CN105267976B - 氧化石墨烯与环糊精的复合物及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及化学合成领域，具体为一种氧化石墨烯与环糊精的复合物及其制备方法，本发明的氧化石墨烯运载环糊精的复合物，按照质量分称量以下组分：氧化石墨烯1份，环糊精100‑200份。本发明还公开了一种氧化石墨烯运载环糊精结合物的制备方法，本发明在碱性环境中采用超声方式进行氧化石墨烯与环糊精的连接，并通过透析除去未结合的游离环糊精，再使用冻干技术得到氧化石墨烯运载环糊精结合物成品。在制备过程中避免使用有机溶剂以造成对氧化石墨烯表面修饰基团的破坏，将环糊精连接到氧化石墨烯分子上可以显著增加氧化石墨烯在水中的稳定性、分子识别能力与生物大分子结合能力，使其应用更加广泛。

Description

氧化石墨烯与环糊精的复合物及其制备方法

技术领域

本发明属于化学合成领域，特别涉及到氧化石墨烯与环糊精复合物及其制备方法。

背景技术

氧化石墨烯(graphene oxide)是石墨烯的氧化物，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。石墨烯是一种六边形共轭环堆积起来的二维单层碳原子片层，可以随时在横向尺寸上扩展到数十微米，有着像蜂巢一样的显微结构，使其拥有许多特殊的性质，如具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性，从而可以广泛应用于微电子、能源、材料科学以及生物医学等多个领域。石墨烯的衍生物氧化石墨烯可以通过π-π共轭与许多芳香性的化学治疗药物分子结合起来，从而改善这些药物的溶解性和生物相容性。

环糊精(Cyclodextrin，简称CD)是直链淀粉在由芽孢杆菌产生的环糊精葡萄糖基转移酶作用下生成的一系列环状低聚糖的总称，通常含有6-12个D-吡喃葡萄糖单元。其中研究得较多并且具有重要实际意义的是含有6、7、8个葡萄糖单元的分子，分别称为alpha-、beta-和gama-环糊精。根据X-线晶体衍射、红外光谱和核磁共振波谱分析的结果，确定构成环糊精分子的每个D(+)-吡喃葡萄糖都是椅式构象。各葡萄糖单元均以1，4-糖苷键结合成环。由于连接葡萄糖单元的糖苷键不能自由旋转，环糊精不是圆筒状分子而是略呈锥形的圆环。

由于环糊精的外缘亲水而内腔疏水，因而它能够像酶一样提供一个疏水的结合部位，作为主体包络各种适当的客体，如有机分子、无机离子以及气体分子等。其内腔疏水而外部亲水的特性使其可依据范德华力、疏水相互作用力、主客体分子间的匹配作用等与许多有机和无机分子形成包合物及分子组装体系，成为化学和化工研究者感兴趣的研究对象。这种选择性的包络作用即通常所说的分子识别，其结果是形成主客体包络物(Host-Guest Complex)。环糊精是迄今所发现的类似于酶的理想宿主分子，并且其本身就有酶模型的特性。因此，在催化、分离、食品以及药物等领域中，环糊精受到了极大的重视和广泛应用。由于环糊精在水中的溶解度和包结能力，改变环糊精的理化特性已成为化学修饰环糊精的重要目的之一。

氧化石墨烯本身水溶性较差，在水中会发生沉降，并且其在生理溶液中的溶解性也较差，为改善这些缺点，人们研究使用各种方法来对氧化石墨烯分子表面进行修饰，如聚乙二醇、叶酸等，但均存在修饰后氧化石墨烯分子载药量下降的问题。

