CN102430121A - 一种氨基化碳纳米管的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氨基化碳纳米管的制备方法，该方法首先用浓盐酸对碳纳米管进行纯化，除去碳纳米管中金属催化剂颗粒等杂质，通过强氧化剂处理纯化后的碳纳米管，使其在碳纳米管的壁和端口上引入羧基，然后采用缩水剂和催化剂，即一步法让带氨基的生物小分子通过酰胺反应，共价接枝在碳纳米管上；本发明反应实验条件温和，接枝率高，条件容易控制，所得的产品表现了良好的水溶性和生物性能；且通过接枝小分子引入的活性基团能进一步接枝药物分子和生物大分子等，促进碳纳米管在药物载体、生物传感器和组织功能等生物医药领域的广泛应用。

Description

一种氨基化碳纳米管的制备方法

技术领域

本发明属于化学和生物材料的交叉领域，涉及到一种氨基化碳纳米管的制备方法。

背景技术

自1991年碳纳米管被发现以来，因其独特的结构，优良的力学、磁学和电学等性能而在生物医药领域引起了科研人员的极大关注。然后研究人员发现碳纳米管分子量巨大，且分子间具有极强的相互团聚力，这使得碳纳米管几乎不溶于所有溶剂。此外，研究还发现不溶性碳纳米管因含有催化剂和无定形碳等原因而在生物医药领域表现了一定的生物不相溶性。这极大地限制了碳纳米管在生物医药领域的应用。因此改善碳纳米管在溶剂中的溶解性和生物相容性成为了我们现在亟待解决的一个问题。

目前科研人员已经展开了对碳纳米管的改性研究，对碳纳米管的改性方法主要分为共价改性和非共价改性两大类。非共价改性是通过大分子对碳纳米管进行包覆而使其在溶剂中溶解，这类方法保持了碳纳米管的完整结构，但溶解度小且稳定性差。共价改性是改性物通过共价键与碳纳米管的侧壁和端口基团进行结合的，共价改性对碳纳米管有一定的破坏，但能极大地增大碳纳米管的溶解性。

本发明通过酰胺键将生物小分子共价接枝到碳纳米管上，这不但能极大改善碳纳米的溶解性，同时还能赋予碳纳米管良好的生物相容性。目前对于碳纳米管的氨基化主要是采用酰氯法，此法步骤繁琐，操作复杂且有一定危险性。而本发明设计通过采用缩水剂和催化剂，一步法即得到氨基化碳纳米管，且反应条件温和易控制，实验操作简单。

发明内容

本发明的目的是提供了一种简单、易行和高效氨基化碳纳米管的方法，且得到了溶解性和生物相容良好的改性碳纳米管。

本发明提供的一种氨基化碳纳米管的制备方法包括碳纳米管的纯化、碳纳米管的氧化羧基化以及碳纳米管氨基化。

本发明提供的一种氨基化碳纳米管的制备方法包括如下步骤：

(1)碳纳米管的纯化

在装有回流冷凝装置的三颈瓶中加入1～20g碳纳米管和20～2000ml的浓盐酸，以20～100KHz超声分散10～100min后，在20～200℃下搅拌回流2～48h，冷去至室温，滤膜抽滤，水洗至中性，20～180℃真空干燥5～48h得到纯化碳纳米管；

(2)碳纳米管的氧化羧基化

在圆底烧瓶中加入1～10g步骤(1)所得纯化碳纳米管和20～2000ml强氧化剂，以20～100KHz超声分散10～100min后，将其转入水热反应釜，在20～150℃下反应2～12h，反应液冷冲稀冷却后，用聚偏二氟乙烯滤膜，滤饼水洗至中性，20～180℃真空干燥5～48h后，将滤饼研磨至细后，继续20～180℃真空干燥5～48h，得到羧基化碳纳米管；

