CN103977455A - 石墨烯修饰提高聚酯纤维人工韧带生物相容性的方法 - Google Patents

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本发明公开了一种石墨烯修饰提高聚酯纤维人工韧带生物相容性的方法，其是利用腐蚀基体法将CVD法生长的大面积单层石墨烯转移到聚酯纤维编织人工韧带上以提高人工韧带生物相容性。本发明将石墨烯涂层在聚酯纤维微孔编织人工韧带上，大大提高了人工韧带材料的生物相容性，尤其是细胞相容性，促进了细胞在材料表面的粘附和增殖，诱导BMSC向成骨细胞分化，加快人工韧带植入体内时的骨道愈合，而且石墨烯涂层没有对材料孔隙、强度和抗蠕变性造成不利影响。本发明操作简便，可重复性好。

Description

石墨烯修饰提高聚酯纤维人工韧带生物相容性的方法
技术领域
本发明属于人工韧带技术领域，涉及一种聚酯纤维人工韧带的表面改性技术，尤其是一种石墨烯修饰提高聚酯纤维人工韧带生物相容性的方法。
背景技术
前交叉韧带(ACL)损伤是最常见的关节韧带损伤类型。由于ACL具有限制胫骨过度前移、控制胫骨旋转和本体感受器等功能，其损伤可直接造成膝关节失稳、功能下降，进而引发半月板和软骨退变，导致早发性骨关节炎，严重影响患者生活质量。通过手术移植修复和重建受损韧带已成为共识。然而，自体(膑腱或腘绳肌腱等)移植可引起供区肌力减弱和膝前疼痛等并发症，异体移植存在免疫排斥、长入延迟和传播潜在传染病等弊端。而且自体或异体移植物均需经历12个月以上的坏死、再血管化、细胞长入和胶原重塑的“韧带化”过程，延长了患者的康复时间。
人工韧带理论上具有避免供区次发性损伤、来源广泛、初始强度高、术后即刻恢复关节稳定和功能、操作相对容易等优势。然而其实际应用效果并不理想，主要因为——现有人工韧带生物化程度低，与宿主细胞和组织相容困难，无法形成长期稳定的生物性连接。由于人工韧带的首要任务是迅速(即刻)恢复患肢功能，对材料初始强度要求很高(抗拉强度需2000N以上)，生物性相容性较好的聚酯(聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内酯等)、生物蛋白(蚕丝蛋白、蛛丝蛋白、胶原蛋白等)、多糖(壳聚糖等)均难以满足强度要求。而聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯(PP)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等常用人工韧带材料力学强度虽高，但生物相容性不佳，与组织、细胞结合困难。通过改进构建工艺(如采用多孔编织)虽可显著提高韧带孔隙率，产生一定空间效应，但由于材料本身生物相容性低，仍然无法有效提高韧带生物化。
近年来，人们尝试通过不同的表面修饰方法以提高韧带生物性。常用修饰方法有活性蛋白(或生长因子)涂层和物理表面改性等。前者需大量使用活性因子，制备成本高，材料对因子吸附效果差，消毒和存储均可引起生长因子失活，影响最终效果；后者对工艺要求高，且激光蚀刻、离子注入等改性工艺均易对材料孔隙、强度和抗蠕变性造成不利影响。因此，能否找到理想的修饰材料和方法成为制约人工韧带发展的瓶颈。
研究发现：新型材料石墨烯生物相容性良好，骨髓基质干细胞(BMSCs)、成骨细胞(OC)等均能在其表面黏附生长。研究发现石墨烯涂层可显著提高铜和硅等材料表面细胞黏附性。同时，有学者发现石墨烯还可促进BMSCs的成骨分化，但其相关机制尚不明确。石墨烯仅有单个碳原子厚度，是目前已知最薄的纳米材料，其①力学强度高，与金刚石硬度相当，②可塑性强，可根据模板形状任意折叠和贴附，③结构稳定，不会因消毒和长期存储发生结构和活性改变，④导电性好，可无损传导生物电，⑤表面活性高，超大的比表面积，对生长因子具有极强的吸附性。
因此通过表面涂层法将CVD生长的大面积石墨烯涂层在聚酯纤维编织人工韧带上。通过实验验证了石墨烯涂层能提高聚酯纤维微孔编织人工韧带粘附细胞，并对细胞增殖和成骨分化有促进作用。虽然国内有很多石墨烯的专利及人工韧带的专利，但是将石墨烯涂层在人工韧带表面以提高人工韧带生物相容性的方法仍未见文献和专利报道。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种石墨烯修饰提高聚酯纤维人工韧带生物相容性的方法，其能够提高微孔编织人工韧带表面的细胞相容性。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
