CN110452397B - 三维石墨烯泡沫/天然多糖基水凝胶复合支架及其制法 - Google Patents

三维石墨烯泡沫/天然多糖基水凝胶复合支架及其制法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三维石墨烯泡沫/天然多糖基水凝胶复合支架及其制法。所述复合支架包括：三维石墨烯泡沫，以及，与三维石墨烯泡沫结合的天然多糖基水凝胶。本发明的三维石墨烯泡沫/天然多糖基水凝胶复合支架兼具石墨烯和水凝胶的优势，并且其中天然多糖基水凝胶还显著提高了三维石墨烯泡沫的韧性，并使复合支架的导电性良好，其在应用于细胞培养时，使细胞粘附铺展生长，能够通过化学键合的生物因子调控细胞行为。

Description

三维石墨烯泡沫/天然多糖基水凝胶复合支架及其制法
技术领域
本发明属于组织工程领域，具体涉及一种三维石墨烯泡沫/天然多糖基水 凝胶复合支架及其制备方法，以及该复合支架在培养细胞中的应用。
背景技术
石墨烯是一种单层或少层的碳原子组成的二维碳纳米材料,是目前为止最薄 的材料，具有优异的物理化学性质，如极高的电子迁移率，可调光学性能，高机 械强度和良好的导热导电性，在材料、物理和化学领域受到了广泛关注。利用模 板法制备的自支撑三维石墨烯泡沫中缺陷堆叠较少，能够将二维石墨烯在纳米 尺度的优异理化性质扩展到三维宏观领域。在生物学应用过程中发现，与二维石 墨烯相比，三维墨烯泡沫具有三维多孔结构、较大的比表面积以及独特的表面拓 扑结构能够更好地模拟细胞生长微环境。三维石墨烯泡沫支架用于细胞培养时， 具有良好的生物相容性，能够明显的促进神经干细胞的增殖并能够促进神经干 细胞向神经元和胶质细胞的分化。此外，三维石墨烯泡沫作为一种导电性材料， 还能够通过电刺激的方式诱导细胞分化行为。
通过将不同材料与石墨烯复合制备出三维石墨烯复合支架，进一步改善 了石墨烯的性质，增加了石墨烯的适用性。由于三维石墨烯泡沫具有较高的 刚性和多孔结构，存在柔韧性不足的问题，使其在体内应用时，难以在一些 特定组织的压力下保持三维结构的完整性。目前，利用氧化石墨烯参杂自组 装形成的三维石墨烯支架，具有空间不连续性的缺点，而且其电导性也相对 较差。因此，对于三维石墨烯泡沫的临床应用而言，提高其韧性是至关重要 的。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种三维石墨烯泡沫/天然多糖基水凝胶复合支 架及其制备方法与应用，以克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种三维石墨烯泡沫/天然多糖基水凝胶复合支架，其 包括：三维石墨烯泡沫以及天然多糖基水凝胶，所述天然多糖基水凝胶填充于三 维石墨烯泡沫所含的孔洞内，并与三维石墨烯泡沫中的石墨烯骨架紧密结合形 成三维网状结构。
本发明实施例还提供了一种三维石墨烯泡沫/天然多糖基水凝胶复合支架的 制备方法，其包括：
提供三维石墨烯泡沫；
对天然多糖进行双键化修饰，得到天然多糖交联剂；
以及，使天然多糖交联剂与光引发剂混合加入到三维石墨烯泡沫中，在紫外 光照下反应，获得三维石墨烯泡沫/天然多糖基水凝胶复合支架。
本发明实施例还提供了前述三维石墨烯泡沫/天然多糖基水凝胶复合支架于 培养细胞中的用途，其中，所述细胞包括间充质干细胞、成纤维细胞，心肌细胞， 成骨细胞中的任意一种或两种以上的组合。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明以泡沫镍为模板，利用化学气 相沉积的方法制备三维石墨烯泡沫，缺陷少，质量好，在形成的复合支架中，三 维石墨烯泡沫为一体架构，不存在三维石墨烯空间不连续性的问题；本发明的三 维石墨烯泡沫/天然多糖基水凝胶复合支架兼具石墨烯和水凝胶的优势，并且其 中天然多糖基水凝胶还显著提高了三维石墨烯泡沫的韧性，并使复合支架的导 电性良好，其在应用于细胞培养时，使细胞粘附铺展生长，能够通过化学键合的 生物因子调控细胞行为。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面 描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员 来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一实施方案的原理图；
