CN112569404A - 一种壳聚糖-石墨烯复合凝胶及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明开发了一种壳聚糖‑石墨烯复合凝胶及其制备方法。本发明先将壳聚糖基复合水凝胶和石墨烯各自的优势结合起来，开发具有层次结构和排列纤维结构的复合水凝胶。首先对凝胶交联剂原料PEG进行双端醛基化，壳聚糖作为多官能团大分子，nHAC掺杂其中增强了壳聚糖基复合水凝胶的粘度，石墨烯材料保留复合水凝胶可注射性能的同时增强了力学性能。

Description

一种壳聚糖-石墨烯复合凝胶及其制备方法
技术领域
本发明属于材料的技术领域，具体涉及一种壳聚糖-石墨烯复合凝胶及其制备方法。
背景技术
水凝胶具有精确控制其物理化学性质和易于集成纳米材料的能力，已经成为骨骼肌等软组织工程应用的关键平台。它们是很受欢迎的生物材料，为细胞的初始生存和增殖提供了理想的微环境。水凝胶可以添加生物或物理因素而不影响它们的柔软性和机械性能，这可以弥补骨组织工程中其它支架方法的局限之处。然而，需要新的策略来同时实现生物物理因素和复杂的层次结构的组合。壳聚糖基水凝胶作为一种可注射、可降解、具有生物活性的骨再生系统已被广泛研究。壳聚糖由于其分子结构中存在的坠胺基团而具有阳离子性质，使其在弱酸性条件下可溶于水。壳聚糖水凝胶具有弹性和弹性，类似于自然组织，很容易采用所提供的空间几何形状。壳聚糖水凝胶的一个缺点是机械性能较差，但可以通过与其他材料复合来克服这一缺点。
最近，人们发现有越来越多的工作进行探索二维碳同素异形体——石墨烯在生物医学和再生工程中的应用潜力。迄今为止，提出的应用原型涵盖成像、药物输送、抗菌特性和组织工程。在各种三维宏观结构中，石墨烯水凝胶由具有大比表面积的互连多孔网络组成，受到了特别关注。这些水凝胶提供了具有石墨烯固有性质的多维离子/电子传输途径，这使得它们成为超级电容器电极的潜在候选材料。石墨烯基材料的生物相容性和独特的电、机械和热性能，使得它们在生物医学应用中显示出巨大的潜力。石墨烯是由具有单个原子层的sp2杂化碳原子组成的二维(2D)材料，在基面上有大量的含氧基团，如羟基、环氧基和羧基，是 21世纪发现的最有价值的材料之一。高比表面积石墨烯的特定结构以及石墨烯之间的相互作用和聚合物链使其适合开发为纳米复合材料，可以促进细胞增殖、粘附和分化，几乎没有或无细胞毒性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种壳聚糖-石墨烯复合凝胶及其制备方法。本发明先将壳聚糖基复合水凝胶和石墨烯各自的优势结合起来，开发具有层次结构和排列纤维结构的复合水凝胶。首先对凝胶交联剂原料PEG进行双端醛基化，壳聚糖作为多官能团大分子，nHAC掺杂其中增强了壳聚糖基复合水凝胶的粘度，石墨烯材料保留复合水凝胶可注射性能的同时增强了力学性能。
本发明目的是通过以下方案实现的：
本发明保护一种壳聚糖-石墨烯复合凝胶的制备方法，包括以下步骤：
S1、室温下，称取0.3g壳聚糖，溶解于9.2g含量为体积分数为2％稀醋酸溶液中，放置于恒温水浴锅中搅拌溶解后，得壳聚糖溶液；
S2、矿化胶原粉末的制备：胶原溶液中缓慢滴加0.055mol的PO4 3-的溶液；并将其25℃条件下进行搅拌，同时滴加钙离子水溶液；滴加结束后在搅拌的过程中滴加氢氧化钠水溶液；将其静置4小时后去上清液，洗涤过滤，冷冻干燥研磨后得到矿化胶原粉末；
S3、壳聚糖-矿化胶原复合溶液的制备：将步骤(2)制备的矿化胶原粉末分次加入步骤 S1制备的壳聚糖溶液中，充分搅拌溶解；接着，向上述溶液中加入6mL浓度为0.02g/mL的石墨烯分散液充分搅拌使其分散均匀；得壳聚糖-矿化胶原复合溶液；
