专利名称：一种用于血液环境中的碳纳米管－高分子复合材料及其制备方法与应用的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于生物医学领域中的碳纳米管-高分子复合材料，还涉及其制备方法和应用。
背景技术：
碳纳米管是一类具有完美石墨结构的管形碳材料，直径一般从几个纳米到几十个纳米。碳纳米管具有优良的导电性、电磁特性以及优异的力学性能，同时还具有良好的生物相容性，它的综合优异性能在生物医学领域引起了极大研究兴趣。
但是由于碳纳米管具有巨大的比表面积，相互之间存在十分强的团聚作用，碳纳米管在水及有机溶剂、高分子基体中很难分散。关于碳纳米管与有机高分子基体复合的研究，所涉及的聚合物包括环氧树脂、尼龙、聚丙烯酸酯、聚氨酯等。在这些复合材料的制备中，如何将碳纳米管均匀分散到聚合物基体中是技术关键，现有的分散方法主要包括(1)通过超声共振或强力机械搅拌等作用将碳纳米管分散到聚合物溶液中，存在的问题是超声振荡或机械强力共混的方法仍难以使碳纳米管完全均匀分散到聚合物溶液中，而且形成的溶液体系稳定性差，一般碳纳米管加入量为1-2％时就达到饱和，碳纳米管形成聚集而无法分散(如文献Phys Chem B 2002，106，2210)。(2)在碳纳米管表面接枝某些有机分子或高分子，(如文献Ya-ping Sun，et al.，Functionalized Carbon NanotubesProperties and Applications.Acc.Chem.Res.2002，35，1096-1104)，接枝的高分子为PPEI，PVK-PS，PS1，PEG，PVA-VA等，增加碳纳米管在溶剂介质中的分散性；这类方法在体系中引入了其它物质；(3)通过加入表面活性剂或偶联剂将碳纳米管分散到单体溶液中，而后引发聚合过程，形成碳纳米管-聚合物复合材料，(如文献Harry J.et al.，SWNT-filled Thermal plastic and Elastic compositeprepared by miniemulsion polymerization.Nanoletters 2(8)，2002)；可以看出这样形成的复合材料仍然在一定程度上存在方法(1)的问题，而且引入了表面活性剂、引发剂等其它物质，同时需要经过比较复杂的聚合反应过程。
碳纳米管在生物医学领域中的应用研究到目前为止还是相对较少，碳纳米管的主要应用研究涉及以下方面，包括(1)用碳纳米管作为探针用于生物成像；(2)通过碳纳米管的表面修饰与功能化，阻止蛋白质分子在其表面的非特异性结合和识别特定蛋白分子；(3)经生物分子修饰后用于神经细胞的体外生长；以及(4)碳纳米管的生物相容性研究。
当将碳纳米管高分子复合材料应用于特定的生物系统(如心血管系统的植入物、人工器官、介入性导管、血液循环管路等)时，除了要保证碳纳米管高分子复合体系的分散性和稳定性外，还特别要求材料要尽可能保持其化学组成的纯净，尽可能不要在材料中引入其它对生物系统作用不确定的组分；另外也要提高高分子基体中碳纳米管的加入量和能够控制碳纳米管的加入量。目前，已有的复合方式以及其产物均不能满足这一要求。另一方面，在很多情况下生物材料需要以涂覆成膜的形式应用于医疗器械或植入性假体的表面修饰，或者采用溶液浇铸成型的方式制造各种复杂形状的植入式器件，这就需要得到的碳纳米管-高分子复合材料可以配制成一定浓度的溶液，在溶液状态下使用；而现有方法研制的复合产物基本上不能满足这一要求。
发明内容
