一种卡拉胶‑魔芋葡甘聚糖‑氧化石墨烯薄膜的制备方法与流程

本发明属于复合薄膜材料技术领域，具体为一种卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯薄膜的制备方法。

背景技术：

随着对生物结构深入研究，仿生结构材料最近成为材料研究的一个新热点。海镜的壳作为天然的珍珠母层而受到很大的关注。海镜壳优异的力学性能源于其有序的层状结构和无机片晶和有机基体之间丰富的界面区域这两者的优势结合。复合材料的艺术是寻找相反属性之间的有效结合方式。珍珠母层是使用层状结构使之成为可能的杰出代表。受到天然混合结构及其优异机械性能的启发，科研工作者们尝试通过各种方法模拟天然珍珠母层结构，制备出仿珍珠母层状结构的复合材料。近来，扁平双壁碳纳米管(FDWCNTs)，Al₂O₃片晶，氧化石墨烯(GO)及其他的材料作为新的无机构筑模块与有机聚合物为发展新的高性能仿生层状人造材料提供了更多的选择。

GO在新材料的合成中被用作是制备化学修饰石墨烯(CMG)的前驱体。氧化石墨烯是功能化的石墨烯，为准二维层状结构，含有羟基、羧基、环氧基和羰基等许多活性功能基团，具有较高的比表面能，良好的亲水性及机械性能，且在水极性有机溶剂中分散性较好，其成本更是比碳纳米管低得多，通过将氧化石墨烯作为新型填料来制备功能性高分子纳米复合材料，以改善纳米复合材料的力学、导热、导电等综合物理性能由于石墨烯具备比其他任何材料都优异的性能，有些甚至达到理论预测的极限，石墨烯复合材料已经成为一个新的研究热点。虽然石墨烯是高度惰性材料，但是氧化石墨烯(GO)易于化学功能化最近的研究表明多层氧化石墨烯在600米每秒的速度下测得的特征穿透能是文献报道中钢板的近十倍显而易见的是，氧化石墨烯纳米片可以被用作是仿珍珠母层材料的理想无机构筑模块仿珍珠母层氧化石墨烯(GO)-有机聚合物复合材料表现出优异的机械性能。

与合成聚合物相比较，天然来源的聚合物在生物相容性、生物降解能力和低毒性的要求方面更有优势。卡拉胶(CAR)是从红藻当中提取的一种多糖类的海生聚合物，是半乳糖和脱水半乳糖单元经由糖苷键组成而成。κ-卡拉胶(κ-CAR)与i-卡拉胶(i-CAR)是两类具有凝胶能力的卡拉胶。较之i-卡拉胶，κ-卡拉胶凝胶具有更好的稳定性、弹性及柔性。此外κ-CAR表现出更好的成膜性。由于其良好的药理学性能和生物活性，κ-CAR是现有商业应用最广的卡拉胶。研究发现GO可使用卡拉胶进行功能化。制备的GO-卡拉胶复合材料(GO-Car)进一步应用于仿生基材和羟基磷灰石(HA)生物矿化的细胞介质。GO-Car混合物同时也被认为是在骨再生和骨移植领域被寄予厚望的材料。除这些优点之外，κ-CAR存在着低粘性的致命缺陷，这导致其在溶剂蒸发成膜的方法中难以控制成膜质量，并且其复合材料机械性能较差。

魔芋葡甘聚糖(KGM)是另一种天然聚合物，来源充足，生物降解，具有亲水性、凝胶性、成膜性、抗菌性、低热值性等多种特性和一些特殊的生理功能，以及化学可修饰的官能团，可广泛应用于食品、医药、化工以及生物领域。其在凝胶作用、成膜性(硬膜)、抗菌性和低热值方面具有很大的优势因此，可用κ-CAR和KGM制备一种复合聚合物，作为具有前途的组分与GO一起制备超强的仿生材料，由于聚合物链和GO纳米片上存在大量的羟基，推测两者之间应有氢键结合。

目前，很多科学家更多的使用有机合成聚合物与氧化石墨烯复合，而非天然聚合物。然而，有机合成聚合物的原料，如石油和煤，都是非可再生资源。因此，使用天然有机聚合物制备具有优异性能的新材料是材料科学研究的必然方向。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯薄膜的制备方法。本发明通过使用两种廉价的天然高分子κ-卡拉胶(κ-CAR)和魔芋葡甘聚糖(KGM)制备了仿珍珠母层结构的GO-聚合物复合材料。在增强κ-CAR和KGM各自优势以改善成膜可控性和机械性能的同时，保持了其良好的药理学性能和生物活性，扩展了复合材料在生物医学领域的可应用范围。