目前已有环糊精与石墨烯的连接体系的相关研究和专利，如《有机化学》2012年11期发表中公布了环糊精-石墨烯超分子体系；申请号为CN102716730A的专利公布了一种纳米磁性环糊精/石墨烯生物吸附材料的制备方法，采用表面修饰技术，将磁性环糊精修饰到石墨烯表面上；申请号为CN103212306A的专利公布了一种环糊精修饰的石墨烯滤膜及其制备方法，通过环糊精对石墨烯表面修饰，形成过滤薄膜，利用环糊精的主客体保结作用和石墨烯的高吸附能力可以对水中的污染物分子实现大量的吸附和有效的去除；申请号为CN103357388 A的专利公布了一种用于水体净化的环糊精-石墨烯微球制备方法，混合氧化石墨烯和环糊精溶液后挥干水分，或者混合后加入还原剂，再挥干水分，所得固体真空干燥后得到环糊精-石墨烯复合物。目前为止，很少见解决氧化石墨烯溶解性差易聚集并且增加了其载药量的报道。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种氧化石墨烯与环糊精的复合物及其制备方法，本发明的复合物解决了氧化石墨烯溶解性差易聚集的缺点，并且增加了其载药量；本发明制备氧化石墨烯与环糊精的复合物的方法简单，制备过程中避免使用有机溶剂以造成对氧化石墨烯表面修饰基团的破坏，环糊精具有筒状分子结构，可以通过包合方式运载大分子药物，环糊精连接到氧化石墨烯分子上可以显著增加氧化石墨烯在水中的稳定性、分子识别能力与生物大分子结合能力，使其应用更加广泛。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

氧化石墨烯与环糊精的复合物，所述复合物通过氧化石墨烯运载环糊精，按重量份计由以下组分组成：氧化石墨烯1份，环糊精100-200份。

进一步，所述环糊精包括β-环糊精及其衍生物、羟丙基-β-环糊精及其衍生物、羟乙基-β-环糊精及其衍生物与γ-环糊精的一种或多种。

进一步，所述β-环糊精及其衍生物为β-环糊精、2,6-二甲基-β-环糊精、葡萄糖基-β-环糊精、磺丁醚β-环糊精与甲基-β-环糊精中的一种或多种。

进一步，所述羟丙基-β-环糊精及其衍生物为2-羟丙基-β-环糊精、3-羟丙基-β-环糊精、2,3-羟丙基-β-环糊精与2,3,6-羟丙基-β-环糊精中的一种或多种。

本发明的目的之二在于提供一种氧化石墨烯与环糊精的复合物的制备方法，包括以下步骤：

1)取上述重量份的氧化石墨烯加入到水介质中，振荡至分散均匀，搅拌状态下加入碱性溶液，调节pH值为7-14，得混合液；

2)取上述重量份的环糊精加入步骤1)所述混合液中，温度控制在15-30℃，振荡至分散均匀，搅拌状态下反应1-12h，得反应体系；

3)在步骤2)所述的反应体系中加入酸性溶液中和，调节pH值为6.8-7.0，得含有氧化石墨烯与环糊精的复合物的反应液。

反应之所以在碱性条件下进行是因为环糊精在碱性环境中溶解度会提高，并且氧化石墨烯表面的一些含氧基团会被特定的碱性物质反应，从而减小氧化石墨烯分子与环糊精分子之间的排斥力，使两者的分子间结合更加容易以达到理想的运载量。但是氧化石墨烯在碱性环境中不宜长时间存放，否则会使其分子表面所有的含氧基团都断裂，因此在连接完成后，用酸性溶液及时将反应溶液调节至中性，有利于结合物的稳定。

进一步，所述振荡的方法包括超声振荡。

作为优选，所述振荡的方法为超声振荡。

不同类型的环糊精、溶液pH的差别、加入的碱性溶液的差别均会影响环糊精的运载量，在本发明制备氧化石墨烯与环糊精的复合物的过程中，我们的目标是最少有20％的环糊精连接到氧化石墨烯分子上，才具有确切的功效意义，因此需要通过超声来分散氧化石墨烯以及环糊精，并且反应需使用特定的碱性溶液调节pH使之在碱性条件下进行，否则无法达到理想的运载量。

进一步，所述碱性溶液包括氢氧化钠溶液、磷酸氢钠溶液、碳酸钠溶液、氨水、醋酸钠溶液的一种或多种；所述酸性溶液包括盐酸。

进一步，氧化石墨烯与环糊精的复合物的制备方法还包括步骤：

4)对步骤3)所述的反应液进行透析处理，2-4天后收集溶液并冻干得氧化石墨烯与环糊精的复合物。

本发明的目的还在于提供一种检测氧化石墨烯与环糊精的复合物中运载状态及运载量的方法，使用红外光谱法鉴定氧化石墨烯与环糊精是否运载成功；使用热重分析检测环糊精的运载量。我们的目标是最少有20％的环糊精连接到氧化石墨烯分子上，才具有确切的功效意义。

