CN110624125A - 基于氧化石墨烯和壳聚糖的3d壳结构复合材料制备方法 - Google Patents

基于氧化石墨烯和壳聚糖的3d壳结构复合材料制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：(1)对氧化石墨烯水溶液进行冷冻干燥，得到氧化石墨烯内核；(2)将含有冰醋酸的壳聚糖水溶液加入所述氧化石墨烯内核中，以在该氧化石墨烯内核外表面吸附壳聚糖外壳，再对所得产品进行冷冻干燥，得到所述基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料。所述复合材料包括氧化石墨烯内核及包覆于该氧化石墨烯内核外表面的壳聚糖外壳。

Description

基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料制备方法
技术领域
本发明涉及一种基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料的制备方法，属于复合材料及其制备技术领域。
背景技术
壳聚糖，是甲壳素脱去部分乙酰基后的产物，其是一种天然高分子并广泛存在于节足动物类的翅膀或者外壳中，真菌和藻类的细胞壁中，以及有机酸类、抗生素于酶的酿造副产物中，是继纤维素之后地球上最丰富的天然有机产物，是自然界唯一的天然碱性多糖，也是少数具有正电荷的天然产物之一。
自Muzzarelli于1977年首度报道了甲壳素对人类创伤的作用后，甲壳素和壳聚糖的止血作用就成为其活性开发的研究热点之一。Okamoto等证明壳聚糖能显著缩短血液凝固时间且该作用具有显著的剂量依赖性。Janvikul等的研究显示壳聚糖可显著缩短全血凝血时间。Gu等制备的壳聚糖海绵在肝素化大鼠的急性和慢性体内出血模型中的止血效果都优于明胶海绵和氧化纤维素。Yang等的研究发现壳聚糖乙酸溶液使红细胞聚集和形变的作用因其脱乙酰度(DD)降低而更为显著，但分子量(Mw)在105-106范围内无明显影响，而壳聚糖固体则不能使红细胞聚集和发生形变。然而，Wu等发现低DD的固态壳聚糖因能吸收较多的血小板而止血能力更强。其止血机制为壳聚糖中带正电荷的分子与血液中带负电荷的红细胞、白细胞和血小板等有形成分相结合形成细胞栓子或凝血栓产生凝血作用，同时能促使透明质酸等糖胺多糖分泌，使伤口愈合增快，还能增加材料力学性能等。宋炳生等报道用壳聚糖制成的止血海绵、止血粉，经动物实验和临床应用表明有良好的止血作用。但是，对于广泛出血的创面，壳聚糖的止血效果是有限的，因此常采用复合其他止血剂的方法来弥补壳聚糖止血的局限性。尹刚等通过剂型改造和结构改变将壳聚糖制作成粉剂，并加入钙、锌制剂，研制出一种新型壳聚糖止血粉，实验证明新型壳聚糖止血粉在大鼠中肝叶切除出血模型中应用效果良好。卢斌等通过制备壳聚糖/海藻酸钠-云南白药复合膜，将其用于大鼠肝脏大面积出血的创面，结果该复合膜具有止血迅速、与创面粘附性好等优点。经过进一步的研究和改进，壳聚糖/海藻酸钠-云南白药复合膜可以作为未来医用体内大创面止血材料，可望在外科手术上得到广泛应用。壳聚糖止血活性的特别之处使其具有极大的开发价值。但是，对壳聚糖止血材料的研究还处于起步阶段，其止血作用有限、对广泛出血创面止血效果不理想且价格昂贵等方面的问题还未找到满意的解决方案，限制了其进一步广泛使用。因此，对壳聚糖类止血材料，尤其是复合壳聚糖止血海绵的研究，是目前的一个关注热点。综上所述，开发新型、高效的止血材料是当今各国科研界乃至产业界的研究热点，有重要的社会意义和经济效益。
由此可见，壳聚糖作为一种天然高分子碱性多糖，具有良好的凝血性、抗菌性、抗氧化性、抗肿瘤、促进伤口愈合及生物兼容性等优点。氧化石墨烯不仅化学稳定性高，而且还含有羟基、羧基以及环氧基等多种官能团，这些官能团为氧化石墨烯的化学改性及功能化提供了反应位点。通过制备壳聚糖及氧化石墨烯的复合材料，可以得到具有一定机械强度的功能化壳聚糖，因此氧化石墨烯和壳聚糖的复合材料备受关注，其在止血等生物医学方面都有很大的应用前景。现有氧化石墨烯和壳聚糖多采用混合溶液热烘干燥的方法制备复合材料。并且传统平面结构的氧化石墨烯材料在某种程度上限制了壳聚糖的工作面积，并且所得复合材料的机械性能还有待提升。
因此，提供一种基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料的制备方法已经成为本领域亟需解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料的制备方法。
本发明的目的还在于提供由所述基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料的制备方法制备得到的基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料。
本发明的目的还在于提供一种止血材料，其由所述的基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料制备得到。
本发明的目的又在于提供所述基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料在制备止血材料及药物释放中的应用。
为达到上述目的，一方面，本发明提供一种基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料的制备方法，其中，所述制备方法包括以下步骤：
(1)对氧化石墨烯水溶液进行冷冻干燥，得到氧化石墨烯内核；
(2)将含有冰醋酸的壳聚糖水溶液加入所述氧化石墨烯内核中，以在该氧化石墨烯内核外表面吸附壳聚糖外壳，再对所得产品进行冷冻干燥，得到所述基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料。
根据本发明所述的制备方法，步骤(2)中以所述氧化石墨烯内核作为基底，向其中加入壳聚糖水溶液，此时利用共价吸附原理，即可在该氧化石墨烯内核的外表面吸附一层壳聚糖外壳。
根据本发明所述的制备方法，其中，所述氧化石墨烯为本领域常规物质，其可以采用本领域现有的Hummers法制备得到。
根据本发明所述的制备方法，优选地，所述氧化石墨烯水溶液的浓度为1-5mg/mL(以所述氧化石墨烯水溶液的总体积为基准计算得到)。
根据本发明所述的制备方法，优选地，所述含有冰醋酸的壳聚糖水溶液中，壳聚糖的浓度为1-20mg/mL(以所述含有冰醋酸的壳聚糖水溶液的总体积为基准计算得到)；
还优选地，含有冰醋酸的壳聚糖水溶液中，所述冰醋酸的体积浓度为1％-2％(以所述含有冰醋酸的壳聚糖水溶液的总体积为基准计算得到)。其中，所用冰醋酸为壳聚糖的溶剂。
根据本发明所述的制备方法，优选地，所述壳聚糖与氧化石墨烯的质量比为1-20:1。
根据本发明所述的制备方法，优选地，步骤(1)中所述冷冻干燥的温度为-70至-90℃，时间为10-15小时。