本发明目的通过下述技术方案来实现：

一种卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯薄膜的制备方法，述制备方法为将κ-卡拉胶和魔芋葡甘聚糖加入到氧化石墨烯水溶液中，经搅拌、分散脱气后倒入玻璃模具中，完全干燥后将模具置于室温下，揭膜即得本发明复合薄膜。

作为本发明所述一种卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯薄膜的制备方法，所述κ-卡拉胶和魔芋葡甘聚糖的质量比为1～10﹕1～5。

作为本发明所述一种卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯薄膜的制备方法，所述氧化石墨烯水溶液中氧化石墨烯的浓度为0.25～1mg/mL。

作为本发明所述一种卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯薄膜的制备方法，所述氧化石墨烯的质量为κ-卡拉胶与魔芋葡甘聚糖总质量的2.5～10％。

作为本发明所述一种卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯薄膜的制备方法，所述玻璃模具预先采用表面涂层或贴膜的方式进行预处理；其中，表面涂层采用硅烷偶联剂对玻璃模具表面进行涂覆，贴膜采用在玻璃模具表面贴一层聚四氟乙烯薄膜。

作为本发明所述一种卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯薄膜的制备方法，所述搅拌采用机械搅拌，机械搅拌的温度为50～100℃，转速为245～650rpm；时间为20～60min；所述分散脱气的时间为20～60min；所述干燥温度为20～50℃，时间为1～24h，所述室温放置时间为5～24h。

具体地，本发明所述的一种卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1)将氧化石墨烯加入到去离子水溶液中，超声搅拌得到氧化石墨烯水溶液；

2)将κ-卡拉胶和魔芋葡甘聚糖加入到上述氧化石墨烯水溶液中，机械搅拌后得到成膜混合液；

3)将上述成膜液经超声分散脱气后倒入预先处理过的玻璃模具中，流延铺平，于20～50℃下干燥1～24h，完全干燥后将模具置于室温下放置5～24h后揭膜即得卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯复合薄膜。

本发明还提供所述的卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯复合薄膜，所述复合薄膜采用上述的制备方法制备得到。

本发明还提供所述的卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯复合薄膜的应用，所述复合薄膜在包装材料，组织工程和生物材料中的应用。

本发明的有益效果：

1、本发明制备的天然高分子卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯复合薄膜，其制备过程简单，成本较低，制得的薄膜材料规整性好，可降解，生物相容性好。

2、本发明制备方法将氧化石墨烯复位到魔芋葡甘聚糖基体中，经过卡拉胶改性后的薄膜均匀，机械强度高。

3、本发明制得的天然高分子/卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯复合薄膜，其热稳定性及机械强度高，可降解，生物相容性好，可以广泛应用于包装、组织工程和生物材料等领域。

附图说明

图1为实施例1至4及不添加氧化石墨烯所制备的薄膜材料拉伸应力应变曲线图。

图2为不同卡拉胶和魔域葡甘聚糖添加比例下制备的薄膜材料的拉伸应力应变曲线图。

图3为实施例3与不添加氧化石墨烯制备的薄膜材料的热重曲线图。

图4为实施例3制备的薄膜材料生物毒性测试增殖细胞数量对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯薄膜的制备方法，述制备方法为将κ-卡拉胶和魔芋葡甘聚糖加入到氧化石墨烯水溶液中，经搅拌、分散脱气后倒入玻璃模具中，完全干燥后将模具置于室温下，揭膜即得本发明复合薄膜。

发明人通过自蒸发溶液自组装法制备了不同GO添加量的具有界限分明的层状结构的卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯复合薄膜材料。测试表明GO与κ-CAR，KGM分子之间以强的分子间氢键连接。对氢键破坏后，薄膜机械性能有一定下降。细胞毒性测试表明无毒高强度的CKG(卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯)薄膜具有很好的细胞生物相容性，有希望成为组织工程的支持材料的优良基底材料，在生物医学器件领域有所应用，同时在食物包装等领域也有很好的应用前景。