S4、称取双端苯甲醛基聚乙二醇粉末0.3g,溶解于1.2g的去离子水中得到DF-PEG交联剂溶液；
S5、将步骤S4制备的壳聚糖-矿化胶原复合溶液和步骤S2制备的DF-PEG交联剂溶液混合在一起，搅拌均匀，得壳聚糖-石墨烯复合凝胶。
进一步的，所述步骤S3中矿化胶原粉末与壳聚糖溶液的质量比为1％-4％。
进一步的，所述步骤S1中恒温水浴锅温度为20℃-30℃。
进一步的，所述步骤S1的搅拌时间为1-2小时。
进一步的，所述步骤S2中滴加氢氧化钠水溶液使溶液的pH值为6-8。
进一步的，所述PO4 3-溶液和钙离子水溶液的钙磷摩尔数之比为1.66。
进一步的，所述步骤S3中PO4 3-溶液为磷酸溶液。
进一步的，所述步骤S3中钙离子水溶液为氯化钙溶液。
本发明还包括一种制备方法制备的壳聚糖-石墨烯复合凝胶。
本发明的有益效果：
写出本申请的有益效果和原理。
1、本发明首先基于生物相容性优良的脱乙酰甲壳素和生物安全性极佳的聚乙二醇，通过一步酯化反应，将聚乙二醇双端缀合以产生双端苯甲醛基封端的聚乙二醇(DF-PEG)，随后将壳聚糖复合水凝胶进行升级，通过壳聚糖与聚乙二醇改性物(DF-PEG)形成交联复合网。通过控制各组分的体系比例，在体系中掺杂矿化胶原(nHAC)，溶胶-凝胶转变是在30±5s内形成的，制备得到一种可注射的、自愈壳聚糖基水凝胶。通过FT-IR和核磁表征，凝胶交联剂聚乙二醇双端成功缀合醛基基团。基于希夫碱键构建的壳聚糖-矿化胶原水凝胶，成胶迅速，具有一定的自愈合特性。通过流变学表征，水凝胶具有剪切稀化特性和较好的粘弹性。SEM 显示水凝胶的孔洞结构致密，具有连续且稳定的三维网状结构，利于细胞的粘附、生长。复合水凝胶的细胞相容性测试结果表明，水凝胶具有良好的生物相容性，在组织工程材料中具有潜在的应用价值。
2、矿化胶原的制备过程中溶液的pH值处于6到8之间。溶液在pH值为5到6时有沉淀出现,pH值为7时溶液成为白色悬浊液。
附图说明
图1为实施例1-实施例4CS/nHAC复合水凝胶的SEM图像a)CS；b)、c)、d)CS/ nHAC:1％,2％,4％。
图2a)壳聚糖复合水凝胶的粘度-剪切速率曲线；b)、c)分别为不同比例壳聚糖复合水凝胶在频率范围(0.1-100rad/s)内的弹性模量(G′)和损耗模量(G″)变化情况。
图3为CS/nHAC复合水凝胶的溶胀率-时间的变化曲线。
图4为L929细胞与CS/nHAC复合水凝胶的OD值a)和细胞内蛋白含量b)。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面通过实施例对本发明进一步说明，实施例只用于解释本发明，并不会对本发明构成任何限定。
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段，所用原料均为市售商品。所述胶原溶液采购自天津宝坻紫荆创新研究院。
实施例1
一种壳聚糖-石墨烯复合凝胶的制备方法，包括以下步骤：
S1、室温下，称取0.3g壳聚糖，溶解于9.2g含量为体积分数为2％稀醋酸溶液中，放置于恒温水浴锅中搅拌1.5小时溶解后，得壳聚糖溶液；所述恒温水浴锅温度为25℃
S2、矿化胶原粉末的制备：胶原溶液中缓慢滴加0.055mol的磷酸溶液；并将其25℃条件下进行搅拌，同时滴加氯化钙溶液；滴加结束后在搅拌的过程中滴加氢氧化钠水溶液，使溶液的pH值为7；将其静置4小时后去上清液，洗涤过滤，冷冻干燥研磨后得到矿化胶原粉末；所述PO4 3-溶液和钙离子水溶液的钙磷摩尔数之比为1.66；