根据本发明所述的制备方法，优选地，步骤(2)中所述冷冻干燥的温度为-70至-90℃，时间为10-15小时。
另一方面，本发明还提供了所述基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料的制备方法制备得到的基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料，其中，所述复合材料包括氧化石墨烯内核及包覆于该氧化石墨烯内核外表面的壳聚糖外壳。
根据本发明所述的复合材料，其中，本发明对氧化石墨烯内核的粒径大小及壳聚糖外壳的厚度等不作具体要求，本领域技术人员可以根据现场作业需要合理调整内核粒径的大小及壳聚糖外壳的厚度，只要保证可以实现本发明的目的即可。
根据本发明所述的复合材料，优选地，所述复合材料的孔隙率≥96％，吸水率达50-70倍，规格为20mm×20mm×20mm的该复合材料的25％压陷硬度达13-17N。
又一方面，本发明还提供了一种止血材料，其由所述的基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料制备得到。
根据本发明所述的止血材料，优选地，该止血材料为止血海绵。
再一方面，本发明还提供了所述的基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料在制备止血材料及药物释放中的应用。
本发明所提供的基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料的制备方法简单，制备过程中无需使用模板，且其制备成本较低，可以进行大规模生产。
本发明所提供的基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料包括氧化石墨烯内核及包覆于该氧化石墨烯内核外表面上的壳聚糖外壳，所述壳聚糖外壳具有良好的凝血性、抗菌性、抗氧化性、抗肿瘤、促进伤口愈合、生物兼容性及生物可降解性等优点，而氧化石墨烯内核具有的大比表面积极大地提高了壳聚糖外壳在净化吸附及止血等方面的功效；并且该氧化石墨烯内核及壳聚糖外壳之间的界面相互作用也进一步提高了该3D壳结构复合材料的机械性能以及综合性能。
附图说明
图1为本发明实施例中所提供的基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料的制备方法工艺流程图；
图2为本发明实施例1中所得基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料的扫描电镜图；
图3为本发明实施例1中所得基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料的压力应变曲线图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现结合以下具体实施例对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。
实施例1
本实施例提供了一种基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料的制备方法，该制备方法的工艺流程图如图1所示，其包括以下步骤：
取5mL浓度为1mg/mL的氧化石墨烯水溶液倒入模具，放入冰箱中冷冻结晶至固态后，将预冻好的样品放入冷冻干燥设备于-85℃左右冷冻干燥14小时后取出。
在4mL的去离子水中加入100μL的冰醋酸，称取10mg的壳聚糖粉末加入其中并搅拌均匀至溶解，最后加入少量去离子水定容至5mL，配制得到壳聚糖水溶液。
将所述壳聚糖水溶液倒入冻干后的氧化石墨烯中，利用共价吸附原理，在其表面吸附一层壳聚糖层后，取出样品并将其放入冷冻干燥设备于-85℃左右进一步冷冻干燥10小时，得到所述基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料，其中，该材料包括氧化石墨烯内核及包覆于该氧化石墨烯内核外表面的壳聚糖外壳。
对本实施例所得3D壳结构复合材料进行扫描电镜分析，其扫描电镜图如图2所示，从图2中可以看出，本实施例所制备得到的3D壳结构复合材料确实具有很高的孔隙率，这表明其具有良好的吸附功能，对该3D壳结构复合材料进行吸水试验，测得其吸水率高达50-70倍(5000％-7000％)，其吸水率明显高于本领域现有吸附材料，如上海美宝生产的高膨溶壳聚糖止血海绵，其吸水率为≥200％，湖南馨航生产的馨航生物止血海绵，其吸水率为≥1000％；因此可将本发明所提供的该3D壳结构复合材料应用于吸附等领域。
将本实施例所得3D壳结构复合材料制备成规格为20mm×20mm×20mm的样品，再对该样品进行压力应变测试(本领域常规测试方法)，其压力应变曲线图如图3所示，从图3中可以看出，本实施例所制备得到的该3D壳结构复合材料具有较高的压陷硬度，其中，25％压陷硬度达可达约14.6N。
实施例2
本实施例提供了一种基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料的制备方法，该制备方法的工艺流程图如图1所示，其包括以下步骤：
取5mL浓度为1mg/mL的氧化石墨烯水溶液倒入模具，放入冰箱中冷冻结晶至固态后，将预冻好的样品放入冷冻干燥设备于-85℃左右冷冻干燥14小时后取出。
在4mL的去离子水中加入100μL的冰醋酸，称取25mg的壳聚糖粉末加入其中并搅拌均匀至溶解，最后加入少量去离子水定容至5mL，配制得到壳聚糖水溶液。
将所述壳聚糖水溶液倒入冻干后的氧化石墨烯中，利用共价吸附原理，在其表面吸附一层壳聚糖层后，取出样品并将其放入冷冻干燥设备于-85℃左右进一步冷冻干燥10小时，得到所述基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料，其中，该材料包括氧化石墨烯内核及包覆于该氧化石墨烯内核外表面的壳聚糖外壳。
实施例3
本实施例提供了一种基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料的制备方法，该制备方法的工艺流程图如图1所示，其包括以下步骤：
取5mL浓度为1mg/mL的氧化石墨烯水溶液倒入模具，放入冰箱中冷冻结晶至固态后，将预冻好的样品放入冷冻干燥设备于-85℃左右冷冻干燥14小时后取出。
在4mL的去离子水中加入100μL的冰醋酸，称取50mg的壳聚糖粉末加入其中并搅拌均匀至溶解，最后加入少量去离子水定容至5mL，配制得到壳聚糖水溶液。
将所述壳聚糖水溶液倒入冻干后的氧化石墨烯中，利用共价吸附原理，在其表面吸附一层壳聚糖层后，取出样品并将其放入冷冻干燥设备于-85℃左右进一步冷冻干燥10小时，得到所述基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料，其中，该材料包括氧化石墨烯内核及包覆于该氧化石墨烯内核外表面的壳聚糖外壳。

