CN104275098B - 一种仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜的制备方法，包括以下步骤：首先，将结冷胶溶液与氧化石墨烯分散液充分混合；然后，将混合溶液经过反复地调酸、离心、洗涤、分散，得到结冷胶吸附、交联的氧化石墨烯纳米杂化物分散液；最后，以此纳米杂化物作为氧化石墨烯纳米复合膜的构筑模块，采用真空抽滤的方法将纳米杂化物自组装，形成具有优异力学性能的仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜。本发明所制备的氧化石墨烯纳米复合膜具有有序“砖-泥”层状结构，其力学性能接近于天然贝壳。本发明纳米复合膜还具有良好的生物相容性，可用于组织工程和生物医药等领域。

Description

一种仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜的制备方法

技术领域

本发明涉及一种纳米复合膜的制备方法，具体涉及一种仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜的制备方法，属于仿生技术领域。

背景技术

自然界在长期演化过程中创造出了许多完美的结构。其中，贝壳是一种由大部分的无机矿物质(通常是碳酸钙、磷酸钙和无定形氧化硅)和小部分的生物高分子(典型的是角蛋白、胶原蛋白、甲壳素，占比1-5％)组成的有机/无机天然层状结构材料，其独特的多级次有序“砖-泥”组装结构赋予它具有质量轻、强度高、韧性好的优异力学性能。

受天然贝壳多级层状“砖-泥”结构的启发，国内外许多研究者已利用不同的方法合成制备了一系列高强超韧性层状复合材料。例如，Kotov等[Nat.Mater.2003,2,413；NanoLett.2007,7,1123；Science2007,80,318；Coord.Chem.Rev.2009,253,2835]利用粘土和高分子层层组装(LBL)的方法成功制备了一系列自支撑的仿贝壳结构层状纳米复合膜材料，其杂化薄膜的力学强度可以与天然贝壳相仿；Deville[Science2006,311,515]，Launey[J.R.Soc.Interface2010,7,741]等通过使用冰模板自组装技术，将三氧化二铝和羟基磷灰石排列成有序的框架结构，再往无机层状框架中填入高分子形成类贝壳结构层状的纳米复合材料，得到了大尺寸的框架结构；Wang[Science2008,322,238]，Long[Copos.Sci.Technol.2007,67,2770]和Lin[Mater.Sci.Eng.2008,28,218]等通过电泳沉积的方法制备了一系列纳米粘土片复合薄膜材料；近年来，Yu等[Angew.Chem.,Int.Ed.2010,49,10127]利用真空抽滤的方法制备了壳聚糖/蒙脱土类贝壳复合薄膜材料；同样，Walther[NanoLett.2010,10,2742]等也采用真空抽滤的方法，借鉴造纸法的工艺，制备了纳米粘土基的多层复合薄膜。由此，一些新颖的微/纳米组装单元和先进组装技术的发现，促进了仿贝壳结构层状纳米复合材料的发展。

近年来，氧化石墨烯作为一种水溶性的石墨烯衍生物，由于其表面和侧面具有丰富的含氧官能团，有利于它在水溶液中分散以及化学改性，因而是仿贝壳结构层状纳米复合材料的理想构筑单元。然而，尽管氧化石墨烯本身力学性能优异，但是氧化石墨烯片层之间的作用力只有比较弱的氢键作用，因此需要提高氧化石墨烯层间的强度。目前普遍采用的方法主要包括：1)二价金属离子交联(Ca²⁺，Mg²⁺)[ACSNano2008,2,572]；2)硼酸盐交联[Adv.Mater.2011,23,3842]；3)聚丙烯胺或烷基胺交联[J.Phys.Chem.C2009,113,15801；Chem.Mater.2010,22,4153]；4)戊二醛交联[ACSNano2011,5,2134]；5)氢键作用[ACSNano2012,6,2008]。虽然应用这些方法可使复合材料的力学强度增强，但是却造成膜的韧性大幅下降。此外，上述方法交联后的氧化石墨烯缺乏一定的溶解性和分散性，从而限制了复合膜的有效制备和再加工性能。而且，现有的制备方法造成氧化石墨烯复合膜内部片层之间的结合力来源单一，荷载后只具有单一的能量耗散方式。同时，现有技术方案中选用的有机物大多为化学合成的物质，其中大部分都具有一定的毒性，因此限制了氧化石墨烯复合膜在生物材料领域的应用。