S3、壳聚糖-矿化胶原复合溶液的制备：将步骤(2)制备的矿化胶原粉末分次加入步骤 S1制备的壳聚糖溶液中，充分搅拌溶解；接着，向上述溶液中加入6mL浓度为0.02g/mL的石墨烯分散液充分搅拌使其分散均匀；得壳聚糖-矿化胶原复合溶液；所述矿化胶原粉末与壳聚糖溶液的质量比为0％；
S4、称取双端苯甲醛基聚乙二醇粉末0.3g,溶解于1.2g的去离子水中得到DF-PEG交联剂溶液；
S5、将步骤S4制备的壳聚糖-矿化胶原复合溶液和步骤S2制备的DF-PEG交联剂溶液混合在一起，搅拌均匀，得壳聚糖-石墨烯复合凝胶。
实施例2
一种壳聚糖-石墨烯复合凝胶的制备方法，包括以下步骤：
S1、室温下，称取0.3g壳聚糖，溶解于9.2g含量为体积分数为2％稀醋酸溶液中，放置于恒温水浴锅中搅拌1.5小时溶解后，得壳聚糖溶液；所述恒温水浴锅温度为25℃
S2、矿化胶原粉末的制备：胶原溶液中缓慢滴加0.055mol的磷酸溶液；并将其25℃条件下进行搅拌，同时滴加氯化钙溶液；滴加结束后在搅拌的过程中滴加氢氧化钠水溶液，使溶液的pH值为7；将其静置4小时后去上清液，洗涤过滤，冷冻干燥研磨后得到矿化胶原粉末；所述PO4 3-溶液和钙离子水溶液的钙磷摩尔数之比为1.66；
S3、壳聚糖-矿化胶原复合溶液的制备：将步骤(2)制备的矿化胶原粉末分次加入步骤 S1制备的壳聚糖溶液中，充分搅拌溶解；接着，向上述溶液中加入6mL浓度为0.02g/mL的石墨烯分散液充分搅拌使其分散均匀；得壳聚糖-矿化胶原复合溶液；所述矿化胶原粉末与壳聚糖溶液的质量比为1％；
S4、称取双端苯甲醛基聚乙二醇粉末0.3g,溶解于1.2g的去离子水中得到DF-PEG交联剂溶液；
S5、将步骤S4制备的壳聚糖-矿化胶原复合溶液和步骤S2制备的DF-PEG交联剂溶液混合在一起，搅拌均匀，得壳聚糖-石墨烯复合凝胶。
实施例3
一种壳聚糖-石墨烯复合凝胶的制备方法，包括以下步骤：
S1、室温下，称取0.3g壳聚糖，溶解于9.2g含量为体积分数为2％稀醋酸溶液中，放置于恒温水浴锅中搅拌1.5小时溶解后，得壳聚糖溶液；所述恒温水浴锅温度为25℃
S2、矿化胶原粉末的制备：胶原溶液中缓慢滴加0.055mol的磷酸溶液；并将其25℃条件下进行搅拌，同时滴加氯化钙溶液；滴加结束后在搅拌的过程中滴加氢氧化钠水溶液，使溶液的pH值为7；将其静置4小时后去上清液，洗涤过滤，冷冻干燥研磨后得到矿化胶原粉末；所述PO4 3-溶液和钙离子水溶液的钙磷摩尔数之比为1.66；
S3、壳聚糖-矿化胶原复合溶液的制备：将步骤(2)制备的矿化胶原粉末分次加入步骤 S1制备的壳聚糖溶液中，充分搅拌溶解；接着，向上述溶液中加入6mL浓度为0.02g/mL的石墨烯分散液充分搅拌使其分散均匀；得壳聚糖-矿化胶原复合溶液；所述矿化胶原粉末与壳聚糖溶液的质量比为2％；
S4、称取双端苯甲醛基聚乙二醇粉末0.3g,溶解于1.2g的去离子水中得到DF-PEG交联剂溶液；
S5、将步骤S4制备的壳聚糖-矿化胶原复合溶液和步骤S2制备的DF-PEG交联剂溶液混合在一起，搅拌均匀，得壳聚糖-石墨烯复合凝胶。
实施例4
一种壳聚糖-石墨烯复合凝胶的制备方法，包括以下步骤：
S1、室温下，称取0.3g壳聚糖，溶解于9.2g含量为体积分数为2％稀醋酸溶液中，放置于恒温水浴锅中搅拌1.5小时溶解后，得壳聚糖溶液；所述恒温水浴锅温度为25℃