κ-卡拉胶凝胶具有更好的稳定性、弹性、柔性以及更好的成膜性。由于其良好的药理学性能和生物活性，除这些优点之外，κ-CAR存在着低粘性的致命缺陷，这导致其在溶剂蒸发成膜的方法中难以控制成膜质量，并且其复合材料机械性能较差。魔芋葡甘聚糖(KGM)是另一种天然聚合物，其在凝胶作用、成膜性(硬膜)、抗菌性和低热值方面具有很大的优势。因此，可用κ-CAR和KGM制备一种复合聚合物，与GO一起制备薄膜材料，GO纳米片有效增强复合材料的机械性能。在增强κ-CAR和KGM各自优势以改善成膜可控性和机械性能的同时，保持了其良好的药理学性能和生物活性，扩展了复合材料在生物医学领域的可应用范围。

作为本发明所述一种卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯薄膜的制备方法，所述κ-卡拉胶和魔芋葡甘聚糖的质量比为1～10﹕1～5。若质量比例过大会导致凝胶出现团聚结块，无法成膜；质量比例太小会导致凝胶黏性不足，成膜后机械性能很差。

作为本发明所述一种卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯薄膜的制备方法，所述氧化石墨烯水溶液中氧化石墨烯的浓度为0.25～1mg/mL。在确保溶剂水的体积适合形成凝胶的条件下，氧化石墨烯的浓度太高会导致其团聚，对材料机械性能有不良影响。

作为本发明所述一种卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯薄膜的制备方法，所述氧化石墨烯的质量为κ-卡拉胶与魔芋葡甘聚糖总质量的2.5～10％。本发明限定的氧化石墨烯添加量为最佳添加量，其添加量太多和太少都会导致材料机械性能的严重下降。

作为本发明所述一种卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯薄膜的制备方法，所述玻璃模具预先采用表面涂层或贴膜的方式进行预处理；其中，表面涂层采用硅烷偶联剂对玻璃模具表面进行涂覆，贴膜采用在玻璃模具表面贴一层聚四氟乙烯薄膜。本发明对玻璃模具进行预处理，可以在后续揭膜过程中方便制备的薄膜材料从玻璃模具上揭下，并保证玻璃的完整性，如果不进行预处理会导致薄膜材料无法完全揭下，无法制备得到具有一定尺寸的材料。

作为本发明所述一种卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯薄膜的制备方法，所述搅拌采用机械搅拌，机械搅拌的温度为50～100℃，转速为245～650rpm，时间为20～60min；所述分散脱气的时间为20～60min；所述干燥温度为20～50℃，时间为1～24h，所述室温放置时间为5～24h。本发明制备过程中的各个参数选择都是根据反应物特性和实验结果进行预设和总结的，不在范围内对制备得到的薄膜材料性能造成不良影响。

具体地，本发明所述的一种卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯薄膜的制备方法，包括以下步骤：

1)将氧化石墨烯加入到去离子水溶液中，超声搅拌得到氧化石墨烯水溶液；

2)将κ-卡拉胶和魔芋葡甘聚糖加入到上述氧化石墨烯水溶液中，机械搅拌后得到成膜混合液；

3)将上述成膜液经超声分散脱气后倒入预先处理过的玻璃模具中，流延铺平，于20～50℃下干燥1～24h，完全干燥后将模具置于室温下放置5～24h后揭膜即得卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯复合薄膜。

本发明还提供所述的卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯复合薄膜，所述复合薄膜采用上述的制备方法制备得到。

本发明还提供所述的卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯复合薄膜的应用，所述复合薄膜在包装材料，组织工程和生物材料中的应用。

下面结合具体实施例对本发明卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯复合薄膜进行具体阐述和说明。

实施例1

本实施例卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯复合薄膜的具体制备过程如下：

将50mg氧化石墨烯加入到200ml去离子水溶液中，超声搅拌20min，得到氧化石墨烯溶液。称取1.1g的κ-CAR和0.9g的KGM粉末加入到上述氧化石墨烯水溶液中，在60℃，245rpm下机械搅拌20min得到成膜混合溶液；所得成膜液经超声分散脱气20min后倒入预先处理过的玻璃模具中，流延铺平，于30℃下干燥约18h，完全干燥后将模具于室温下放置15h后小心揭下，即得到本实施例CKG(κ-CAR-KGM-GO)复合薄膜。