鉴于现有技术的缺陷，本领域技术人员致力于研发一种既具有优异力学性能又具有良好生物相容性的氧化石墨烯薄膜。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中不能绿色、快速、准确地模仿贝壳的“砖-泥”结构以及优异的力学性能和生物相容性的问题，从而提出一种快速、绿色制备具有优异力学性能和良好生物相容性的仿贝壳结构层状纳米复合材料。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：将一定量的氧化石墨烯与结冷胶的混合溶液充分搅拌混合均匀后，加入酸性溶液调整pH值，使其产生沉淀，离心、洗涤所得沉淀，超声分散于去离子水中，得到结冷胶吸附、交联的氧化石墨烯纳米杂化物分散液。最后，采用真空抽滤的方法将此纳米杂化物自组装形成仿贝壳结构的层状氧化石墨烯纳米复合膜。

具体实施步骤如下：

由Hummer法制得氧化石墨烯，向氧化石墨烯中加入去离子水，配制成浓度为0.5-5mg/mL的氧化石墨烯分散液，将该分散液超声分散10-20min，超声频率20-40KHz，得到稳定的氧化石墨烯分散液。

将一定质量的结冷胶搅拌分散在去离子水中，于80℃-90℃条件下加热10-15min，得到结冷胶溶液，浓度为0.5-10mg/mL。

向氧化石墨烯分散液中加入一定量的结冷胶溶液，室温下搅拌12-24h，使结冷胶与氧化石墨烯充分发生作用，得到结冷胶与氧化石墨烯的混合溶液。

调整此混合溶液的0＜pH≤3.5，使其产生明显沉淀，反复离心、洗涤所得沉淀，离心转速大于5000r/min，去离子水洗涤3-5次；然后重新超声分散于去离子水中，得到结冷胶吸附并且交联的氧化石墨烯纳米杂化物分散液，分散液浓度为0.1-0.5mg/mL。

采用真空抽滤的方法将此杂化物自组装成仿贝壳结构的层状氧化石墨烯纳米复合膜。抽滤的真空度高于-0.1MPa，抽滤时间为12-24h。

与传统工艺技术相比，本发明具有如下优点：

(1)结冷胶是一种天然发酵型多糖，为一种大宗使用的食品添加剂，来源广泛，廉价易得。

(2)制备过程无需复杂设备，简单易行，适合大规模工业化生产。

(3)本发明薄膜复合材料的层层自组装是通过真空抽滤的方式实现的，该方式操作简单方便，具有绿色、经济、快速的特点。

(4)本发明开创性探索了一种新的可溶性交联氧化石墨烯纳米杂化物，此纳米杂化物为氧化石墨烯纳米复合膜提供了更为理想基本构筑单元。

(5)本发明所制备的层状氧化石墨烯纳米复合膜具有多重的层间结合力(包括配位键、离子键以及氢键作用)，这种新型的多重结合力下的复合膜比单一结合力的复合膜具有更高的强度和更大的韧性，荷载后遵循多重能量耗散机理。

本发明所制备的纳米薄膜复合材料具有良好的生物相容性，可在组织工程和生物医药等领域得到广泛应用。

附图说明

图1为本发明一个较佳实施例中吸附了结冷胶的交联氧化石墨烯纳米杂化物的AFM图；

图2为本发明一个较佳实施例中仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜的断面SEM图；

图3为本发明一个较佳实施例中仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜的断面高分辨SEM图；

图4为本发明一个较佳实施例中仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜的拉伸应力-应变曲线；

图5为肺癌细胞在聚苯乙烯细胞培养板表面生长72h后的荧光照片；

图6为肺癌细胞在本发明一个较佳实施例制备的仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜表面生长72h后的荧光照片；

图7为本发明一个较佳实施例制备的仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜照片。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进行了详细描述。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是为了帮助理解本发明，不应视为对本发明保护范围的具体限制。