这种石墨烯修饰提高聚酯纤维人工韧带生物相容性的方法，其特征在于，利用腐蚀基体法将CVD法生长的大面积单层石墨烯转移到聚酯纤维编织人工韧带上以提高人工韧带生物相容性。
进一步的，以上具体包括以下步骤：
A.石墨烯的制备：
(1)将铜箔放置到CVD反应炉中；
(2)将反应炉加热，以CH4为碳源，H2为还原气体，Ar为惰性气体，通入反应炉；
(3)反应后恢复至室温，得到生长在铜箔上的均匀单层石墨烯；
B.石墨烯转移膜的制备：
(1)将制备的石墨烯铜箔旋涂聚甲基丙烯酸甲酯PMMA；
(2)旋涂后将铜箔放于加热板上烘烤固胶；
(3)将烘烤后的铜箔放于硫酸铵溶液中溶解，腐蚀Cu基体；
(4)将铜基体腐蚀后得到漂浮于硫酸铵溶液表面的粘附有单层石墨烯的PMMA薄膜；
(5)将得到的PMMA薄膜转移至去离子水中备用；
C.单层石墨烯涂层人工韧带的制备：
(1)将得到的PMMA膜转移至聚酯纤维编织的人工韧带上；
(2)在干燥箱中将转移有PMMA膜的人工韧带烘干；
(3)将干燥后的人工韧带浸入丙酮中，将PMMA溶解完全，使PMMA粘附的单层石墨烯转移至人工韧带上的到转移有单层石墨烯的人工韧带；
(4)无水乙醇冲洗韧带，去除丙酮残留；
(5)去离子水冲洗去除乙醇残留；
(6)在干燥箱中烘干聚酯纤维编织人工韧带。
进一步，以上步骤A的(2)中，在3kPa条件下，将反应炉加热温度至1000℃。
进一步，以上步骤B(1)中，石墨烯铜箔以3000r/min旋涂聚甲基丙烯酸甲酯。
进一步，以上步骤B(2)中，加热板为150℃，烘烤时间为15min。
进一步，选用铜箔为25μm厚铜箔，修剪为10X10cm大小的铜箔片，通过卷曲放入直径为8cm的CVD反应炉中。
进一步，以上所述石墨烯制备在Ar气气氛下升温到1000℃，Ar气流量保持200sccm，升温速率为10℃/min；当铜箔达到目标温度后，通入H2气还原退火，流量为65sccm，Ar气流量与温度保持不变：20min后，通入50sccm甲烷、65sccmH2和200sccm Ar气生长10min后，关闭甲烷和氢气，在Ar气气氛下以10℃/s随炉降温，CH4：H2：Ar＝50:65:200。
进一步，以上所述聚甲基丙烯酸甲酯PMMA浓度为7％。
进一步，以上所述腐蚀铜基体所用硫酸铵溶液为1mol/L。
进一步，以上所述聚酯纤维为聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维或聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维。
本发明具有以下有益效果：
本发明将石墨烯涂层在聚酯纤维微孔编织人工韧带上，大大提高了人工韧带材料的生物相容性，尤其是细胞相容性，促进了细胞在材料表面的粘附和增殖，诱导BMSC向成骨细胞分化，加快人工韧带植入体内时的骨道愈合，而且石墨烯涂层没有对材料孔隙、强度和抗蠕变性造成不利影响。本发明操作简便，可重复性好。
附图说明
图1为本发明的聚酯纤维编织韧带电镜照片；
图2为本发明的石墨烯涂层的聚酯纤维编织韧带电镜照片。
具体实施方式
本发明的石墨烯修饰提高聚酯纤维人工韧带生物相容性的方法是利用“腐蚀基体”法将CVD法生长的大面积单层石墨烯转移到聚酯纤维编织人工韧带上以提高人工韧带生物相容性，包括以下步骤：
A.石墨烯的制备：(1)将铜箔放置到CVD反应炉中。(2)在3kPa条件下，将反应炉加热温度至1000℃，以CH4为碳源，H2为还原气体，Ar为惰性气体，通入反应炉。(3)反应10min后恢复至室温，得到生长在铜箔上的均匀单层石墨烯。
B.石墨烯转移膜的制备：(1)将现场制备的石墨烯铜箔以3000r/min旋涂聚甲基丙烯酸甲酯PMMA(2)旋涂后将铜箔放于150℃加热板上烘烤15min固胶。(3)将烘烤后的铜箔放于硫酸铵溶液中溶解24h，腐蚀Cu基体。(4)将铜基体腐蚀后得到漂浮于硫酸铵溶液表面的粘附有单层石墨烯的PMMA薄膜。(5)将得到的PMMA薄膜转移至去离子水中备用。