其中，玻璃模具采用硅烷偶联剂对其表面进行涂覆预先处理。

实施例2

将50mg氧化石墨烯加入到100ml去离子水溶液中，超声搅拌30min，得到氧化石墨烯溶液。称取0.55g的κ-CAR和0.45g的KGM加入到上述氧化石墨烯水溶液中，在70℃，345rpm下机械搅拌20min得到成膜混合溶液；所得成膜液超声分散脱气30min后倒入预先处理过的玻璃模具中，流延铺平，于40℃下干燥10h，完全干燥后将模具于室温下放置12h后小心揭下，即得到本实施例CKG(κ-CAR-KGM-GO)复合薄膜。

其中，玻璃模具采用硅烷偶联剂对其表面进行涂覆预先处理。

实施例3

将200mg氧化石墨烯加入到200ml去离子水溶液中，超声搅拌20min，得到氧化石墨烯溶液。称取1.1gκ-CAR和0.9g KGM粉末加入到上述氧化石墨烯水溶液中，在80℃，445rpm下机械搅拌20min得到成膜混合溶液，所得成膜液超声分散脱气40min后倒入预先处理过的玻璃模具中，流延铺平，于30℃下干燥约20h，完全干燥后将模具于室温下放置20h后小心揭下，即得到本实施例CKG(κ-CAR-KGM-GO)复合薄膜。

实施例4

将150mg氧化石墨烯加入到200ml去离子水溶液中，超声搅拌20min，得到氧化石墨烯溶液。称取1.1gκ-CAR和0.9g KGM粉末加入到上述氧化石墨烯水溶液中，在80℃，500rpm下机械搅拌20min得到成膜混合溶液；所得成膜液超声分散脱气50min后倒入预先处理过的玻璃模具中，流延铺平，于35℃下干燥12h，完全干燥后将模具于室温下放置18h后小心揭下，即得到本实施例CKG(κ-CAR-KGM-GO)复合薄膜。

对实施例1至4制备的复合薄膜材料进行性能测试，具体过程及结果如下：

1、复合薄膜材料的拉伸应力

依据国标GB-T 1040.3 2006中的标准测试方法对实施例1至4所制备的薄膜材料进行拉伸强度(TS)测试，其拉伸应力应变曲线如图1所示。其中1表示实施例1(GO的添加量为κ-CAR-KGM总质量的2.5％)；2表示实施例2(GO的添加量为κ-CAR-KGM总质量的5％)；3表示实施例3(GO的添加量为κ-CAR-KGM总质量的7.5％)；4表示实施例4(GO的添加量为κ-CAR-KGM总质量的10％)；5为对比例((GO的添加量为0)即不添加GO，其它制备步骤与实施例3一样。

从图1中可以看出，本发明实施例1至4制备出的复合薄膜材料的拉伸应力明显高于对比例(不添加GO)，说明氧化石墨烯的添加能明显增强复合薄膜材料的拉伸应力。同时，实施例3制备的薄膜材料的拉伸应力明显优于其他实施例，说明当氧化石墨烯的添加量为κ-CAR-KGM总质量的7.5％时能使制备的薄膜材料的拉伸强度达到最大，为128MPa。

另外，还测试了不同卡拉胶和魔域葡甘聚糖添加比例下制备得到的薄膜材料的拉伸应力，其拉伸应力应变曲线如图2所示。其中1表示不添加魔芋葡甘聚糖，2表示κ-CAR和KGM添加比例为5.5：4.5，3表示κ-CAR和KGM添加比例为5：5。

从图2中可以看出，不添加魔芋葡甘聚糖制备出的复合薄膜材料的拉伸应力明显低于添加魔芋葡甘聚糖的薄膜材料，说明魔芋葡甘聚糖的添加有助于增加复合薄膜的机械强度和拉伸应力。同时，当κ-CAR和KGM添加比例为5.5：4.5制备出的薄膜材料的拉伸应力明显较高，说明当κ-CAR和KGM添加比例为5.5：4.5时能使制备的薄膜材料的拉伸强度达到最佳。

2、复合薄膜材料的热重测试

N₂氛围下，在约40-900℃的温度范围内，以20℃/分钟的加热速率测试热重(TG/DTG)。本次热重测试实验优选为拉升应力最佳的实施例3制备的薄膜材料与不添加GO(其它步骤与实施例3一样)制备得到的薄膜材料，对比两种不同方法制备的薄膜材料的热重性能，从而研究氧化石墨烯对本发明薄膜材料性能所起的作用。其热重测试结果如图3所示。其中1表示不添加GO，2表示实施例3。