实施例1

1)氧化石墨烯的制备

氧化石墨烯的制备采用经典的Hummer法：在冰水浴中，搅拌条件下将69mL98％的浓硫酸加入到3g天然鳞片石墨与1.5gNaNO₃的混合物中，搅拌维持10-20min至反应物混合均匀；然后，称取9gKMnO₄缓慢加入到上述反应液中，整个过程维持体系温度在20℃下，反应2h；随后将反应液温度升高到35℃，继续反应30min；再向整个反应体系中缓慢加入138mL去离子水，体系放出大量的热，致使整个体系温度升高至98℃，在此温度下维持15min；反应结束后再向溶液中加入420mL去离子水和3mLH₂O₂还原过量的KMnO4，可观察到混合液不断有气泡冒出，且溶液由褐色转变成黄色，反应10min后，至无气泡冒出时反应停止。

将上述所制备的氧化石墨烯分散液静置24h，倒出上层清液，抽滤掉沉淀中的水分，所得沉淀物再用200mL30％的HCl反复抽滤洗涤3次，200mL去离子水反复离心洗涤3次。随后，将此沉淀超声分散在300mL去离子水中，在低速大容量离心机上4000r/min离心洗涤。最后将所得的氧化石墨烯水分散液在40℃的真空干燥箱中烘干，得氧化石墨烯固体。

2)结冷胶吸附、交联的氧化石墨烯纳米杂化物的制备

称取25mg结冷胶粉末，搅拌分散在50mL去离子水中，将此分散液在85℃条件下加热13min，冷却到室温，得0.5mg/mL的结冷胶溶液。向上述结冷胶溶液中加入25mg氧化石墨烯，在40KHz频率下超声10min，得到结冷胶与氧化石墨烯的混合溶液(结冷胶与氧化石墨烯的质量比为1:1)，将此混合溶液在室温下搅拌18h使结冷胶与氧化石墨烯充分发生反应。然后，用稀盐酸溶液调节该混合溶液的pH为1，使之产生沉淀，最后用200mL去离子水反复离心、洗涤所得沉淀3次，将得到的沉淀冷冻干燥得到结冷胶吸附、交联的氧化石墨烯纳米杂化物。

3)仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜的制备

取25mg氧化石墨烯纳米杂化物加入到50mL去离子水中，在40KHz频率条件下超声5min，得0.5mg/mL的氧化石墨烯纳米杂化物分散液。然后，将此分散液倒入纯水过滤器中，连接真空泵，控制真空度高于-0.1MPa，连续抽滤24h后保证滤膜上方水分已完全抽干，停止抽真空，将粘有复合膜的滤纸从过滤器上取下，室温下自然晾干24h，最后从滤纸上将复合膜揭下，最终得到层状的氧化石墨烯纳米复合膜，如图7所示。

4)本发明所制备仿贝壳结构层状氧化石墨烯复合膜的表征

为证明本发明中仿贝壳结构层状氧化石墨烯的成功制备，对所制得的结冷胶/氧化石墨烯纳米杂化物以及氧化石墨烯复合膜进行了一系列的表征。红外光谱和原子力显微镜(AFM)(图1)分析表明，氧化石墨烯纳米片上吸附了结冷胶大分子，石墨烯中的羧酸基团与结冷胶中少量的二价金属抗衡离子(Ca²⁺和Mg²⁺)发生了配位反应，促使不同的氧化石墨烯纳米片层之间通过结冷胶分子链产生交联。图2为所得仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜的断面SEM照片，图3为相应的高分辨SEM照片。可以看到，所得纳米复合膜呈现明显的层状微结构，层与层之间无明显空隙，聚合物结冷胶填满了整个空腔，其断裂面也很平整。这种微观层状结构表明，所制备的复合膜符合天然贝壳的层状“砖-泥”结构。图4为所得复合膜的应力-应变曲线。所得膜的断裂拉伸强度为88.7MPa，断裂生长率为0.8％，这与天然贝壳的力学性质相仿。

图5为肺癌细胞在普通聚苯乙烯培养基表面培养72h的荧光照片，图6为肺癌细胞在仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜表面培养72h的荧光照片。可以看出，肺癌细胞在复合膜表面同聚苯乙烯培养基表面一样显示了很好的粘附性，并且其细胞形态也近乎相同。由此说明，本发明所制备的仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜具有良好的生物相容性，有望能够在生物医学领域中得到广泛地应用。