图2a是实施例1中三维石墨烯泡沫/昆布多糖基水凝胶复合支架的应力应 变曲线图，图2b-2d、2e-2g、2h-2j、2k-2m分别是昆布多糖基水凝胶、三维石墨 烯、复合支架压缩前后的正视和侧视图；
图3a-3d是本发明实施例1中昆布多糖基水凝胶、三维石墨烯泡沫、复合支 架、RGD修饰的复合支架的电子扫描显微镜的图片
具体实施方式
鉴于现有技术的缺陷，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本 发明的技术方案，主要是通过将一体架构的三维石墨烯泡沫与天然多糖基水 凝胶结合形成复合支架(原理如图1所示)，其中，天然多糖基水凝胶作为 生物因子载体，使该复合支架通过化学键键合生物因子，达到调控细胞行为 的目的。
本发明实施例的一个方面提供的一种三维石墨烯泡沫/天然多糖基水凝胶复 合支架，其包括：三维石墨烯泡沫以及天然多糖基水凝胶，所述天然多糖基水凝 胶填充于三维石墨烯泡沫所含的孔洞内，并与三维石墨烯泡沫中的石墨烯骨架 紧密结合形成三维网状结构。
进一步地，所述三维石墨烯泡沫所含孔洞的孔径范围为50-300μm。
进一步地，所述天然多糖水凝胶的来源包括葡聚糖、透明质酸、壳聚糖、昆 布多糖中的任意一种，且不限于此。
进一步地，所述天然多糖水凝胶的来源为昆布多糖。
更进一步地，所述昆布多糖的分子量为5k-500k。
本发明实施例的另一个方面还提供了一种三维石墨烯泡沫/天然多糖基水凝 胶复合支架的制备方法，其包括：
提供三维石墨烯泡沫；
对天然多糖进行双键化修饰，得到天然多糖交联剂；
以及，使天然多糖交联剂与光引发剂混合加入到三维石墨烯泡沫中，在紫外 光照下反应，获得三维石墨烯泡沫/天然多糖基水凝胶复合支架。
进一步地，所述天然多糖包括葡聚糖、透明质酸、壳聚糖、昆布多糖中的任 意一种，且不限于此。
进一步地，所述昆布多糖的分子量为5k-500k，修饰度为10％-80％。
进一步地，所述光引发剂包括2-羟基-4'-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮， 且不限于此。
本发明采用的三维石墨烯泡沫可以采用业界已知的方式制备，例如可以通 过化学气相沉积法合成。
进一步地，所述CVD法制备三维石墨烯泡沫还包括对三维石墨烯泡沫进行 腐蚀、清洗、干燥的步骤，以便除去模板泡沫镍。
在一些较为具体的实施案例中，所述天然多糖进行双键化包括：在保护气氛 下，将天然多糖、二甲基亚砜、4-二甲基吡啶、甲基丙烯酸缩水甘油酯混合，之 后在搅拌条件下室温避光反应40-50h，然后加入酸性物质使反应终止，再经后 处理获得双键修饰的天然多糖交联剂。
进一步地，所述天然多糖、4-二甲基吡啶、甲基丙烯酸缩水甘油酯的用量比 为(200～1000):(33.4～167):(125～625)。
进一步地，所述天然多糖与二甲基亚砜的用量比为100mg:1mL～2mL。
进一步地，所述酸性物质与4-二甲基吡啶终的摩尔比为1:1。
进一步地，所述酸性物质包括盐酸。
进一步地，所述保护气氛包括氮气和/或惰性气体。
进一步地，所述的后处理包括：在所述的反应终止后，将所获混合液在室温 下用去用离子水透析5～7天，再经冷冻干燥获得双键修饰的天然多糖交联剂。
进一步地，所述透析采用的透析袋的截留分子量为2-5k。
在一些较为具体的实施案例中，所述制备方法还包括：将天然多糖交联剂与 光引发剂混合均匀，随后加入到三维石墨烯泡沫中，震荡使交联剂渗入三维石墨 烯泡沫所含孔洞中，然后置于紫外光下反应，原位成胶，获得三维石墨烯泡沫/ 天然多糖基水凝胶复合支架。