作为一种优选，使用傅里叶变换红外光谱仪鉴定氧化石墨烯与环糊精是否运载成功。

进一步，所述红外光谱法鉴定中氧化石墨烯与环糊精的复合物相比氧化石墨烯多出了1040-1025cm^-1的特征峰；所述热重分析检测中氧化石墨烯的失重区间在～195℃处，环糊精的失重区间在～280℃处。

本发明的有益效果在于：本发明的氧化石墨烯与环糊精的复合物解决了氧化石墨烯溶解性差易聚集的缺点，并且增加了其载药量；本发明制备氧化石墨烯与环糊精的复合物的方法简单，制备过程中避免使用有机溶剂以造成对氧化石墨烯表面修饰基团的破坏，环糊精具有筒状分子结构，可以通过包合方式运载大分子药物，环糊精连接到氧化石墨烯分子上可以显著增加氧化石墨烯在水中的稳定性、分子识别能力与生物大分子结合能力，使其应用更加广泛。

具体实施方式

以下对本发明的优选实施例进行详细描述。优选实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，所举实施例是为了更好地对本发明的内容进行说明，但并不是本发明的内容仅限于所举实施例。所以熟悉本领域的技术人员根据上述发明内容对实施方案进行非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

本发明所述的氧化石墨烯与环糊精复合物的制备方法实施例及比对实施例：

实施例1

取10mg氧化石墨烯溶于20mL水，超声至分散均匀，在搅拌状态下加入氢氧化钠溶液调节pH值至11，再加入1.4gβ-环糊精，超声至分散均匀，慢速搅拌8小时。反应完后用盐酸溶液中和，调节溶液pH值至6.8-7.0。接下来用100kDa透析袋透析4天后收集溶液并冻干获得成品。成品为深棕色絮状固体。经热重分析法检测，环糊精的运载量为29.4％(质量分数)。

实施例2

取10mg氧化石墨烯溶于20mL水，超声至分散均匀，在搅拌状态下加入氨水调节pH值至11.8-12，再加入1.6g羟丙基-β-环糊精，超声至分散均匀，慢速搅拌12小时。反应完后用盐酸溶液中和，调节溶液pH值至6.8-7.0。接下来用100kDa透析袋透析4天后收集溶液并冻干获得成品。成品为深棕色絮状固体。经热重分析法检测，环糊精的运载量为39.7％(质量分数)。

实施例3

取10mg氧化石墨烯溶于20mL水，超声至分散均匀，在搅拌状态下加入碳酸钠溶液调节pH值至8.8-9，再加入1.6g羟丙基-β-环糊精，超声至分散均匀，慢速搅拌12小时。反应完后用盐酸溶液中和，调节溶液pH值至6.8-7.0。接下来用100kDa透析袋透析4天后收集溶液并冻干获得成品。成品为深棕色絮状固体。经热重分析法检测，环糊精的运载量为33.1％(质量分数)。

实施例4

取10mg氧化石墨烯溶于20mL水，超声至分散均匀，在搅拌状态下加入碳酸氢钠溶液调节pH值至8-8.2，再加入1.6g羟丙基-β-环糊精，超声至分散均匀，慢速搅拌12小时。反应完后用盐酸溶液中和，调节溶液pH值至6.8-7.0。接下来用100kDa透析袋透析4天后收集溶液并冻干获得成品。成品为深棕色絮状固体。经热重分析法检测，环糊精的运载量为20.1％(质量分数)。

实施例5

取10mg氧化石墨烯溶于20mL水，超声至分散均匀，在搅拌状态下加入醋酸钠溶液调节pH值至8.8-9，再加入2g羟乙基-β-环糊精，超声至分散均匀，慢速搅拌3小时。反应完后用盐酸溶液中和，调节溶液pH值至6.8-7.0。接下来用100kDa透析袋透析4天后收集溶液并冻干获得成品。成品为深棕色絮状固体。经热重分析法检测，环糊精的运载量为20.0％(质量分数)。

