制备的注入羧基离子的多壁碳纳米管与现有技术相比所具有的积极效果在于：

（1）采用羧基离子注入能够降低多壁碳纳米管的血小板黏附率，进而在更大程度上提高其抗凝血性能。

（2）采用羧基离子注入对多壁碳纳米管进行表面修饰，能够在最大限度保持多壁碳纳米管表面原始形态的前提下获得较好的血液相容性。

（3）羧基离子注入比较容易获得和控制，有利于提高修饰的精确度，能够在最优化的条件下使多壁碳纳米管获得最好的血液相容性。

附图说明

图1：未经羧基离子注入的和经羧基离子注入（5×10¹⁴个/cm²）的多壁碳纳米管的FT-IR谱线；

图2：未经羧基离子注入的和经羧基离子注入的多壁碳纳米管的XPS谱线； (a)未经羧基离子注入的多壁碳纳米管的（5×10¹³个/cm²和5×10¹⁴个/cm²）C_1S和O_1S谱线；

图3：未经羧基离子注入的和经羧基离子注入的多壁碳纳米管的XPS谱线；(b)经羧基离子注入（5×10¹³个/cm²）的多壁碳纳米管的C_1S和O_1S谱线；(c)经羧基离子注入（5×10¹³个/cm²）的多壁碳纳米管的C_1S和O_1S谱线；

图4：在未经羧基离子注入的和经羧基离子注入的多壁碳纳米管表面粘附的血小板SEM图；(a) 未经羧基离子注入的多壁碳纳米管表面粘附的血小板SEM图；（b）经羧基离子注入（5×10¹³个/cm²）的多壁碳纳米管表面粘附的血小板SEM图；（c）经羧基离子注入（5×10¹³个/cm²）的多壁碳纳米管表面粘附的血小板SEM图；

图5：在二氧化硅基片上喷涂多壁碳纳米管的过程。

具体实施方式

下面结合实施例说明本发明，这里所述实施例的方案，不限制本发明，本领域的专业人员按照本发明的精神可以对其进行改进和变化，所述的这些改进和变化都应视为在本发明的范围内，本发明的范围和实质由权利要求来限定。其中BNU-400keV离子注入机为北师大核科学与技术学院所有，对外有售。

参考实施例

使用设备、步骤和方法：

碳纳米管（纯度：90％，直径：10-20nm，长度：5-15μm）（购买于中国深圳市纳米港有限公司），经过了净化除杂等一系列提纯过程，进一步保证了碳纳米管的纯度，为实验减少其它干扰因素奠定了一定的基础。在基片上喷涂多壁碳纳米管的实验过程如图5所示，将碳纳米管溶解到去离子水中形成混合溶液，经过离心作用除去较大的碳管束和金属催化剂颗粒，然后通过喷涂的方式形成碳纳米管薄膜。首先，先后将170mg碳纳米管和3 mg十二烷基硫酸钠放入到装有60ml去蒸馏水的烧杯中。十二烷基硫酸钠（SDS）可以大幅度加大碳纳米管在去离子水中的溶解度。其次，按功率400 W超声处理10分钟（型号为KQ-50E的超声波清洗器），按转速10000 r/min离心处理15分钟（北京医用离心机厂生产的型号为LGR16-W的离心机）。超声处理和离心处理可以使碳纳米管在完全溶解于去离子水中，最终形成为悬浮溶液。再次，轻轻取出离心处理后上层50％溶液用于喷涂，将取出溶液直接在烧制碳膜的二氧化硅基底上用美术专用喷笔（HOLDER出品的型号为HD-130A）进行喷涂以形成碳纳米管薄膜，该过程中，基底保持在100℃以加快液体蒸发，每片基片喷射4ml碳纳米管悬浮液。最后，将喷射好的样品放入到去离子水中浸泡10分钟；取出后，在200 ℃环境下干燥60分钟；再用高压蒸锅在0.1 kpa条件下保持 60分钟，用以除去碳纳米管的表面活化剂。

