聚乙烯醇/功能化氧化石墨烯纳米复合材料的制备及其性能研究

论文摘要

医用高分子材料,必须具有良好的组织相容性、力学相容性和血液相容性,应该对人体无毒性、无致敏性、无刺激性、无遗传毒性和无致癌性,对人体组织、血液、免疫等系统不产生不良作用。目前最为突出的问题是生物材料引起的血栓形成、体内感染等,这是严重制约新型生物材料开发的瓶颈。因此,具有抗菌／抗凝血功能的生物高分子材料的研制已成为生物医学工程的前沿课题和关键所在。聚乙烯醇（PVA）具有良好的生物相容性、对人体无毒、对皮肤无刺激性、成膜性能良好,成膜后的强度与柔韧性能、吸湿性和水溶性等基本可满足膜剂成型与应用的要求,是用途极为广泛的生物医用和药用材料,在材料的抗菌／抗凝血功能方面,尚不能完全满足医疗临床应用的高标准。众所周知,碳材料是目前生物相容性最好的材料之一。在氧化石墨烯的研究和应用中,为了充分发挥其优良性质,改善其分散性和溶解性等,必须对氧化石墨烯功能化。在聚合物中加入少量功能化的氧化石墨烯所制备的聚合物／氧化石墨烯纳米复合材料能提高聚合物材料的力学性能、阻隔性和热变形温度,因此引起了人们广泛的兴趣。而具有抗菌、抗凝血功能的聚乙烯醇／功能化氧化石墨烯纳米复合材料还未见文献报道。针对上述情况,本论文首先利用改进的Brodie法将石墨（G）氧化制备氧化石墨（GO）,再在碱性溶液中超声制得氧化石墨烯（GeneO）,进而用氯乙酸修饰氧化石墨烯,通过官能团改性制备了羧基化氧化石墨烯（GeneO-COOH）.并利用FT-IR、TG、AFM、TEM、XRD、WCA、Zeta电位等手段进行了表征,为功能化氧化石墨烯的制备奠定了基础。在此基础上,本文设计合成了新型的、具有一定血液相容性和抗菌性能的功能化氧化石墨烯纳米复合物：羧基化氧化石墨烯-镧（GeneO-La）纳米复合物,利用FT-IR, TG, TEM、FS、XRD等手段对合成的GeneO-La纳米复合物进行了表征,结果表明La3+已经通过化学和物理作用吸附在羧基化氧化石墨烯片层上。对GeneO-La纳米复合物的生物学性能（抗菌、抗凝血性能）进行了表征。通过细菌生长动力学实验、抑菌环实验评价了GeneO-La纳米复合物的抑菌性能,结果表明GeneO-La纳米复合物对大肠杆菌有很好的抑菌效果,当浓度为0.5mg/mL,抑菌率达96.40%；对金黄色葡萄球也有很好的抑制效果,当浓度为0.25 mg/mL,抑菌率为99.81%；而抑菌环实验中GeneO-La对大肠杆菌（ATCC25922）、金黄色葡萄球菌（ATCC25923）有明显的抑菌效果,样品周围有明显的抑菌环,半径最高分别可达到2.0、1.5mm。探讨了GeneO-La纳米复合物的抗菌机理,认为GeneO-La复合物符合稀土元素的Hormesis效应,即GeneO-La纳米复合物浓度越高,越容易抑制细菌的生长。将GeneO-La纳米复合物与未剥离的GO-La比较其抑菌效果,结果表明由于剥离的氧化石墨烯片层比表面积更大,其吸附La3+离子的量高于氧化石墨。因此GeneO-La纳米复合物的抑菌性远优于GO-La。另外,对GeneO-La纳米复合物的抗凝血性能进行了研究：通过溶血实验和血浆复钙时间实验可以看出随着GeneO-La纳米复合物浓度的增加,复钙时间逐渐缩短,同时GeneO-La复合物的溶血率在低浓度时都<5%,符合稀土元素的Hormesis效应,即GeneO-La复合物在低浓度时有较好的血液相容性。在上述工作的基础上,我们提出了GeneO-La纳米复合物的形成机理和模型以及GeneO-La纳米复合物的抗菌、抗凝血机理。为了进一步提高羧基化氧化石墨烯的生物相容性,本文设计合成了新型的羧基化氧化石墨烯-谷氨酸（GeneO-Glu）纳米复合物,通过FTIR、XRD、TG、SCA、Zeta电位等测试方法研究了不同pH值条件下的功能化氧化石墨烯GeneO-Glu纳米复合物的物理、化学性能,以探究GeneO-Glu纳米复合物的形成机理和特性。并且通过溶血实验和复钙实验对其血液相容性进行了研究,研究结果表明：功能化GeneO-Glu纳米复合物的溶血率均<5%,复钙时间延长,不同pH值（2、7、10）条件下的GeneO-Glu纳米复合物的复钙时间比纯血浆提高了47.06%、52.94%、29.41%,其中pH=7的GeneO-Glu复合物提高最多,对血液的促凝程度小,具有较好的血液相容性。