S2、矿化胶原粉末的制备：胶原溶液中缓慢滴加0.055mol的磷酸溶液；并将其25℃条件下进行搅拌，同时滴加氯化钙溶液；滴加结束后在搅拌的过程中滴加氢氧化钠水溶液，使溶液的pH值为7；将其静置4小时后去上清液，洗涤过滤，冷冻干燥研磨后得到矿化胶原粉末；所述PO4 3-溶液和钙离子水溶液的钙磷摩尔数之比为1.66；
S3、壳聚糖-矿化胶原复合溶液的制备：将步骤(2)制备的矿化胶原粉末分次加入步骤 S1制备的壳聚糖溶液中，充分搅拌溶解；接着，向上述溶液中加入6mL浓度为0.02g/mL的石墨烯分散液充分搅拌使其分散均匀；得壳聚糖-矿化胶原复合溶液；所述矿化胶原粉末与壳聚糖溶液的质量比为4％；
S4、称取双端苯甲醛基聚乙二醇粉末0.3g,溶解于1.2g的去离子水中得到DF-PEG交联剂溶液；
S5、将步骤S4制备的壳聚糖-矿化胶原复合溶液和步骤S2制备的DF-PEG交联剂溶液混合在一起，搅拌均匀，得壳聚糖-石墨烯复合凝胶。
表征和性能测试
测试：
1、SEM(测试方法：通过SEM(Hitachi SU-8010，5KV)观察水凝胶的微孔形态。在进行SEM观察之前，将在-55℃下冷冻过夜冻干的复合水凝胶切成合适的大小，为了观察，用导电胶带将横切面朝上固定在样品台上，然后通过真空镀膜仪在横截面上喷金240s，并用SEM观察水凝胶的内部形态。通过分析相应的SEM图像来确定支架的平均孔径。
2、图2图3的测试方法：使用在受控应力下运行的旋转流变仪(AR-G2)对CS/GR复合水凝胶进行流变学测量。该仪器配有直径为25mm的不锈钢平行板几何形状和集水器，以保持水凝胶的水分恒定并最大程度地减少水的蒸发。在室温下(25℃)，所有样品的厚度约为5μm。施加的应变为1％。剪切频率从0.1到100rad/s不等，加热速率为2℃/min。粘度曲线是通过对数剪切速率扫描确定的，剪切速率为0.1s-1-100s-1。将CS/GR复合水凝胶均匀铺展在样品台上，去除凝胶中的气泡得到平整均匀厚度的表面，将平行板的上板与样品凝胶接触，随后进行数据采集。
3、测试方法：使用酶标仪，在测定其在562nm光波下的参数。
结果：
1、由图1可知，纯CS支架和CS/nHAC共混体系的孔径明显不同，含有nHAC的水凝胶显示均匀且大的孔结构,证实nHAC在控制水凝胶的孔径方面起着重要作用。总体而言，这些结果表明CS/nHAC水凝胶具有合适的孔径，接近用于组织工程的支架的理想孔隙的孔径。
2、由图2a)可看出，壳聚糖基复合水凝胶具有剪切变稀的特性，该复合凝胶属于非牛顿流体。对比可知，随着矿化胶原浓度的提升，复合凝胶的粘度先增加后降低。四组实验中， 2％矿化胶原的凝胶粘度最高。壳聚糖基复合水凝胶的储能模量G′和损耗模量G″分别如图2b) 和c)所示。可看出，G′远高于G″，说明水凝胶表现为明显的类固体行为。复合水凝胶的G′较为稳定，不依赖于角速度的变化而变化，而且加入矿化胶原的复合水凝胶的G′储能模量增加、机械强度增强。
3、由图3可知，交联水凝胶的平衡溶胀率从纯壳聚糖水凝胶的264％增加到包含2％nHAC的水凝胶的312％。这些发现表明，nHAC含量可以增加交联网络的吸水能力。
4、由图4可知，对于所有这些测量，所有样品的值均随时间增加而增高，这表明L929 细胞随着细胞培养时间的延长而持续生长，其生长速率随着矿化胶原浓度的增加先升高后降低。这表明适当的矿化胶原较好的促进了细胞增殖。而较高浓度情况下，凝胶内部网络密集，细胞生存空间有限。由此，可以看出，CS/nHAC复合水凝胶具有良好的细胞相容性，为实现壳聚基复合水凝胶在生物医学领域的应用打下实验基础
