CN103611192B - 部分还原的氧化石墨烯和丝素蛋白复合膜及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

部分还原的氧化石墨烯和丝素蛋白复合膜及其制备方法和应用，部分还原的氧化石墨烯制备：氧化石墨烯加入抗坏血酸，反应时长1～4h，温度20～40℃，纯水洗涤、离心，得到部分还原的氧化石墨烯；再将部分还原的氧化石墨烯与丝素蛋白溶液混合，在超声波下振荡10～15min，使部分还原的氧化石墨烯分散在丝素溶液中，然后采用浇铸法制备得到部分还原的氧化石墨烯和丝素的复合膜。制备得到的膜具有较好的力学特性，有好的延展性和抗拉性。

Description

部分还原的氧化石墨烯和丝素蛋白复合膜及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于生物医学材料技术领域，具体涉及一种具有较好力学特性的部分还原的氧化石墨烯和丝素蛋白复合膜及其制备方法和应用。
背景技术
丝素蛋白作为一种天然纤维蛋白，是蚕丝中最主要的成分，约占蚕丝重量的70%。丝素蛋白具有较好的生物相容性，适度的可降解性，以及低免疫原性，在生物材料领域有广泛的应用，如生物膜、固定化酶、抗原抗体载体、药物缓释载体及抗凝血材料等。
基于丝素蛋白的人工膜材料在生物医学工程领域有很好的应用前景，尤其是作为人工皮肤用于烧伤创面的保护。由于丝素膜的机械强度低，因此需要化学或物理手段处理，从而获得较强抗拉的力学特性。化学处理方法是应用甲醇、乙醇、异丙醇等机溶剂的浸泡，物理手段是饱和水蒸气的处理。通过这些过程，丝素膜的机械强度增加，抗拉力明显增加。但经过此方式处理后，丝素膜的脆性增加，容易折断。因此，开发具有较强抗拉和韧性对于生物膜的应用有重要意义。
石墨烯作为一种新型的纳米粒子材料，具有优异的电学、力学和热学等独特物理学性质，在复合材料、传感器、能源等领域具有重要的应用前景。近年来，石墨烯在生物医学领域的研究逐渐开始，但是发展很迅速。
在生物医学领域应用较多的石墨烯衍生物主要是功能化的氧化石墨烯（Grapheneoxide，GO)。氧化石墨烯含有大量的含氧活性基团，如羰基、羧基、羟基与环氧基等。环氧基与羟基主要位于氧化石器烯的基面上，而羰基、羧基则通常分布于氧化石墨烯的边缘处。由于氧化石墨烯上含有大量的含氧活性基团，因此具有良好的水溶液稳定性。
含氧活性基团化学特性不同，可以与多种特定功能分子进行共价反应，其中常见的共价修饰方法是通过酰化反应和酯化反应将生物分子修饰在石墨烯上。除了共价修饰外，还可以通过π-π相互作用、离子键和氢键等非共价键作用对石墨烯进行表面功能化修饰。如2008年DaiHongjie课题组（Liu Z，ROBINSON J，SUN X M，et a1.PEGylated nanographene oxide fordelivery of water-insoluble cancer drugs.J Am Chem Soc，2008,130:10876-10877.）利用PEG(聚乙二醇)修饰的氧化石墨烯作为难溶性含芳香结构的抗癌药物载体，首先制备纳米氧化石墨烯(nanoscale grapheneoxide，NGO)，再将PEG接枝到NGO上。这种石墨烯材料在生理条件下（包括在血清中）具有良好的生物相容性和稳定性。然后通过π-π堆垛等物理作用将抗癌药物SN38(喜树碱衍生物)吸附在PEG化的NGO表面，形成超高载药率石墨烯/药物复合物。氧化石墨烯也可用于生物成像，Peng等（PENG C，HU W B，ZHOU Y T，et a1.Intracellular imagingwith a grapheme-based fluorescent probe.Small，2010，6：1686-1692.）通过用PEG连接荧光染料与NGO来进行细胞内成像。
中国发明专利（氧化石墨烯和丝素蛋白复合膜及其制备方法，申请号：201210444427.1）公开了一种复合膜的制备方法。其特征在于该复合膜由氧化石墨烯和丝素蛋白组成；其中氧化石墨烯与丝素蛋白的质量比为1-50:100，复合膜采用层层组装、抽滤或浇铸的方法制备得到。在膜中，丝素蛋白降低了GO的生物毒性，材料表面可有效沉积羟基磷灰石，具有良好的体外生物活性，有望成为新型骨修复、骨替代材料。美国学者Tsukruk VV等将丝素蛋白和GO逐层旋转涂布制备复合膜，得到了一种有较强的抗拉力学特征的生物膜。