对比实施例1未加入碱性溶液对比实施例

取10mg氧化石墨烯溶于20mL水，超声至分散均匀，在搅拌状态下加入2g羟乙基-β-环糊精，超声至分散均匀，慢速搅拌12小时。搅拌12小时候固体呈絮状沉淀状态分散在水中，无法得到溶液或混悬液。

对比实施例1未使用超声振荡对比实施例

取10mg氧化石墨烯溶于20mL水，搅拌至分散均匀，在搅拌状态下加入碳酸钠溶液调节pH值至8.8-9，再加入1.6g羟丙基-β-环糊精，搅拌至分散均匀，慢速搅拌12小时。反应完后用盐酸溶液中和，调节溶液pH值至6.8-7.0。接下来用100kDa透析袋透析4天后收集溶液并冻干获得成品。成品为浅棕色絮状固体。经热重分析法检测，环糊精的运载量为0.8％(质量分数)。

从上述实施例可以看出，不同类型的环糊精、溶液pH的差别、加入的碱性溶液的差别均会影响环糊精的运载量，在上述结合物中，我们的目标是最少有20％的环糊精连接到氧化石墨烯分子上，才具有确切的功效意义。因此必须通过超声来分散氧化石墨烯以及环糊精，并且反应需使用特定的碱性溶液调节pH使之在碱性条件下进行，否则无法达到理想的运载量。反应之所以在碱性条件下进行是因为环糊精在碱性环境中溶解度会提高，并且氧化石墨烯表面的一些含氧基团会被特定的碱性物质反应，从而减小氧化石墨烯分子与环糊精分子之间的排斥力，使两者的分子间结合更加容易。但是氧化石墨烯在碱性环境中不宜长时间存放，否则会使其分子表面所有的含氧基团都断裂，因此在连接完成后，用盐酸及时将反应溶液调节至中性，有利于结合物的稳定。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.氧化石墨烯与环糊精的复合物，其特征在于，所述复合物通过氧化石墨烯运载环糊精，按重量份计由以下组分组成：氧化石墨烯1份，环糊精100-200份；

所述的氧化石墨烯与环糊精的复合物的制备方法，包括以下步骤：

1)取所述重量份的氧化石墨烯加入到水介质中，超声振荡至分散均匀，搅拌状态下加入碱性溶液，调节pH值为8-14，得混合液；

2)取所述重量份的环糊精加入步骤1)所述混合液中，温度控制在15-30℃，超声振荡至分散均匀，搅拌状态下反应1-12h，得反应体系；

3)在步骤2)所述的反应体系中加入酸性溶液中和，调节pH值为6.8-7.0，得含有氧化石墨烯与环糊精的复合物的反应液。

2.根据权利要求1所述的复合物，其特征在于，所述环糊精包括β-环糊精及其衍生物和γ-环糊精的一种或多种。

3.根据权利要求2所述的复合物，其特征在于，所述β-环糊精衍生物为羟丙基-β-环糊精、羟乙基-β-环糊精、葡萄糖基-β-环糊精、磺丁醚-β-环糊精、甲基-β-环糊精的一种或多种。

4.根据权利要求3所述的复合物，其特征在于，所述羟丙基-β-环糊精为2-羟丙基-β-环糊精、3-羟丙基-β-环糊精、2,3-羟丙基-β-环糊精与2,3,6-羟丙基-β-环糊精的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的复合物，其特征在于，所述碱性溶液包括氢氧化钠溶液、磷酸氢钠溶液、碳酸钠溶液、氨水、醋酸钠溶液的一种或多种；所述酸性溶液包括盐酸。

6.根据权利要求1所述的复合物，其特征在于，所述制备方法还包括步骤：

4)对步骤3)所述的反应液进行透析处理，2-4天后收集溶液并冻干得氧化石墨烯与环糊精的复合物。

7.检测氧化石墨烯与环糊精的复合物中运载状态及运载量的方法，其特征在于，使用红外光谱法鉴定氧化石墨烯与环糊精是否运载成功；使用热重分析检测环糊精的运载量；

所述红外光谱法鉴定中氧化石墨烯与环糊精的复合物相比氧化石墨烯多出了1040-1025cm^-1的特征峰；所述热重分析检测中氧化石墨烯的失重区间在～195℃处，环糊精的失重区间在～280℃处。