(3)碳纳米管的氨基化

取0.01～5g步骤(2)得到的羧基化碳纳米管置于圆底烧瓶中，再加入5～500ml溶剂和0.01～25g缩水剂，冰浴下超声10～180min后，室温下继续搅拌10～180min，往圆底烧瓶中加入0.001～5g催化剂，将0.1～10g带氨基小生物分子溶解在5～500ml溶剂中，并将其缓慢滴加到圆底烧瓶中，将反应液继续在0～150℃下磁力搅拌1～48h，反应液冷却后，用聚偏二氟乙烯滤膜真空过滤，滤饼用无水乙醇和蒸馏水反复洗涤，60℃真空干燥24h，滤渣研磨后继续60℃真空干燥24h，得到氨基化碳纳米管。

步骤(1)中所述碳纳米管是多壁碳纳米管或单壁碳纳米管。

步骤(2)中所述强氧化剂为浓硝酸或体积比为1～5∶5～1的浓硝酸与浓硫酸的混合液。

步骤(3)中所述的带氨基小分子为组氨酸、多巴胺、左旋多巴胺或卵磷脂。

步骤(3)中所述的缩水剂为二乙醇胺、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐或N，N′-二环己基碳二亚胺。

步骤(3)中所述的催化剂为4-二甲氨基吡啶、1-羟基苯并三唑或2-(7-偶氮苯并三氮唑)-N，N，N′，N′-四甲基脲六氟磷酸酯。

步骤(3)中所述的溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、二氯甲烷或四氢呋喃。

通过本方法得到的亲水性生物相容性的碳纳米管用IR、TGA、Raman和TEM等进行检测。

本发明的有益效果：本发明所提供的氨基化反应条件温和，操作简单易控制。由于所选用的接枝物为带亲水性的氨基、羧基和羟基亲水基团的生物小分子，这使得修饰后的碳纳米管不仅有很高的水溶性且兼备良好的生物相容性。本发明的氨基化碳纳米管在药物载体、生物探针和生物组织工程方面均得到应用。

具体实施方式

碳纳米管的纯化的具体实施实例：

实施实例1：

在装有回流装置的三口瓶中加入1g多壁碳纳米管和浓盐酸100ml，超声分散15min，在80℃下回流，同时磁力搅拌。反应10h后，冷却至室温，混合滤膜过滤，滤饼用蒸馏水洗至中性。真空60℃干燥24h后，得到纯化碳纳米管。

实施实例2：

在装有回流装置的三口瓶中加入5g多壁碳纳米管和浓盐酸600ml，超声分散1h，在120℃下回流，同时磁力搅拌。反应24h后，冷却至室温，混合滤膜过滤，滤饼用蒸馏水洗至中性。真空80℃干燥48h后，得到纯化碳纳米管。

碳纳米管的羧基化氧化的具体实施实例：

实施实例3：

将1g纯化后多壁碳纳米管和50ml混酸(V浓硫酸∶V浓硝酸＝3∶1)超声分散15min后，加入到水热反应釜中，100℃下水热反应1h，冷却至室温后，用蒸馏水冲稀冷却至室温后，混合滤膜抽滤，用蒸馏水将滤饼洗至中性，真空60℃干燥48h后，将滤饼研磨至细后，继续60℃下真空干燥48h，得到羧基化碳纳米管。

实施实例4

将5g纯化后多壁碳纳米管和400ml混酸(V浓硫酸∶V浓硝酸＝1∶1)超声分散30min后，加入到水热反应釜中，80℃下水热反应4h，冷却至室温后，用蒸馏水冲稀冷却后，混合滤膜抽滤，用蒸馏水将滤饼洗至中性，真空80℃干燥36h后，将滤饼研磨至细后，继续80℃下真空干燥36h，得到羧基化碳纳米管。

实施实例5

将5g纯化后多壁碳纳米管和500ml浓硝酸超声分散60min后，加入到水热反应釜中，120℃水热反应8h后，蒸馏水冲稀冷却至室温后，混合滤膜抽滤，用蒸馏水将滤饼洗至中性，真空100℃干燥24h后，将滤饼研磨至细后，继续100℃下真空干燥24h，得到羧基化碳纳米管。

实施实例6

将10g纯化后多壁碳纳米管和500ml浓硝酸超声分散100min后，加入到水热反应釜中，80℃水热反应12h后，蒸馏水冲稀冷却至室温后，混合滤膜抽滤，用蒸馏水将滤饼洗至中性，真空150℃干燥12h，将滤饼研磨至细后，继续150℃下真空干燥12h，得到羧基化碳纳米管。