本研究组经过试验发现，虽然这种膜的抗拉性得到提高，但膜仍然较脆，韧性和延展性有待提高。韧性和延展性对于生物膜极其重要，尤其是作为人工皮肤使用时。
发明内容
解决的技术问题:为解决上述问题，本发明公开一种部分还原的氧化石墨和丝素蛋白的复合膜及其制备方法和应用，制备得到的膜具有较好的力学特性，有好的延展性和抗拉性。
技术方案:部分还原的氧化石墨烯和丝素蛋白复合膜，由以下制备步骤制备而得:部分还原的氧化石墨烯制备：（0.1～2）mg/mL氧化石墨烯，加入（0.05～0.2）mg/mL的抗坏血酸，反应体系中氧化石墨烯与抗坏血酸的质量比为（10～2）:1，反应时长1～4h，温度20～40℃，纯水洗涤、离心，得到部分还原的氧化石墨烯；再将（0.2～1）mg/mL部分还原的氧化石墨烯与（0.02～0.10）g/mL丝素蛋白溶液混合，部分还原的氧化石墨烯与丝素蛋白的质量比是（2～5）:1000，在超声波下振荡10～15min，使部分还原的氧化石墨烯分散在丝素溶液中，然后采用浇铸法制备得到部分还原的氧化石墨烯和丝素的复合膜。
部分还原的氧化石墨烯和丝素蛋白复合膜的制备方法，制备步骤为:部分还原的氧化石墨烯制备：（0.1～2）mg/mL氧化石墨烯，加入（0.05～0.2）mg/mL的抗坏血酸，反应体系中氧化石墨烯与抗坏血酸的质量比为（10～2）:1，反应时长1～4h，温度20～40℃，纯水洗涤、离心，得到部分还原的氧化石墨烯；再将（0.2～1）mg/mL部分还原的氧化石墨烯与（0.02～0.10）g/mL丝素蛋白溶液混合，部分还原的氧化石墨烯与丝素蛋白的质量比是（2～5）:1000，在超声波下振荡10～15min，使部分还原的氧化石墨烯分散在丝素溶液中，然后采用浇铸法制备得到部分还原的氧化石墨烯和丝素的复合膜。
部分还原的氧化石墨烯和丝素蛋白复合膜的制备方法，10mL1.5mg/mL氧化石墨烯，加入1.25mL1.5mg/mL的抗坏血酸，氧化石墨烯与抗坏血酸的质量比为8:1反应体系中，反应时长3h，温度30℃，纯水洗涤、离心，得到部分还原的氧化石墨烯；将2mL0.25mg/mL部分还原的石墨烯与10mL25mg/mL丝素蛋白溶液混合，部分还原的氧化石墨烯与丝素的质量比是2:1000，在超声波下振荡10～15min，使部分还原的氧化石墨烯更好地分散在丝素溶液中，然后采用浇铸法，将丝素溶液浇铸在聚四氟乙烯平板上制备得到部分还原的氧化石墨烯和丝素的复合膜。
所述部分还原的氧化石墨烯和丝素蛋白复合膜在制备人工皮肤中的应用。
有益效果：
通过部分还原的方法，使得氧化石墨烯表面的基团有所减少，但仍然存在一些亲水基团，因而能够与丝丝素蛋白的水溶液很好的相容。另一方面，部分还原的氧化石墨烯表面暴露出更多的碳原子，能够与丝素分子的疏水基团亲近，因此，加入部分还原的氧化石墨烯比单纯加入氧化石墨烯后对丝素性质的影响更大。通过本发明方法制备的丝素膜有好的延展性、抗拉性，因此适合作为生物材料应用，如人工皮肤等。
附图说明
图1为实施例2制备得到的复合膜。
具体实施方式
膜的最大拉伸断裂距离和能承受最大拉力的检测方法如下：
应用物性测定仪对膜的拉力进行测定。将130mm，宽20mm的膜垂直放置，膜的两端分别用样品夹夹住，保持膜的两端均匀受力。调节膜的拉伸速度为0.01mm/s，启动仪器，样品被拉申，所受力也在逐渐增加。待膜断裂后，记下此时力，该力即为样品所受的最大力，从膜完全展开到膜断裂时所伸长距离即为拉伸距离。
实施例1
1.10mL2mg/mL氧化石墨烯，加入1mL2mg/mL的抗坏血酸，氧化石墨烯与抗坏血酸的质量比为10:1反应体系中，反应时长4h，温度40℃，纯水洗涤、离心，得到部分还原的氧化石墨烯。
2.将1.5mL0.2mg/mL部分还原的石墨烯与10mL10mg/mL丝素蛋白溶液混合，部分还原的氧化石墨烯与丝素的质量比是3:1000，在超声波下振荡10～15min，使部分还原的氧化石墨烯更好地分散在丝素溶液中，然后采用浇铸法，将丝素溶液浇铸在聚四氟乙烯平板上制备得到部分还原的氧化石墨烯和丝素的复合膜。