本发明的目的是提供用于血液接触环境中的碳纳米管-高分子复合材料。
本发明提供的用于血液环境中的碳纳米管-高分子复合材料，包括碳纳米管和高分子聚合物，其特征在于，所述碳纳米管经液相共沉淀均匀分散在所述高分子聚合物中，并确切控制碳纳米管加入量在1-6重量％，其中，所述高分子聚合物为选自聚氨酯、聚氯乙稀、聚酯、聚乳酸和乳酸-乙醇酸共聚物中的一种。
本发明的另一目的在于提供一种制备上述碳纳米管-高分子复合材料方法。
本本发明提供的碳纳米管-高分子复合材料的制备方法，包括如下步骤1)对碳纳米管进行表面处理，在碳纳米管表面形成羧酸基团，得到亲水性碳纳米管；2)选择两种以上极性不同的溶剂组成共溶剂，使步骤1)得到的水溶性的碳纳米管均匀分散在共溶剂中；3)将高分子聚合物溶解在有机溶剂中，将步骤2)得到的碳纳米管-共溶剂的溶液与高分子聚合物-有机溶剂的溶液混合均匀，形成碳纳米管-高分子聚合物-溶剂体系；4)向碳纳米管-高分子聚合物-溶剂体系中加入触发剂，使碳纳米管和高分子聚合物共同沉淀出来，得到沉淀物；5)置换法去除步骤4)中沉淀物中不易挥发的溶剂，得到碳纳米管-高分子复合物。
上述方法中，步骤1)所述碳纳米管进行表面处理是指用混合酸对碳纳米管在10-80KHz频率进行超声处理10-120分钟，所述混合酸可以为盐酸、硝酸、硫酸、乙酸、丁酸、马来酸中的两种或两种以上的混合。
步骤2)所述共溶剂为选自水、四氢呋喃、二氧六环、甲醇、乙醇、丁醇、丙酮、丁酮、醋酸甲酯、醋酸乙酯中的两种或两种以上的混合，其中优选水、甲醇、乙醇、四氢呋喃。
步骤4)所述触发剂为水、甲醇、乙醇、丁醇、丙酮或丁酮，优选水、甲醇、乙醇，共沉淀时温度为0-60℃。
步骤5)所述置换法为选择沸点低、挥发性强、与步骤3)中有机溶剂互溶与聚合物不溶的溶剂置换复合材料中不易挥发的有机溶剂。
本发明的再一个目的是提供上述碳纳米管-高分子复合材料在与血液直接接触环境中的应用。
该应用首先是上述碳纳米管-高分子复合材料作为涂层材料在血液环境中使用的医疗器械或植入性假体表面的应用，或作为原材料在制造人工组织、器官或介入性器件上的应用。应用中，需将碳纳米管-高分子复合材料溶于溶剂后配制成溶液后作为涂层材料，或通过模具浇铸、挤出或注射成型；所述溶剂为选自四氢呋喃、二氧六环、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲基乙基酮中的一种。
本发明提出一种新的碳纳米管-高分子复合材料的制备方法，使碳纳米管和高分子材料在一种共溶剂体系中形成复合物，碳纳米管均匀分散在复合体系中，复合物中碳纳米管加入量可以在1-6％(重量百分比)变化，并可以确切控制碳纳米管的加入量；该复合物可以按照需要配制成溶液，浇铸成膜或在基底材料上涂层，也可以直接挤出成型或作为母料与其它材料共混挤出。
图1为本发明中使用的碳纳米管电镜图。
图2A为本发明的制备过程中碳纳米管-聚氨酯-共溶剂体系稳定性实验图。
图2B为对照实验中碳纳米管水溶液-聚氨酯-四氢呋喃溶液体系稳定性实验图。
图3-A为本发明制备的碳纳米管-聚氨酯复合材料的断面的扫描电镜照片。
图3-B为本发明制备的碳纳米管-聚氨酯复合材料的DSC谱。
图4-A为本发明制备的碳纳米管-聚氨酯复合材料。
图4-B为本发明制备的碳纳米管-聚氨酯复合材料的5％四氢呋喃溶液和对比样溶液的形态照片，其中，1#为本发明复合材料四氢呋喃溶液，2#为碳纳米管在聚氨酯四氢呋喃溶液中超声分散后的溶液，3#为聚氨酯溶液。
图4-C为图4-B溶液对应的光学显微镜照片(25×16)。