C.单层石墨烯涂层人工韧带的制备：(1)将得到的PMMA膜转移至聚酯纤维编织的人工韧带上。(2)在60℃干燥箱中将转移有PMMA膜的人工韧带烘干。(3)将干燥后的人工韧带浸入丙酮中12h，将PMMA溶解完全，使PMMA粘附的单层石墨烯转移至人工韧带上的到转移有单层石墨烯的人工韧带。(4)无水乙醇冲洗韧带，去除丙酮残留。(5)去离子水冲洗去除乙醇残留。(6)60℃干燥箱中烘干聚酯纤维编织人工韧带。
以上所选用铜箔为25μm厚铜箔(99.9％)，修剪为10X10cm大小的铜箔片，通过卷曲放入直径为8cm的CVD反应炉中。所述石墨烯制备在Ar气气氛下升温到1000℃，Ar气流量保持200sccm(1sccm＝1mL/min)，升温速率为10℃/min；当铜箔达到目标温度后，通入H2气还原退火，流量为65sccm，Ar气流量与温度保持不变：20min后，通入50sccm甲烷、65sccmH2和200sccm Ar气生长10min后，关闭甲烷和氢气，在Ar气气氛下以10℃/s随炉降温.CH4：H2：Ar＝50:65:200。所述聚甲基丙烯酸甲酯PMMA浓度为7％。所述腐蚀铜基体所用硫酸铵溶液为1mol/L。所述聚酯纤维为聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维(PET)或聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维。
下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细描述：
实施例1
本实施例按照以下步骤进行：
1.首先将10X10cm25μm厚铜箔(99.9％)通过卷曲方式放置到直径为8cm的CVD反应炉中。然后在Ar气气氛下，3kPa条件下升温到1000℃，Ar气流量保持200sccm(1sccm＝1mL/min)，升温速率为10℃/min；当铜箔达到目标温度后，通入H2气还原退火，流量为65sccm，Ar气流量与温度保持不变：20min后，通入50sccm甲烷、65sccmH2和200sccm Ar气生长10min后，关闭甲烷和氢气，在Ar气气氛下以10℃/s随炉降到室温.得到生长在铜箔上的均匀单层石墨烯。
2.将现场制备的石墨烯铜箔以3000r/min旋涂7％聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，旋涂后将铜箔放于150℃加热板上烘烤15min固胶。然后将烘烤后的铜箔放于1mol/L硫酸铵溶液中溶解24h，腐蚀Cu基体。再将铜基体腐蚀后得到漂浮于硫酸铵溶液表面的粘附有单层石墨烯的PMMA薄膜转移至去离子水中备用。
3.将得到的PMMA膜转移至聚酯纤维编织的人工韧带上。然后在60℃干燥箱中将转移有PMMA膜的人工韧带烘干。再将干燥后的人工韧带浸入丙酮中12h，将PMMA溶解完全，使PMMA粘附的单层石墨烯转移至人工韧带上的到转移有单层石墨烯的人工韧带。无水乙醇冲洗韧带，去除丙酮残留。再用去离子水冲洗去除乙醇残留。最后60℃干燥箱中烘干聚酯纤维编织人工韧带。
实施例2
本实施例按照以下步骤进行：
1.首先将10X10cm25μm厚铜箔(99.9％)通过卷曲方式放置到直径为8cm的CVD反应炉中。然后在Ar气气氛下常压升温到1000℃，Ar气流量保持200sccm(1sccm＝1mL/min)，升温速率为10℃/min；当铜箔达到目标温度后，通入H2气还原退火，流量为65sccm，Ar气流量与温度保持不变：20min后，通入50sccm甲烷、65sccmH2和200sccm Ar气生长10min后，关闭甲烷和氢气，在Ar气气氛下以10℃/s随炉降到室温.得到生长在铜箔上的均匀单层石墨烯。
2.将现场制备的石墨烯铜箔以3000r/min旋涂7％聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，旋涂后将铜箔放于150℃加热板上烘烤15min固胶。然后将烘烤后的铜箔放于1mol/L硫酸铵溶液中溶解24h，腐蚀Cu基体。再将铜基体腐蚀后得到漂浮于硫酸铵溶液表面的粘附有单层石墨烯的PMMA薄膜转移至去离子水中备用。