本文还考察了GeneO-Glu纳米复合物在不同pH条件下Zeta电位和粒径的变化,并结合稳定性试验初步探讨了GeneO-Glu纳米复合物形成的机理。虽然GeneO-Glu纳米复合物比GeneO-La纳米复合物具有更好的生物相容性但却没有抗菌功能。为了使合成的纳米复合物兼具抗凝血和抗菌的双重功效,在上述工作的基础上,我们制备出新型的GeneO-Glu-La纳米复合物。通过TG、FT-IR、XRD分析实验表明,由于La3+易与氧、氮发生配位作用,所以GeneO-Glu吸附La3+离子是一种化学吸附。对所合成的三种纳米复合物GeneO-La、GeneO-Glu、GeneO-Glu-La进行溶血实验和复钙实验的表征及比较,发现低浓度时溶血率均小于5%；引入生物相容性好的Glu后,GeneO-Glu-La纳米复合物的复钙时间比GeneO-La有所延长,其血液相容性得到了进一步的改善；通过菌落数、最小抑菌浓度、细菌生长动力学实验表明：GeneO-Glu-La纳米复合物对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌均有明显的抑菌效果,与GeneO-La、GeneO-Glu相比,GeneO-Glu-La的抑菌效果更明显,且随着浓度的增大,其抑菌效果愈加显著。在上述工作的基础上,采用聚合物溶液共混法制备了一系列新型的聚乙烯醇／功能化氧化石墨烯纳米复合材料：PVA/GeneO、PVA/GeneO-COOH、PVA/GeneO-La、PVA/GeneO-Glu和PVA/GeneO-Glu-La纳米复合材料,通过力学性能测试考察了功能化氧化石墨烯微观纳米结构对材料宏观性能的影响,研究结果表明：添加不同含量的功能化氧化石墨烯,可使PVA的拉伸强度和断裂伸长率比未加纳米填料的空白体系大幅度提高。当GeneO含量为5×10-4时,拉伸强度达46.0MPa,断裂伸长率达686.2%,比PVA空白分别提高了112.9%、43.3%；当GeneO-COOH含量为2×10-4时,拉伸强度达51.2MPa,断裂伸长率达692.3%,比PVA空白分别提高了136.7%、44.6%；GeneO-Glu含量为2×10-4时,拉伸强度达49.7MPa,断裂伸长率达674.4%,比PVA空白分别提高了130.0%、40.9%；GeneO-La含量为1×10-4时,拉伸强度达50.2MPa,断裂伸长率达1012.0%,比PVA空白分别提高了132.5%、66.4%。其中,GeneO-Glu-La表现出更好地增强、增韧效果,当其含量为1×10-4时,拉伸强度高达51.9MPa,断裂伸长率达693.3%,比PVA空白分别提高了140.1%、1113.6%。可见少量的功能化氧化石墨烯纳米复合物对聚乙烯醇能达到良好的补强效果。通过XRD实验发现,GeneO、GeneO-COOH、GeneO-La. GeneO-Glu和GeneO-Glu-La能在聚乙烯醇基体中呈剥离态均匀分散。采用溶血试验、复钙实验、血小板粘附实验、蛋白吸附实验、细菌粘附实验测试了五种聚乙烯醇/功能化氧化石墨烯纳米复合材料的生物相容性性能,测试结果表明：五种聚乙烯醇/改性氧化石墨烯纳米复合材料的溶血率都符合国际标准且复钙时间较长,其中PVA/GeneO-Glu-La复钙时间高达到50min,比PVA/GeneO、PVA/ GeneO-COOH、PVA/GeneO-L、PVA/GeneO-Glu显著延长。材料表面都粘附较少的血小板和细菌；蛋白吸附实验表明,PVA/GeneO、PVA/GeneO-COOH. PVA/GeneO-La、PVA/GeneO-Glu和PVA/GeneO-Glu-La材料表面吸附蛋白量比PVA均有所减少,其中PVA/GeneO-Glu-La表面粘附的蛋白量最少,比PVA减少了27.94%。这种新型的、本体和表面兼具优良抗菌、抗凝血性功能和良好力学性能的聚乙烯醇／功能化氧化石墨纳米复合材料可望在生物医学工程方面得到广泛的应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 文献综述
• 1.1 引言
• 1.2 氧化石墨烯
• 1.2.1 石墨烯、氧化石墨及其氧化石墨烯简介
• 1.2.2 制备方法
• 1.2.3 氧化石墨及其氧化石墨烯的表面改性