图5为用本发明制备的碳纳米管-聚氨酯复合材料制作的IABP气囊导管。
图6-A为吸附在聚氨酯表面的血小板(人血)电镜图。
图6-B为吸附在本发明制备的碳纳米管-聚氨酯复合材料表面的血小板(人血)电镜图。
图7-A为吸附在聚氨酯表面的血小板(羊血)电镜图；图7-B为吸附在本发明制备的碳纳米管-聚氨酯复合材料表面的血小板(羊血)电镜图。
图8为接触材料表面15分钟后富血小板血浆中血小板膜表面GPIIb/IIIa的阳性率。
图9为本发明制备的碳纳米管-聚氨酯复合材料的溶血率。
图10为本发明制备的碳纳米管-聚氨酯复合材料制作的粒料和其它成型物。
具体实施例方式
以下从几方面详述本发明。
本发明首先提供一种在共溶剂体系中制备碳纳米管-高分子复合材料的方法。本发明的特点在于，(1)不在碳纳米管表面引入有机分子或高分子，表面处理后的碳纳米管只带有羧基、羟基、醚氧基等含氧基团；(2)不需要从单体开始进行高分子聚合反应，可以直接将碳纳米管的共溶剂溶液与多种高分子溶液混合，得到碳纳米管分散均匀的复合产品；(3)复合材料中碳纳米管加入量可以在1-6％(重量百分比)变化，并可以确切控制碳纳米管的加入量；(4)复合材料可以按照需要配制成溶液，浇铸成膜或在基底材料上涂层，也可以直接挤出成型或作为母料与其它材料共混挤出。
本发明的方法是，将碳纳米管进行水溶性处理后，均匀分散到两种以上极性不同的溶剂组成的共溶剂中，然后再与已溶于有机溶剂中的高分子聚合物混合均匀，形成稳定的共溶体系，通过触发剂作用产生共沉淀而得到分散性优异的碳纳米管-高分子复合材料。该方法通过选择适合的共溶剂来保证碳纳米管在溶剂中可以均匀分散，从而通过液相共沉淀得到产物，确保了复合产品中碳纳米管在高分子聚合物中可以均匀分散。碳纳米管在复合体系中的分散性为本发明复合材料特点之一，实验二具体验证了本发明该分散性的特点。
在本发明中，所用碳纳米管为多壁碳纳米管，管径为30-50nm，长度＞2μm，参见图1，可以与碳纳米管复合的高分子聚合物可以为聚氨酯、聚氯乙烯、聚碳酸酯、环氧树脂、聚酯、聚乳酸、聚乙醇酸、乳酸-乙醇酸共聚物中的任一种，优选聚氨酯。
在本发明方法中，对碳纳米管进行表面处理的方法可以有将碳纳米管与一定比例混合的酸溶液在适当温度下超声振荡。本发明实施例中，采用超声处理的方法，用混合酸对碳纳米管用10-80KHz频率进行超声处理10-120分钟，所述混合酸可以为盐酸、硝酸、硫酸、乙酸、丁酸、马来酸中的两种或两种以上的混合。
在本发明方法中，分散具有水溶性碳纳米管的溶剂可以为水、四氢呋喃、二氧六环、甲醇、乙醇、丁醇、丙酮、丁酮、醋酸甲酯、醋酸乙酯中的两种或两种以上的混合形成共溶剂，其中优选水、甲醇、乙醇、四氢呋喃、二氧六环。
本发明方法中，共沉淀的触发剂为水、甲醇、乙醇、丁醇、丙酮或丁酮，优选水、甲醇、乙醇，共沉淀时温度为0-60℃。
本发明方法中，共沉淀产物中具有不易挥发的溶剂，后处理中，需将这些溶剂去除，可采用置换法。
本发明具体制备方法参见实施例一至二。
实施例一、制备碳纳米管-聚氨酯复合材料(1)、称取0.25克碳纳米管于圆底烧瓶中，加入2∶1的浓硫酸/浓硝酸40毫升。在25KHz下超声处理10分钟；(2)、用大量水稀释并用孔径为100nm的滤膜过滤和冲洗至中性，干燥；(3)、将处理后的90毫克碳纳米管加入到60毫升60％的甲醇水溶液中进行分散；(4)、配制5％的聚氨酯的二氧六环溶液60毫升；(5)、将(3)缓慢加入到(4)中，得到均匀的黑色溶液；(6)、向(5)中滴加95％乙醇至共沉淀发生，得到均匀的黑色沉淀物；(7)将沉淀物剪切成米粒大小，并用95％乙醇反复浸洗产物，之后于50℃下在真空烘箱中干燥，得到碳纳米管-聚氨酯复合材料。本例中，在整个复合体系中，控制碳纳米管加入量为3％。