实施例2

1)氧化石墨烯的制备，同实施例1。

2)结冷胶吸附、交联的氧化石墨烯纳米杂化物的制备

称取0.5g结冷胶粉末，搅拌分散在50mL去离子水中，将此分散液在80℃条件下加热20min，冷却到室温，得10mg/mL的结冷胶溶液。向上述结冷胶溶液中加入25mg氧化石墨烯，在40KHz频率下超声10min，得到结冷胶与氧化石墨烯的混合溶液(结冷胶与氧化石墨烯的质量比为20:1)，将此混合溶液在室温下搅拌12h使结冷胶与氧化石墨烯充分发生反应。然后，用稀盐酸溶液调节该混合溶液的pH为3.5，使之产生沉淀，最后用500mL去离子水反复离心、洗涤所得沉淀4次，将得到的沉淀冷冻干燥得到结冷胶吸附、交联的氧化石墨烯纳米杂化物。

3)仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜的制备

取25mg氧化石墨烯纳米杂化物加入到100mL去离子水中，在40KHz频率条件下超声8min，得0.25mg/mL的氧化石墨烯纳米杂化物分散液。然后，将此分散液倒入纯水过滤器中，连接真空泵，控制真空度高于-0.1MPa，连续抽滤36h后保证滤膜上方水分已完全抽干，停止抽真空，将粘有复合膜的滤纸从过滤器上取下，室温下自然晾干24h，最后从滤纸上将复合膜揭下，最终得到层状的氧化石墨烯纳米复合膜。

实施例3

1)氧化石墨烯的制备，同实施例1。

2)结冷胶吸附、交联的氧化石墨烯纳米杂化物的制备

称取0.5g结冷胶粉末，搅拌分散在50mL去离子水中，将此分散液在90℃条件下加热20min，冷却到室温，得10mg/mL的结冷胶溶液。向上述结冷胶溶液中加入250mg氧化石墨烯，在30KHz频率下超声20min，得到结冷胶与氧化石墨烯的混合溶液(结冷胶与氧化石墨烯的质量比为2:1)，将此混合溶液在室温下搅拌24h使结冷胶与氧化石墨烯充分发生反应。然后，用稀盐酸溶液调节该混合溶液的pH为2.5，使之产生沉淀，最后用500mL去离子水反复离心、洗涤所得沉淀5次，将得到的沉淀冷冻干燥得到结冷胶吸附、交联的氧化石墨烯纳米杂化物。

3)仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜的制备

取25mg氧化石墨烯纳米杂化物加入到250mL去离子水中，在40KHz频率条件下超声5min，得0.1mg/mL的氧化石墨烯纳米杂化物分散液。然后，将此分散液倒入纯水过滤器中，连接真空泵，控制真空度高于-0.1MPa，连续抽滤48h后保证滤膜上方水分已完全抽干，停止抽真空，将粘有复合膜的滤纸从过滤器上取下，室温下自然晾干24h，最后从滤纸上将复合膜揭下，最终得到层状的氧化石墨烯纳米复合膜。

实施例4

1)氧化石墨烯的制备，同实施例1。

2)结冷胶吸附、交联的氧化石墨烯纳米杂化物的制备

称取250mg结冷胶粉末，搅拌分散在50mL去离子水中，将此分散液在90℃条件下加热13min，冷却到室温，得0.5mg/mL的结冷胶溶液。向上述结冷胶溶液中加入25mg氧化石墨烯，在40KHz频率下超声10min，得到结冷胶与氧化石墨烯的混合溶液(结冷胶与氧化石墨烯的质量比为10:1)，将此混合溶液在室温下搅拌16h使结冷胶与氧化石墨烯充分发生反应。然后，用稀盐酸溶液调节该混合溶液的pH为2，使之产生沉淀，最后用400mL去离子水反复离心、洗涤所得沉淀3次，将得到的沉淀冷冻干燥得到结冷胶吸附、交联的氧化石墨烯纳米杂化物。

3)仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜的制备

取25mg氧化石墨烯纳米杂化物加入到125mL去离子水中，在40KHz频率条件下超声5min，得0.2mg/mL的氧化石墨烯纳米杂化物分散液。然后，将此分散液倒入纯水过滤器中，连接真空泵，控制真空度高于-0.1MPa，连续抽滤28h后保证滤膜上方水分已完全抽干，停止抽真空，将粘有复合膜的滤纸从过滤器上取下，室温下自然晾干24h，最后从滤纸上将复合膜揭下，最终得到层状的氧化石墨烯纳米复合膜。