本发明实施例的另一个方面还提供了所述三维石墨烯泡沫/天然多糖基水凝 胶复合支架于培养细胞中的用途。
进一步地，所述细胞包括间充质干细胞、成纤维细胞，心肌细胞，成骨细胞 中的任意一种或两种以上的组合，且不限于此。
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人 员很容易理解，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具 体限制。
实施例1：三维石墨烯泡沫/昆布多糖基水凝胶复合支架的制备
(1)利用化学气相沉积法制备三维石墨烯泡沫；
(2)称取400mg昆布多糖，在氮气保护下依次加入4mL二甲基亚砜、66.8 mg 4-二甲基吡啶、250mg甲基丙烯酸缩水甘油酯搅拌至完全溶解。将混合溶液 在室温下避光搅拌反应48h；加入等摩尔量的浓盐酸溶液中和溶液中的4-二甲 基吡啶，以终止反应。将反应后的混合液用去离子水透析5天(截留分子量为 3.5k)，经冷冻干燥得到双键修饰的昆布多糖交联剂，反应如下：
Figure BDA0002170792990000051
其中，昆布多糖的分子量为5k-500k。
(3)将得到的昆布多糖交联剂与2-羟基-4'-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮 混合均匀，随后加入到三维石墨烯泡沫中，震荡使交联剂渗入三维石墨烯泡沫孔 隙中，然后将其置于紫外光下反应，原位成胶，获得三维石墨烯泡沫/昆布多糖 基水凝胶复合支架。
取实施例1中三维石墨烯泡沫/昆布多糖基水凝胶复合支架进行性能表征
(1)三维石墨烯泡沫/昆布多糖基水凝胶复合支架的压缩性能
以实施例1中制备得到的三维石墨烯泡沫/昆布多糖基水凝胶复合支架进行 压缩性能测试。见图2a-2m所示，其中，图2b、2e、2h、2k分别是水凝胶压缩 前后的正视和侧视图，图2c、2f、2i、2l分别是三维石墨烯压缩前后的正视和侧 视图，图2d、2g、2j、2m分别是复合支架压缩前后的正视和侧视图。从图2a应 力应变曲线可以看出，压缩过程中，昆布多糖水凝胶应力很快发生突变，证明昆 布多糖水凝胶很快发生破碎，而三维石墨烯泡沫在最初应力增加后，趋于平滑直 线，说明三维石墨烯泡沫的三维结构发生了坍塌。复合支架在压缩过程中没有应 力突变的发生，证明没有破碎发生。从图2b-2m的图片中也可以证实这一点,昆 布多糖水凝胶出现裂痕，三维石墨烯泡沫压缩后，三维结构被破坏形成一个薄片， 而复合支架压缩后，结构完整，且厚度能恢复到90％左右，证明复合支架具有良 好的韧性。
(2)三维石墨烯泡沫/昆布多糖基水凝胶复合支架的生物应用
首先在三维石墨烯泡沫上接种人间充质干细胞，然后加入昆布多糖基交联 剂并置于紫外光照下原位成胶形成复合支架。通过这种方法培养的细胞能够粘 附铺展生长，而且在昆布多糖水凝胶中化学键合粘附性多肽RGD时，能够明显 促进细胞迁移行为，如图3a-3d所示。(37℃，5％CO2，培养7天后，经细胞骨 架和细胞核染色，在荧光显微镜下观察得到。)
石墨烯的孔径大小是根据石墨烯扫描电子显微镜的照片进行统计得到。孔 径大小范围是50-300μm，且多集中分布在100-150μm。
所使用透析袋要保证能允许反应液中杂质通过，而生成物不能通过。生成物 为高分子多糖物质分子量远大于5k，从而达到很好的纯化效果。
实施例2：三维石墨烯泡沫/昆布多糖基水凝胶复合支架的制备
(1)利用化学气相沉积法制备三维石墨烯泡沫；
(2)称取200mg昆布多糖，在氮气保护下依次加入2mL二甲基亚砜、33.4mg 4-二甲基吡啶、125mg甲基丙烯酸缩水甘油酯搅拌至完全溶解。将混合 溶液在室温下避光搅拌反应30h；加入等摩尔量的浓盐酸溶液中和溶液中的4- 二甲基吡啶，以终止反应。将反应后的混合液用去离子水透析4天(截留分子量 为2k)，经冷冻干燥得到双键修饰的昆布多糖交联剂，其中，昆布多糖的分子量 为5k-500k。