实施例二、制备碳纳米管-聚氯乙烯复合材料采用实施例一相同的方法，其中，混合酸为浓硝酸和浓盐酸，共溶剂为四氢呋喃、醋酸乙酯、水，高分子聚合物为聚氯乙烯，共沉淀时触发剂为甲醇，所得到的产品为碳纳米管-聚氯乙烯复合材料。本例中，在整个复合体系中，控制碳纳米管加入量为1％。
实施例三、制备碳纳米管-聚氨酯复合材料，其中碳纳米管加入量为6％采用实施例一相同的方法，其中，与聚氨酯溶液混合的碳纳米管为180毫克。
依据上述实施例，进行下面实验实验一示差扫描量热方法(DSC)分析碳纳米管-聚合物的复合效果在氮气氛下，以20℃/min的速度升温，记录碳纳米管-聚氨酯复合材料(碳纳米管加入量3％)的热行为，以聚氨酯为参照样。结果由图3B所示。由DSC谱图可以看到，与碳纳米管复合后，聚氨酯材料原来的两个吸热峰相互靠近，说明碳纳米管与聚氨酯分子之间有较强的相互作用，形成了良好的复合体系。
实验二、扫描电镜观察碳纳米管在聚合物中的复合与分散程度将碳纳米管加入量为3％的碳纳米管-聚氨酯复合材料的粒料放置在液氮中30分钟，取出后立即拉断，在端面上喷金，于扫描电镜(S-5200)下观察断面形貌，结果如图3A所示，从图中可以看到，断面上没有明显的被拔出的碳纳米管，整个断面呈弹性断裂的特点。说明碳纳米管聚氨酯基体之间形成了良好的复合。
实验三、碳纳米管在聚合物溶液中的稳定性实验在实施例一中，取步骤(5)中碳纳米管-聚氨酯-共溶剂试样，置于烧杯中作实验样(1)；另取同样浓度的碳纳米管水溶液直接加入到5％聚氨酯四氢呋喃溶液中的试样作为对照样(2)，观察溶液变化情况，对照样中聚氨酯立即析出，不能与碳纳米管形成均匀的复合物，而实验样可以保持稳定的均匀黑色溶液，没有出现聚合物析出和碳纳米管聚集现象，参见图2A和2B。该实验说明，碳纳米管在聚氨酯-共溶剂体系中的分散性较好，且系统稳定性好。
实验四、将碳纳米管-聚氨酯复合材料配制成5％四氢呋喃溶液后，溶液中碳纳米管的分散性实验将实施例一制备的碳纳米管-聚氨酯复合材料溶解四氢呋喃中，配制成5％的溶液，置于(1)试管中，同时取样涂于载玻片上，在光学显微镜下观察碳纳米管的分散状况；另取相同比例的表面处理后碳纳米管直接加入到5％的聚氨酯四氢呋喃溶液中，在25KHz下超声分散30分钟，置于(2)试管中作为对照样，同时取对照样涂于载玻片上，在光学显微镜下观察碳纳米管的分散状况。显微镜下结果如图4C所示，可以看到1#试管中碳纳米管在溶液中的分散状况明显好于2#试管中的对照样；从静置试管的观察看，参见图4B，(1)试管-直保持溶液状态，没有出现分层，而(2)试管溶液很快出现分层现象，说明本发明复合材料不仅可以重新配制成溶液使用，并且配制的溶液中碳纳米管仍然可以保持有较好的分散性和保持溶液的稳定性。
本发明同时用实验一至四的方法，验证了实施例二和三得到的复合材料，也得到了相同的结果，在此不一一例举。依照上述实验，确定了用本发明的方法，当碳纳米管的加入量达到6％时，仍可以保证制备过程中体系的稳定性和将复合材料使用时重新配制成溶液时溶液的稳定性。
本发明继续提供上述方法制备的碳纳米管-高分子复合材料在血液接触环境中的应用。