3.将得到的PMMA膜转移至聚酯纤维编织的人工韧带上。然后在60℃干燥箱中将转移有PMMA膜的人工韧带烘干。再将干燥后的人工韧带浸入丙酮中12h，将PMMA溶解完全，使PMMA粘附的单层石墨烯转移至人工韧带上的到转移有单层石墨烯的人工韧带。无水乙醇冲洗韧带，去除丙酮残留。再用去离子水冲洗去除乙醇残留。最后60℃干燥箱中烘干聚酯纤维编织人工韧带。
4.将步骤2中得到的粘附有单层石墨烯的PMMA薄膜再次转移至已涂层有单层石墨烯的聚酯纤维人工韧带上，重复步骤3就可得到双层石墨烯涂层的聚酯纤维人工韧带。重复步骤2和步骤3可得到我们需要涂层的石墨烯层数。
根据以上实施例得到产品如图所示，图1为本发明的聚酯纤维编织韧带电镜照片；图2为本发明的石墨烯涂层的聚酯纤维编织韧带电镜照片。

Claims (10)

1.一种石墨烯修饰提高聚酯纤维人工韧带生物相容性的方法，其特征在于，利用腐蚀基体法将CVD法生长的大面积单层石墨烯转移到聚酯纤维编织人工韧带上以提高人工韧带生物相容性。
2.根据权利要求1所述的石墨烯修饰提高聚酯纤维人工韧带生物相容性的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
A.石墨烯的制备：
(1)将铜箔放置到CVD反应炉中；
(2)将反应炉加热，以CH4为碳源，H2为还原气体，Ar为惰性气体，通入反应炉；
(3)反应后恢复至室温，得到生长在铜箔上的均匀单层石墨烯；
B.石墨烯转移膜的制备：
(1)将制备的石墨烯铜箔旋涂聚甲基丙烯酸甲酯PMMA；
(2)旋涂后将铜箔放于加热板上烘烤固胶；
(3)将烘烤后的铜箔放于硫酸铵溶液中溶解，腐蚀Cu基体；
(4)将铜基体腐蚀后得到漂浮于硫酸铵溶液表面的粘附有单层石墨烯的PMMA薄膜；
(5)将得到的PMMA薄膜转移至去离子水中备用；
C.单层石墨烯涂层人工韧带的制备：
(1)将得到的PMMA膜转移至聚酯纤维编织的人工韧带上；
(2)在干燥箱中将转移有PMMA膜的人工韧带烘干；
(3)将干燥后的人工韧带浸入丙酮中，将PMMA溶解完全，使PMMA粘附的单层石墨烯转移至人工韧带上的到转移有单层石墨烯的人工韧带；
(4)无水乙醇冲洗韧带，去除丙酮残留；
(5)去离子水冲洗去除乙醇残留；
(6)在干燥箱中烘干聚酯纤维编织人工韧带。
3.根据权利要求2所述的石墨烯修饰提高聚酯纤维人工韧带生物相容性的方法，其特征在于，步骤A的(2)中，在3kPa条件下，将反应炉加热温度至1000℃。
4.根据权利要求2所述的石墨烯修饰提高聚酯纤维人工韧带生物相容性的方法，其特征在于，步骤B(1)中，石墨烯铜箔以3000r/min旋涂聚甲基丙烯酸甲酯。
5.根据权利要求2所述的石墨烯修饰提高聚酯纤维人工韧带生物相容性的方法，其特征在于，步骤B(2)中，加热板为150℃，烘烤时间为15min。
6.根据权利要求2所述的石墨烯修饰提高聚酯纤维人工韧带生物相容性的方法，其特征在于，选用铜箔为25μm厚铜箔，修剪为10X10cm大小的铜箔片，通过卷曲放入直径为8cm的CVD反应炉中。
7.根据权利要求6所述的石墨烯修饰提高聚酯纤维人工韧带生物相容性的方法，其特征在于，所述石墨烯制备在Ar气气氛下升温到1000℃，Ar气流量保持200sccm，升温速率为10℃/min；当铜箔达到目标温度后，通入H2气还原退火，流量为65sccm，Ar气流量与温度保持不变：20min后，通入50sccm甲烷、65sccmH2和200sccm Ar气生长10min后，关闭甲烷和氢气，在Ar气气氛下以10℃/s随炉降温，CH4：H2：Ar＝50:65:200。
8.根据权利要求7所述的石墨烯修饰提高聚酯纤维人工韧带生物相容性的方法，其特征在于，所述聚酯纤维为聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维或聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维。
9.根据权利要求6所述的石墨烯修饰提高聚酯纤维人工韧带生物相容性的方法，其特征在于，所述聚甲基丙烯酸甲酯PMMA浓度为7％。
10.根据权利要求6所述的石墨烯修饰提高聚酯纤维人工韧带生物相容性的方法，其特征在于，其特征在于，所述腐蚀铜基体所用硫酸铵溶液为1mol/L。
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