实施例5

1)氧化石墨烯的制备，同实施例1。

2)结冷胶吸附、交联的氧化石墨烯纳米杂化物的制备

称取25mg结冷胶粉末，搅拌分散在50mL去离子水中，将此分散液在85℃条件下加热15min，冷却到室温，得0.5mg/mL的结冷胶溶液。向上述结冷胶溶液中加入375mg氧化石墨烯，在20KHz频率下超声20min，得到结冷胶与氧化石墨烯的混合溶液(结冷胶与氧化石墨烯的质量比为15:1)，将此混合溶液在室温下搅拌40h使结冷胶与氧化石墨烯充分发生反应。然后，用稀盐酸溶液调节该混合溶液的pH为1.5，使之产生沉淀，最后用400mL去离子水反复离心、洗涤所得沉淀3次，将得到的沉淀冷冻干燥得到结冷胶吸附、交联的氧化石墨烯纳米杂化物。

3)仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜的制备

取25mg氧化石墨烯纳米杂化物加入到250mL去离子水中，在40KHz频率条件下超声8min，得0.1mg/mL的氧化石墨烯纳米杂化物分散液。然后，将此分散液倒入纯水过滤器中，连接真空泵，控制真空度-0.1MPa，连续抽滤38h后保证滤膜上方水分已完全抽干，停止抽真空，将粘有复合膜的滤纸从过滤器上取下，室温下自然晾干24h，最后从滤纸上将复合膜揭下，最终得到层状的氧化石墨烯纳米复合膜。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜的制备方法，其特征在于，所述复合膜是由结冷胶吸附、交联的氧化石墨烯纳米杂化物自组装形成；所述制备方法包括以下步骤：

1)制备氧化石墨烯分散液：在超声震荡条件下，将氧化石墨烯分散于水中，得到所述氧化石墨烯分散液；

2)制备结冷胶吸附、交联的氧化石墨烯纳米杂化物：室温条件下，将结冷胶溶液与所述氧化石墨烯分散液充分混合，得到混合溶液；调节pH值使所述混合溶液产生沉淀物，然后对所述沉淀物进行反复离心、洗涤，冷冻干燥得到所述结冷胶吸附、交联的氧化石墨烯纳米杂化物；

3)制备仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜：将所述结冷胶吸附、交联的氧化石墨烯纳米杂化物重新超声分散于去离子水中，得到纳米杂化物分散液；而后采用真空抽滤的方法对所述纳米杂化物分散液抽滤，所述结冷胶吸附、交联的氧化石墨烯纳米杂化物自组装形成所述仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜。

2.根据权利要求1所述的一种仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯由Hummer法制得，所述氧化石墨烯的质量浓度为0.5-5mg/mL。

3.根据权利要求1所述的一种仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜的制备方法，其特征在于，步骤1)中，超声时间为10-20min，超声频率为20-40KHz。

4.根据权利要求1所述的一种仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜的制备方法，其特征在于，步骤2)所述结冷胶溶液浓度为0.5-10mg/mL。

5.根据权利要求1所述的一种仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜的制备方法，其特征在于，步骤2)所述混合溶液中氧化石墨烯与结冷胶的质量比为1:1-1:20。

6.根据权利要求1所述的一种仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述结冷胶溶液与所述氧化石墨烯分散液混合时间为12-24h。

7.根据权利要求1所述的一种仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜的制备方法，其特征在于，步骤2)中，使用稀盐酸溶液调节pH值，调整范围为0＜pH≤3.5。

8.根据权利要求1所述的一种仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述离心的转速≥5000r/min，所述洗涤使用去离子水，洗涤过程反复循环进行3-5次。

9.根据权利要求1所述的一种仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜的制备方法，其特征在于，步骤3)所述纳米杂化物分散液的浓度为0.1-0.5mg/mL。

10.根据权利要求1所述的一种仿贝壳结构层状氧化石墨烯纳米复合膜的制备方法，其特征在于，步骤3)所述真空抽滤的真空度高于-0.1MPa，抽滤时间为12-24h。