Claims (10)

1.一种基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)对氧化石墨烯水溶液进行冷冻干燥，得到氧化石墨烯内核；
优选地，所述氧化石墨烯水溶液的浓度为1-5mg/mL；
(2)将含有冰醋酸的壳聚糖水溶液加入所述氧化石墨烯内核中，以在该氧化石墨烯内核外表面吸附壳聚糖外壳，再对所得产品进行冷冻干燥，得到所述基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述含有冰醋酸的壳聚糖水溶液中，壳聚糖的浓度为1-20mg/mL；
优选地，含有冰醋酸的壳聚糖水溶液中，所述冰醋酸的体积浓度为1％-2％。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述壳聚糖与氧化石墨烯的质量比为1-20:1。
4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述冷冻干燥的温度为-70至-90℃，时间为10-15小时。
5.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述冷冻干燥的温度为-70至-90℃，时间为10-15小时。
6.权利要求1-5任一项所述基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料的制备方法制备得到的基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料，其特征在于，所述复合材料包括氧化石墨烯内核及包覆于该氧化石墨烯内核外表面的壳聚糖外壳。
7.根据权利要求6所述的复合材料，其特征在于，所述复合材料的孔隙率≥96％，吸水率达50-70倍，规格为20mm×20mm×20mm的该复合材料的25％压陷硬度达13-17N。
8.一种止血材料，其由权利要求6或7所述的基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料制备得到。
9.根据权利要求8所述的止血材料，其特征在于，该止血材料为止血海绵。
10.权利要求6或7所述的基于氧化石墨烯和壳聚糖的3D壳结构复合材料在制备止血材料及药物释放中的应用。
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