由北京师范大学核科学与技术学院的BNU-400keV离子注入机对多壁碳纳米管进行羧基离子注入。羧基离子注入的多壁碳纳米管，它是在预先喷涂的多壁碳纳米管基片上注入羧基离子；其中羧基离子（甲酸作为离子源）的离子能量为40keV；离子注入密度分别为5×10¹³个/ cm²（制成材料中氧原子的百分数为7.53%）, 1×10¹⁴个/ cm² 和5×10¹⁴个/ cm²（制成材料中氧原子的百分数为12.86%）。

具体的合成工艺参数：

采用甲酸作为离子源，先对甲酸进行高温蒸发和加速电子轰击使其离子化，电子束电流密度控制在3μA/cm²以下；注入过程中腔室的气压为1

10^-3 Pa，温度为室温，离子能量为40keV。

实施例1

羧基离子注入的多壁碳纳米管的制备：

使用BNU-400keV离子注入机对预先喷涂多壁碳纳米管的基片（二氧化硅片）进行羧基离子注入；在此过程中，采用甲酸作为离子源，先对甲酸进行高温蒸发和加速电子轰击使其离子化，电子束电流密度控制在3μA/cm²以下；注入过程中腔室的气压为1

10^-3 Pa，温度为室温，离子能量为40keV；其中羧基离子的注入密度分别为5×10¹³个/ cm²；氧原子的百分数为7.53%。

实施例2

羧基离子注入的多壁碳纳米管的制备：

10^-3 Pa，温度为室温，离子能量为40keV；其中羧基离子的注入密度分别为1×10¹⁴个/ cm²。氧原子的百分数为8.5%。

实施例3

羧基离子注入的多壁碳纳米管的制备：

10^-3 Pa，温度为室温，离子能量为40keV；其中羧基离子的注入密度分别为5×10¹⁴个/ cm²；氧原子的百分数为12.86%。

实施例4

血小板粘附情况研究：

材料制备：

阴性对照组：双面抛光与样品组相同尺寸的SiO₂基片表面涂以2%的甲基硅油，自然干燥后备用；

阳性对照组：双面抛光与样品组相同尺寸的SiO₂基片；

样品组：羧基离子注入的的多壁碳纳米管（羧基离子注入密度不同的三组），未经羧基离子注入的多壁碳纳米管（MWCNTs）。

在24孔板中，阴、阳性对照组和空白组分别占3个孔。羧基离子注入的的多壁碳纳米管（羧基离子注入密度不同的三组）和未经羧基离子注入的多壁碳纳米管（MWCNTs）材料每组各1片，分别放入24孔板中。取健康成年新西兰兔（购买于天津市动物中心）耳动脉血，加入草酸钾，用离心机1500 r.p.m离心15min，取上层血小板保存液与样品接触15-60秒钟，在镜下做血小板计数。并每组取出1片材料对表面进行扫描电镜分析，实验结果见表2。

在详细说明的较佳实施例之后，熟悉该项技术人士可清楚地了解，在不脱离上述申请专利范围与精神下可进行各种变化与修改，凡依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。且本发明亦不受说明书中所举实例实施方式的限制。

Claims

1.羧基离子注入的多壁碳纳米管，其特征在于在预先喷涂多壁碳纳米管的基片上注入羧基离子；其中羧基离子的注入密度分别为5×10¹³ 个/ cm², 1×10¹⁴个/ cm² 和5×10¹⁴个/ cm²；离子能量为40keV；未经羧基离子注入的和经羧基离子注入的多壁碳纳米管表面中氧原子的百分数为7.53%-12.86%。

2.权利要求1所述羧基离子注入的多壁碳纳米管，其中的多壁碳纳米管为粉末状，喷涂在二氧化硅片或碳片为衬底的基片上；所述的羧基离子源于甲酸。

3.羧基离子注入的多壁碳纳米管的制备方法，其特征在于使用BNU-400keV离子注入机对预先喷涂多壁碳纳米管的基片进行羧基离子注入；在此过程中，采用甲酸作为离子源，先对甲酸进行高温蒸发和加速电子轰击使其离子化，电子束电流密度控制在3μA/cm²以下；注入过程中腔室的气压为1

10^-3 Pa，温度为室温，离子能量为40keV。

4.权利要求1所述羧基离子注入的多壁碳纳米管在制备提高多壁碳纳米管材料抗凝血性材料方面的应用。