碳纳米管氨基化的具体实施实例：

实施实例7：

将0.2g羧基化多壁碳纳米管加入到圆底烧瓶中，再加入40ml无水N，N-二甲基甲酰胺，超声15min后，加入2.13g N，N′-二环己基碳二亚胺，冰浴下磁力搅拌30min，室温再搅拌30min，往圆底烧瓶中加入0.13g 4-二甲氨基吡啶，将0.8g组氨酸胺溶于20mlN，N-二甲基甲酰胺，然后将其缓慢滴加到圆底烧瓶中，室温下磁力搅拌12h，最后的反应液用聚偏二氟乙烯滤膜过滤，用蒸馏水和无水乙醇反复洗涤数遍，60℃真空干燥24h，滤渣研磨后继续60℃真空干燥24h后，得到氨基化的碳纳米管。产物碳纳米管在水和有机溶剂中分散均良好，且稳定。在SBF溶液培养一段时间后，在碳纳米管上形成了一层均匀的磷灰石层。

实施实例8：

将0.4g羧基化多壁碳纳米管加入到圆底烧瓶中，再加入100ml无水四氢呋喃，超声30min后，加入6.38g二乙醇胺，冰浴下磁力搅拌50min，室温再搅拌50min，往圆底瓶中加入0.64g 4-二甲氨基吡啶，将1.6g组氨酸溶于40ml无水四氢呋喃中，然后将其缓慢滴加到圆底烧瓶中，80℃下磁力搅拌24h，最后的反应液用聚偏二氟乙烯滤膜过滤，用蒸馏水和无水乙醇反复洗涤数遍，60℃真空干燥24h，滤渣研磨后继续60℃真空干燥24h，得到氨基化的碳纳米管。产物碳纳米管在水和有机溶剂中分散均良好，且稳定。在SBF溶液培养一段时间后，碳纳米管上形成了一层均匀的磷灰层。

实施实例9

将1g羧基化多壁碳纳米管加入到圆底烧瓶中，再加入200ml无水二氯甲烷，超声1h后，加入1-乙基(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐，冰浴下磁力搅拌100min，室温再搅拌100min，往圆底烧瓶中加入0.5g 1-羟基苯并三唑，将4.0g盐酸多巴胺溶于100ml二氯甲烷，然后将其缓慢滴加到圆底烧瓶中，100℃磁力搅拌24h，最后的反应液用聚偏二氟乙烯滤膜过滤，用蒸馏水和无水乙醇反复洗涤数遍，60℃真空干燥24h，滤渣研磨后继续60℃真空干燥24h，得到氨基化的碳纳米管。产物碳纳米管在水和有机溶剂中分散均良好，且稳定。在SBF溶液培养一段时间后，碳纳米管上形成了一层均匀的磷灰石层。

实施实例10：

将1.2g羧基化多壁碳纳米管加入到圆底烧瓶中，再加入240ml无水N，N-二甲基甲酰胺，超声80min后，加入13.2g 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐，冰浴下磁力搅拌100min，室温再搅拌100min，往圆底烧瓶中加入1.3g 2-(7-偶氮苯并三氮唑)-N，N，N’，N’-四甲基脲六氟磷酸酯，将4.8g盐酸多巴胺溶于120ml无水N，N-二甲基甲酰胺中，然后将其缓慢滴加到圆底烧瓶中，100℃下磁力搅拌36h，最后的反应液用聚偏二氟乙烯滤膜过滤，用蒸馏水和无水乙醇反复洗涤数遍，60℃真空干燥24h，滤渣研磨后继续60℃真空干燥24h，得到氨基化的碳纳米管。产物碳纳米管在水和有机溶剂中分散均良好，且稳定。在SBF溶液培养一段时间后，碳纳米管上形成了一层均匀的磷灰层