(3)将得到的昆布多糖交联剂与2-羟基-4'-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮 混合均匀，随后加入到三维石墨烯泡沫中，震荡使交联剂渗入三维石墨烯泡沫孔 隙中，然后将其置于紫外光下反应，原位成胶，获得三维石墨烯泡沫/昆布多糖 基水凝胶复合支架。
实施例3：三维石墨烯泡沫/昆布多糖基水凝胶复合支架的制备
(1)利用化学气相沉积法制备三维石墨烯泡沫；
(2)称取1000mg昆布多糖，在惰性气体保护下依次加入10mL二甲基亚 砜、167mg4-二甲基吡啶、625mg甲基丙烯酸缩水甘油酯搅拌至完全溶解。将 混合溶液在室温下避光搅拌反应50h；加入等摩尔量的浓盐酸溶液中和溶液中 的4-二甲基吡啶，以终止反应。将反应后的混合液用去离子水透析7天(截留 分子量为3.5k)，经冷冻干燥得到双键修饰的昆布多糖交联剂，其中，昆布多糖 的分子量为5k-500k。
(3)将得到的昆布多糖交联剂与2-羟基-4'-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙酮 混合均匀，随后加入到三维石墨烯泡沫中，震荡使交联剂渗入三维石墨烯泡沫孔 隙中，然后将其置于紫外光下反应，原位成胶，获得三维石墨烯泡沫/昆布多糖 基水凝胶复合支架。
此外，本案发明人还参照实施例1-3的方式，以本说明书中列出的其它原料 和条件等进行了试验，并同样获得了三维石墨烯泡沫/天然多糖基水凝胶复合支 架。
采用同样的表征方式对其余实施例所获产物进行表征，亦可获得与实施例1 相似之测试结果。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于 让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制 本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵 盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.三维石墨烯泡沫/天然多糖基水凝胶复合支架于培养细胞中的用途，其特征在于：所述细胞选自间充质干细胞、成纤维细胞、心肌细胞、成骨细胞中的任意一种或两种以上的组合；
其中，所述三维石墨烯泡沫/天然多糖基水凝胶复合支架的制备方法包括：
提供三维石墨烯泡沫；
在保护气氛下，将天然多糖、二甲基亚砜、4-二甲基吡啶、甲基丙烯酸缩水甘油酯混合，之后在搅拌条件下室温避光反应40-50h，然后加入酸性物质使反应终止，再经后处理获得双键修饰的天然多糖交联剂；所述天然多糖为昆布多糖；所述昆布多糖的分子量为5k-500k，所述昆布多糖的双键化修饰的修饰度为10%-80%；所述天然多糖、4-二甲基吡啶、甲基丙烯酸缩水甘油酯的质量比为(200~1000):(33.4~167):(125~625)；所述酸性物质与4-二甲基吡啶的摩尔比为1:1；所述酸性物质为盐酸；
以及，将天然多糖交联剂与光引发剂混合均匀，随后加入到三维石墨烯泡沫中，震荡使交联剂渗入三维石墨烯泡沫所含孔洞中，然后置于紫外光下反应，原位成胶，获得三维石墨烯泡沫/天然多糖基水凝胶复合支架；所述光引发剂为2-羟基-4'-（2-羟基乙氧基）-2-甲基苯丙酮；
所述三维石墨烯泡沫/天然多糖基水凝胶复合支架包括：三维石墨烯泡沫以及天然多糖基水凝胶，所述天然多糖基水凝胶填充于三维石墨烯泡沫所含的孔洞内，并与三维石墨烯泡沫中的石墨烯骨架紧密结合形成三维网状结构；所述三维石墨烯泡沫所含孔洞的孔径范围为50-300μm。
2.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，所述保护气氛选自氮气和/或惰性气体。
3.根据权利要求1所述的用途，其特征在于，所述的后处理包括：在所述的反应终止后，将所获混合液在室温下用去用离子水透析5~7天，再经冷冻干燥获得双键修饰的天然多糖交联剂；透析采用的透析袋截留分子量为2-5k。
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