与相同浓度和比例的氧化石墨烯与丝素制备的复合膜相比，对于2cm×20cm的膜，拉伸断裂距离增加17%，能承受最大拉力增加29%。
实施例2
1.10mL1.5mg/mL氧化石墨烯，加入1.25mL1.5mg/mL的抗坏血酸，氧化石墨烯与抗坏血酸的质量比为8:1反应体系中，反应时长3h，温度30℃，纯水洗涤、离心，得到部分还原的氧化石墨烯。
2.将2mL0.25mg/mL部分还原的石墨烯与10mL25mg/mL丝素蛋白溶液混合，部分还原的氧化石墨烯与丝素的质量比是2:1000，在超声波下振荡10～15min，使部分还原的氧化石墨烯更好地分散在丝素溶液中，然后采用浇铸法，将丝素溶液浇铸在聚四氟乙烯平板上制备得到部分还原的氧化石墨烯和丝素的复合膜。
与相同浓度和比例的氧化石墨烯与丝素制备的复合膜相比，对于2cm×20cm的膜，拉伸断裂距离增加49%，能承受抗拉能力增加37%，如图1所示。
实施例3
1.10mL1.2mg/mL氧化石墨烯，加入2mL1mg/mL的抗坏血酸，氧化石墨烯与抗坏血酸的质量比为6:1反应体系中，反应时长2h，温度30℃，纯水洗涤、离心，得到部分还原的氧化石墨烯。
2.将2mL0.6mg/mL部分还原的石墨烯与10mL30mg/mL丝素蛋白溶液混合，部分还原的氧化石墨烯与丝素的质量比是4:1000，在超声波下振荡10～15min，使部分还原的氧化石墨烯更好地分散在丝素溶液中，然后采用浇铸法，将丝素溶液浇铸在聚四氟乙烯平板上制备得到部分还原的氧化石墨烯和丝素的复合膜。
与相同浓度和比例的氧化石墨烯与丝素制备的复合膜相比，对于2cm×20cm的膜，拉伸断裂距离增加20%，能承受最大拉力增加50%。
实施例4
1.10mL0.75mg/mL氧化石墨烯，加入2.5mL0.75mg/mL的抗坏血酸，氧化石墨烯与抗坏血酸的质量比为4:1反应体系中，反应时长2h，温度25℃，纯水洗涤、离心，得到部分还原的氧化石墨烯。
2.将2.5mL1mg/mL部分还原的石墨烯与10mL50mg/mL丝素蛋白溶液混合，部分还原的氧化石墨烯与丝素的质量比是5:1000，在超声波下振荡10～15min，使部分还原的氧化石墨烯更好地分散在丝素溶液中，然后采用浇铸法，将丝素溶液浇铸在聚四氟乙烯平板上制备得到部分还原的氧化石墨烯和丝素的复合膜。
与相同浓度和比例的氧化石墨烯与丝素制备的复合膜相比，对于2cm×20cm的膜，拉伸断裂距离增加8%，能承受最大拉力增加43%。
实施例5
1.10mL0.5mg/mL氧化石墨烯，加入5mL0.5mg/mL的抗坏血酸，氧化石墨烯与抗坏血酸的质量比为2:1反应体系中，反应时长1h，温度20℃，纯水洗涤、离心，得到部分还原的氧化石墨烯。
2.将0.4mL1mg/mL部分还原的石墨烯与10mL10mg/mL丝素蛋白溶液混合，部分还原的氧化石墨烯与丝素的质量比是4:1000，在超声波下振荡10～15min，使部分还原的氧化石墨烯更好地分散在丝素溶液中，然后采用浇铸法，将丝素溶液浇铸在聚四氟乙烯平板上制备得到部分还原的氧化石墨烯和丝素的复合膜。
与相同浓度和比例的氧化石墨烯与丝素制备的复合膜相比，对于2cm×20cm的膜，拉伸断裂距离增加18%，能承受最大拉力增加48%。

Claims (1)

1.部分还原的氧化石墨烯和丝素蛋白复合膜的制备方法，其特征在于10mL 1.5mg/mL氧化石墨烯，加入1.25mL 1.5mg/mL的抗坏血酸，氧化石墨烯与抗坏血酸的质量比为8:1反应体系中，反应时长3 h，温度30℃，纯水洗涤、离心，得到部分还原的氧化石墨烯；将2 mL 0.25mg/mL部分还原的氧化石墨烯与10mL 25mg/mL丝素蛋白溶液混合，部分还原的氧化石墨烯与丝素蛋白的质量比是2:1000，在超声波下振荡10 ~ 15 min，使部分还原的氧化石墨烯更好地分散在丝素蛋白溶液中，然后采用浇铸法，将丝素溶液浇铸在聚四氟乙烯平板上制备得到部分还原的氧化石墨烯和丝素蛋白的复合膜。
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