实施实例11：

将1.5g羧基化多壁碳纳米管加入到圆底烧瓶中，再加入300ml无水四氢呋喃，超声120min后，加入20.48g 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐，冰浴下磁力搅拌150min，室温再搅拌150min，往圆底烧瓶中加入2.0g 1-羟基苯并三唑，将6.4g左旋多巴胺溶于160ml无水四氢呋喃中，然后将其缓慢滴加到圆底烧瓶中，120℃下磁力搅拌48h，最后的反应液用聚偏二氟乙烯滤膜过滤，用蒸馏水和无水乙醇反复洗涤数遍，60℃真空干燥24h，滤渣研磨后继续60℃真空干燥24h，得到氨基化的碳纳米管。产物碳纳米管在水和有机溶剂中分散均良好，且稳定。在SBF溶液培养一段时间后，碳纳米管上形成了一层均匀的磷灰层。

实施实例12

将2.0g羧基化多壁碳纳米管加入到圆底烧瓶中，再加入400ml无水二氯甲烷，超声180min后，加入16.7g N，N′-二环己基碳二亚胺，冰浴下磁力搅拌100min，室温再搅拌100min，往圆底烧瓶中加入1.0g 2-(7-偶氮苯并三氮唑)-N，N，N’，N’-四甲基脲六氟磷酸酯，将8.0g卵磷脂溶于200ml二氯甲烷，然后将其缓慢滴加到圆底烧瓶中，120℃磁力搅拌48h，最后的反应液用聚偏二氟乙烯滤膜过滤，用蒸馏水和无水乙醇反复洗涤数遍，60℃真空干燥24h，滤渣研磨后继续60℃真空干燥24h，得到氨基化的碳纳米管。产物碳纳米管在水和有机溶剂中分散均良好，且稳定。在SBF溶液培养一段时间后，碳纳米管上形成了一层均匀的磷灰石层。

Claims (7)

1.一种氨基化碳纳米管的制备方法，其特征包括如下步骤：

(1)碳纳米管的纯化

在装有回流冷凝装置的三颈瓶中加入1～20g碳纳米管和20～2000ml的浓盐酸，以20～100KHz超声分散10～100min后，在20～200℃下搅拌回流2～48h，冷去至室温，滤膜抽滤，水洗至中性，20～180℃真空干燥5～48h得到纯化碳纳米管；

(2)碳纳米管的氧化羧基化

在圆底烧瓶中加入1～10g步骤(1)所得纯化碳纳米管和20～2000ml强氧化剂，以20～100KHz超声分散10～100min后，将其转入水热反应釜，在20～150℃下反应2～12h，反应液冷冲稀冷却后，用聚偏二氟乙烯滤膜，滤饼水洗至中性，20～180℃真空干燥5～48h后，将滤饼研磨至细后，继续20～180℃真空干燥5～48h，得到羧基化碳纳米管；

(3)碳纳米管的氨基化

取0.01～5g步骤(2)得到的羧基化碳纳米管置于圆底烧瓶中，再加入5～500ml溶剂和0.01～25g缩水剂，冰浴下超声10～180min后，室温下继续搅拌10～180min，往圆底烧瓶中加入0.001～5g催化剂，将0.1～10g带氨基小生物分子溶解在5～500ml溶剂中，并将其缓慢滴加到圆底烧瓶中，将反应液继续在0～150℃下磁力搅拌1～48h，反应液冷却后，用聚偏二氟乙烯滤膜真空过滤，滤饼用无水乙醇和蒸馏水反复洗涤，60℃真空干燥24h，滤渣研磨后继续60℃真空干燥24h，得到氨基化碳纳米管。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述碳纳米管是多壁碳纳米管或单壁碳纳米管。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述强氧化剂为浓硝酸或体积比为1～5∶5～1的浓硝酸与浓硫酸的混合液。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的带氨基小分子为组氨酸、多巴胺、左旋多巴胺或卵磷脂。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的缩水剂为二乙醇胺、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐或N，N′-二环己基碳二亚胺。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的催化剂为4-二甲氨基吡啶、1-羟基苯并三唑或2-(7-偶氮苯并三氮唑)-N，N，N′，N′-四甲基脲六氟磷酸酯。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述的溶剂为N，N-二甲基甲酰胺、二氯甲烷或四氢呋喃。