正如前面所述，碳纳米管高分子复合材料应用于血液接触环境中(如心血管系统的植入物、人工器官、介入性导管、血液循环管路等)时，除了要保证碳纳米管高分子复合体系的分散性和稳定性外，还特别要求材料要尽可能保持其化学组成的纯净，尽可能不要在材料中引入其它对生物系统作用不确定的组分。本发明提供的碳纳米管高分子复合材料，体系中不含其它稳定剂、表活剂、以及接枝的高分子或有机化合物，可以很好地满足这个要求。以下以具体实施例说明本发明碳纳米管高分子复合材料的应用，这些实施例不能理解为对该复合材料应用领域的限制。
例一复合材料作为血液接触环境中抗凝血涂层的应用将本发明的复合材料，用四氢呋喃配制成5％的溶液，用涂覆成膜的方法制成试管；用同样方法，用聚氨酯制作试管作为对照样。抽取健康羊静脉血，按照标准方法制备富血小板血浆(PRP)。将PRP加入到样品管中孵育1小时后取出，用PBS(pH＝7.4)缓冲液洗去未粘附的血小板，用标准方法固定、脱水、干燥、喷金后，在扫描电镜下观察血小板粘附数量和形态，参见图7A、图7B，结果显示碳纳米管-聚氨酯复合材料(图7A)表面引起的血小板粘附数量和活化程度都显著低于对照样(图7B)。
例二用同样的试管，采集健康支援者静脉血，按照标准程序制备血小板悬浮液和血浆；先用血浆在试样表面吸附，形成血浆蛋白吸附层，再把血小板悬浮液加入到试管中，孵育1小时后取出，用PBS(pH＝7.4)缓冲液洗去未粘附的血小板，用标准方法固定、脱水、干燥、喷金后，在扫描电镜下观察血小板粘附数量和形态，参见图6A、图6B，结果显示碳纳米管-聚氨酯复合材料(图6A)表面引起的血小板粘附数量和活化程度都显著低于对照样(图6B)。
例三用同样的试管，采集健康志愿者静脉血，按照标准程序制备富血小板血浆(PRP)。将PRP加入到样品管中孵育15分钟后取出，用PAC-1标记活化的血小板，用流式细胞术分析PRP中血小板的活化率，结果参见图8，显示碳纳米管-聚氨酯复合材料引起的PRP中血小板的活化率显著降低。
例四用同样的试管，采集健康支援者静脉血，将0.2毫升鲜血和10毫升生理盐水混合后加入到待测试管中，37℃下孵育1小时，在2000rpm下离心10分钟，取上清液在540nm下测定溶液中血红蛋白的浓度，按照公式计算溶血度。结果参见图9，显示碳纳米管-聚氨酯复合材料引起的溶血度显著降低。
例五制作介入性导管将碳纳米管-聚氨酯复合材料配制成5％的四氢呋喃溶液，在聚氨酯导管外涂覆碳纳米管-聚氨酯复合材料，同时用涂覆成膜工艺制作气囊，气囊的反搏效果符合动物实验要求，制作的气囊产品参见图5。
例六制作粒料以及各种成型物料本发明制备的碳纳米管-高分子复合材料，为一种黑色沉淀，经洗涤、烘干后，可以直接制作成粒料；也可以溶于溶剂中，注入模具中，根据需要制成各种形状。参见图10，其中有粒料，也有经模具成型后的圆形和方形物料。这些物料，可以进一步作为制备医疗器械，如人工组织、器官或介入性器件的原料。
权利要求
1.一种用于血液环境中的碳纳米管-高分子复合材料，包括碳纳米管和高分子聚合物，其特征在于，所述碳纳米管经液相共沉淀均匀分散在所述高分子聚合物中，并确切控制碳纳米管加入量在1-6重量％，其中，所述高分子聚合物为选自聚氨酯、聚氯乙稀、聚酯、聚乳酸和乳酸-乙醇酸共聚物中的一种。
2.根据权利要求1所述的碳纳米管-高分子复合材料，其特征在于，所述液相共沉淀包括如下步骤1)对碳纳米管进行表面处理，在碳纳米管表面形成羧酸基团，得到亲水性碳纳米管；2)选择两种以上极性不同的溶剂组成共溶剂，使步骤1)得到的水溶性的碳纳米管均匀分散在共溶剂中；3)将高分子聚合物溶解在有机溶剂中，将步骤2)得到的碳纳米管-共溶剂的溶液与高分子聚合物-有机溶剂的溶液混合均匀，形成碳纳米管-高分子聚合物-溶剂体系；4)向碳纳米管-高分子聚合物-溶剂体系中加入触发剂，使碳纳米管和高分子聚合物共同沉淀出来，得到沉淀物；5)置换法去除步骤4)中沉淀物中不易挥发的溶剂，得到碳纳米管-高分子复合物。