• 1.2.4 氧化石墨烯的还原
• 1.2.5 石墨烯及其氧化石墨烯的自组装
• 1.2.6 氧化石墨及其氧化石墨烯复合物
• 1.2.7 氧化石墨及其氧化石墨烯复合物的应用
• 1.3 生物医用材料抗菌抗凝血机理、及其评价方法
• 1.3.1 抗菌的机理及其表征技术
• 1.3.2 抗凝血的机理及其表征技术
• 1.4 本论文的选题依据和主要内容
• 1.4.1 研究目标
• 1.4.2 研究内容
• 参考文献
• 第二章 羧基化氧化石墨烯的制备
• 2.1 引言
• 2.2 实验
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 羧基化氧化石墨烯的制备
• 2.2.3 分析测试
• 2.3. 结果与讨论
• 2.3.1 氧化石墨烯羧基化机理
• 2.3.2 XRD分析
• 2.3.3 FT-IR分析
• 2.3.4 TG分析
• 2.3.5 UV分析
• 2.3.6 Raman分析
• 2.3.7 AFM、TEM分析
• 2.3.8 动、静态水接触角分析
• 2.3.9 不同pH值下GeneO-COOH的溶解度和Zeta电位
• 2.4. 结论
• 参考文献
• 第三章 羧基化氧化石墨烯-镧复合物的合成及其抗菌/抗凝血性能的研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 羧基化氧化石墨烯-镧的制备
• 3.2.3 分析测试
• 3.2.4 血液相容性评价
• 3.2.5 抑菌性能评价
• 3.3. 结果与讨论
• 3.3.1 FT-IR分析
• 3.3.2 TG分析
• 3.3.3 TEM分析
• 3.3.4 Raman分析
• 3.3.5 FS分析
• 3.3.6 XRD分析
• 3.3.7 血液相容性分析
• 3.3.8 抑菌性能分析
• 3.4 结论
• 参考文献
• 第四章 羧基化氧化石墨烯一谷氨酸复合物的合成及其血液相容性的研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 材料和试剂
• 4.2.2 羧基化氧化石墨烯与谷氨酸的反应
• 4.2.3 分析测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 XRD分析
• 4.3.2 FT-IR分析
• 4.3.3 TG分析
• 4.3.4 SCA分析
• 4.3.5 不同pH条件下Glu和GeneO-COOH产物的稳定性
• 4.3.6 不同pH条件下GeneO-Glu溶解度和Zeta电位分析
• 4.3.7 不同pH条件下GeneO-Glu的粒径分布
• 4.3.8 溶血复钙实验分析
• 4.4 结论
• 参考文献
• 第五章 羧基化氧化石墨烯-谷氨酸-镧复合物的合成及其抗菌/抗凝血性能的研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 材料和试剂
• 5.2.2 GeneO-Glu-La复合物的制备
• 5.2.3 分析测试
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 FT-IR分析
• 5.3.2 TG分析
• 5.3.3 XRD分析
• 5.3.4 血液相容性分析
• 5.3.5 抑菌性能分析
• 5.4. 结论
• 参考文献
• 第六章 聚乙烯醇/功能化氧化石墨烯纳米复合材料的制备及性能的研究
• 6.1 引言
• 6.1.1 聚乙烯醇的结构特征
• 6.1.2 聚乙烯醇在医用缓释材料中的的应用
• 6.1.3 聚乙烯醇的改性
• 6.2 实验部分
• 6.2.1 主要原料和仪器
• 6.2.2 聚乙烯醇/功能化氧化石墨烯纳米复合材料的制备
• 6.2.3 分析测试
• 6.3 结果与讨论
• 6.3.1 ATR-FT-IR分析
• 6.3.2 XRD分析
• 6.3.3 TG分析
• 6.3.4 力学性能分析
• 6.3.5 吸水率分析
• 6.3.6 抑菌性能分析
• 6.3.7 血液相容性评价
• 6.4 结论
• 参考文献
• 第七章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 在读期间发表的论文