从图3中可以看出，在低温区和高温度两者热重变化基本一致，在中段部分明显看出实施例3制备的薄膜材料的失重速率小于不添加GO制备得到的CN101565356A薄膜材料，说明GO的加入有助于增强薄膜材料的热稳定性。

3、复合薄膜材料细胞毒性测试

小鼠腹膜巨噬细胞RAW264.7使用细胞培养基(DMEM，10％的牛血清+1％盘尼西林和链霉素)在含有5％CO₂，37℃的培养箱中进行培养。预先消毒的实施例3制备的CKG薄膜样品放置在加入1mL DMEM的24孔板中进行培养24小时。浓度为2×10⁶每毫升的RAW264.7细胞加入2mL DMEM到相同表面后放置在培养箱中进行培养72h。然后通过观察RAW264.7细胞增殖速率，判断CKG薄膜的细胞毒性。通过倒置显微镜(Nikon，ECLIPSETi-S)进行观察，MTT方法(MTT细胞比色分析)进行细胞测量，用于检测良好的细胞增殖。并设置对比例，处理不加入CKG薄膜样品其它和上述操作一样，观察RAW264.7细胞增殖速率。细胞随培养时间增殖结果如图4所示。其中，1表示加入CKG薄膜细胞增殖情况，2表示没有加入CKG薄膜细胞增殖情况。

从图4可以看出，在对小鼠腹膜巨噬细胞RAW264.7培养48小时之前，加入CKG薄膜和不加入CKG薄膜细胞培养增殖数量几乎相当，说明本发明制备的CKG薄膜不影响细胞的生长，没有毒性。当培养时间达到72h时，细胞增殖数量虽然比不加入CKG模板细胞增殖的数量少，但相比于48h，细胞增殖的数量几乎是48h时的5～6倍，说明细胞还是以快速增长的速度在增殖，进一步说明本发明制备的CKG没有毒性。需要声明的是使用不同材料进行细胞培养，增殖结果随着时间的进行，差距会越来越明显，因此，72h时加入CKG薄膜细胞增殖数量和不加入CKG薄膜细胞增殖数量有差距是正常现象，并不会影响本发明CKG薄膜无毒性的结果。

本发明制备的天然高分子卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯复合薄膜，其制备过程简单，成本较低，制得的薄膜材料规整性好，可降解，生物相容性好。本发明制备方法将氧化石墨烯复位到魔芋葡甘聚糖基体中，经过卡拉胶改性后的薄膜均匀，机械强度高。本发明制得的天然高分子/卡拉胶-魔芋葡甘聚糖-氧化石墨烯复合薄膜，其热稳定性及机械强度高，可降解，生物相容性好，可以广泛应用于包装、组织工程和生物材料等领域。

对比例1

将实施例3中机械搅拌的温度分别更改为30℃或120℃，其它操作不变，研究反应温度对制备的复合薄膜材料性能的影响。应当申明，其它不在本发明搅拌温度范围内的温度都能达和30℃及120℃相同的效果，在此不做具体列举。

30℃时卡拉胶和魔芋葡甘聚糖无法完全溶解于水中，因而无法形成稳定的凝胶，材料制备不成功。120℃时由于温度较高影响卡拉胶和魔芋葡甘聚糖的结合作用，导致形成的薄膜材料力学性能较差，拉伸强度只有80.2MPa，不足实施例3制备的薄膜材料拉伸应力的三分之二。

对比例2

将实施例3中机械搅拌的转速分别更改为200rpm或800rpm，其它操作不变，研究搅拌的转速对制备的复合薄膜材料性能的影响。应当申明，其它不在本发明搅拌转速范围内的温度都能达和200rpm及800rpm相同的效果，在此不做具体列举。

200rpm的转速会导致凝胶形成不均匀，会有少量的结块出现。800rpm的转速制备的薄膜材料力学性能与实施例中制备的材料相当，没有本质性的差异，但是此转速下会在制备的过程中产生液体飞溅的现象，不利于实验制备控制。

对比例3

将实施例3中干燥温度分别更改为10℃或70℃，其它操作不变，研究干燥温度对制备的复合薄膜材料性能的影响。应当申明，其它不在本发明干燥温度范围内的温度都能达和10℃及70℃相同的效果，在此不做具体列举。

10℃或70℃的干燥温度主要影响干燥的时间，10℃时时间太长，延长制备周期；70℃时时间会较实施例缩短，但是制备的薄膜材料会发硬，力学性能会有所下降，下降的程度大概在20％左右。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。