3.一种碳纳米管-高分子复合材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤1)对碳纳米管进行表面处理，在碳纳米管表面形成羧酸基团，得到亲水性碳纳米管；2)选择两种以上极性不同的溶剂组成共溶剂，使步骤1)得到的亲水性的碳纳米管均匀分散在共溶剂中；3)将高分子聚合物溶解在有机溶剂中，将步骤2)得到的碳纳米管-共溶剂的溶液与高分子聚合物-有机溶剂的溶液混合均匀，形成碳纳米管-高分子聚合物-溶剂体系；4)向碳纳米管-高分子聚合物-溶剂体系中加入触发剂，使碳纳米管和高分子聚合物共同沉淀出来，得到沉淀物；5)置换法去除步骤4)中沉淀物中不易挥发的溶剂，得到碳纳米管-高分子复合物。
4.根据权利要求3所述碳纳米管-高分子复合材料的制备方法，其特征在于，步骤1)所述碳纳米管进行表面处理是指用混合酸对碳纳米管在10-80KHz频率进行超声处理10-120分钟，所述混合酸可以为盐酸、硝酸、硫酸、乙酸、丁酸、马来酸中的两种或两种以上的混合
5.根据权利要求3所述碳纳米管-高分子复合材料的制备方法，其特征在于，步骤2)所述共溶剂为选自水、四氢呋喃、二氧六环、甲醇、乙醇、丁醇、丙酮、丁酮、醋酸甲酯、醋酸乙酯中的两种或两种以上的混合，其中优选水、甲醇、乙醇、四氢呋喃。
6.根据权利要求3所述碳纳米管-高分子复合材料的制备方法，其特征在于，步骤4)所述触发剂为水、甲醇、乙醇、丁醇、丙酮或丁酮，优选水、甲醇、乙醇，共沉淀时温度为0-60℃。
7.根据权利要求3所述碳纳米管-高分子复合材料的制备方法，其特征在于，步骤5)所述置换法为选择沸点低、挥发性强、与步骤3)中有机溶剂互溶、与聚合物不溶的溶剂置换复合材料中不易挥发的有机溶剂。
8.碳纳米管-高分子复合材料作为涂层材料在血液环境中使用的医疗器械或植入性假体表面的应用，或作为原材料在制造人工组织、器官或介入性器件上的应用。
9.根据权利要求8所述的应用，其特征在于，所述碳纳米管-高分子复合材料溶于溶剂后配制成溶液后作为涂层材料，或通过模具浇铸、挤出或注射成型。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述溶剂为选自四氢呋喃、二氧六环、二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺、甲基乙基酮中的一种。
全文摘要
本发明公开了用于血液环境中的碳纳米管－高分子复合材料，包括碳纳米管和高分子聚合物，是将碳纳米管经液相共沉淀均匀分散在所述高分子聚合物中，并确切控制碳纳米管加入量在1－6重量％；本发明还提供上述材料的制备方法，是将碳纳米管变为亲水性后，溶于共溶剂中，再与高分子聚合物溶液混合后，加入触发剂共沉淀得到。本发明提供的碳纳米管－高分子复合材料，碳纳米管在复合材料中均匀分散，可再溶于有机溶剂，作为涂层材料应用在血液环境中使用的医疗器械或植入性假体表面，或作为原材料在制造人工组织、器官或介入性器件上应用。
文档编号C08L75/04GK1706887SQ20041004790
公开日2005年12月14日 申请日期2004年6月10日 优先权日2004年6月10日
发明者许海燕, 孔桦, 孟洁 申请人:中国医学科学院基础医学研究所