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种壳聚糖-石墨烯复合凝胶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、室温下，称取0.3g壳聚糖，溶解于9.2g含量为体积分数为2％稀醋酸溶液中，放置于恒温水浴锅中搅拌溶解后，得壳聚糖溶液；
S2、矿化胶原粉末的制备：胶原溶液中缓慢滴加0.055mol的PO4 3-的溶液；并将其25℃条件下进行搅拌，同时滴加钙离子水溶液；滴加结束后在搅拌的过程中滴加氢氧化钠水溶液；将其静置4小时后去上清液，洗涤过滤，冷冻干燥研磨后得到矿化胶原粉末；
S3、壳聚糖-矿化胶原复合溶液的制备：将步骤(2)制备的矿化胶原粉末分次加入步骤S1制备的壳聚糖溶液中，充分搅拌溶解；接着，向上述溶液中加入6mL浓度为0.02g/mL的石墨烯分散液充分搅拌使其分散均匀；得壳聚糖-矿化胶原复合溶液；
S4、称取双端苯甲醛基聚乙二醇粉末0.3g,溶解于1.2g的去离子水中得到DF-PEG交联剂溶液；
S5、将步骤S4制备的壳聚糖-矿化胶原复合溶液和步骤S2制备的DF-PEG交联剂溶液混合在一起，搅拌均匀，得壳聚糖-石墨烯复合凝胶。
2.根据权利要求1所述的一种壳聚糖-石墨烯复合凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中矿化胶原粉末与壳聚糖溶液的质量比为1％-4％。
3.根据权利要求1所述的一种壳聚糖-石墨烯复合凝胶的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中恒温水浴锅温度为20℃-30℃。
4.根据权利要求1所述的一种壳聚糖-石墨烯复合凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤S1的搅拌时间为1-2小时。
5.根据权利要求1所述的一种壳聚糖-石墨烯复合凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤S2中滴加氢氧化钠水溶液使溶液的pH值为6-8。
6.根据权利要求1所述的一种壳聚糖-石墨烯复合凝胶的制备方法，其特征在于：所述PO4 3-溶液和钙离子水溶液的钙磷摩尔数之比为1.66。
7.根据权利要求1所述的一种壳聚糖-石墨烯复合凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中PO4 3-溶液为磷酸溶液。
8.根据权利要求1所述的一种壳聚糖-石墨烯复合凝胶的制备方法，其特征在于：所述步骤S3中钙离子水溶液为氯化钙溶液。
9.一种采用权利要求1-8任一项制备方法制备的壳聚糖-石墨烯复合凝胶。
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CN109734935A (zh) * 2018-12-29 2019-05-10 广西紫荆生物科技有限公司 一种生物医用可注射凝胶材料及其制备方法和用途
CN110343268A (zh) * 2019-01-21 2019-10-18 福建农林大学 一种pH响应的具粘附性、抗菌、耐压的快速自修复胶原基水凝胶的制备方法

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Title
胡苗苗: ""壳聚糖基复合凝胶材料的制备及其性能研究"", 《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(硕士)工程科技Ⅰ辑》 *

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