专利名称：多糖改性碳纳米仿生纳米纤维结构生物支架制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种纳米材料技术领域的制备方法，具体是一种多糖改性碳 纳米仿生纳米纤维结构生物支架制备方法。
背景技术：
碳纳米管(Carbon Nanotube，简称CNT)是近年来被发现的一种新型碳结 构(S. Iijima,Mj&re1991，354，56)，是由碳原子形成的石墨烯片层巻曲而成的 无缝中空碳管，两端各有半个富勒烯分子封端，是一种具有高度离域化k电子 共轭体系的一维量子材料。碳纳米管分为单壁碳纳米管(Singleiall Nanotube, SWCNT)和多壁碳纳米管(Multi-wall Nanotube，匿CNT)。其制备方法主要有催 化热解、电弧放电、模板法、化学气相沉积法等。
碳纳米管(CNT)自问世以来，以其独特的电子和力学性质及准一维管状分 子结构和潜在的巨大应用价值，迅速成为物理、化学、材料研究的热点，而近来 关于对碳纳米管在组织工程学领域的应用课题也逐渐引起了人们的注意。传统的 聚合物支架材料尽管具有较好的生物相容性，但强度太低，承重能力差；金属材 料尽管强度可以达到要求，但不能保证足够好的生物相容性，同时比重也相对较 大。而集多种优点于一身的碳纳米管不但比重较小，且具有极高的强度、韧性和 弹性模量，但是其生物相容性还值得进一步研究和改善。
经过对现有技术的文献检索发现，Rebecca A. MacDonald等在 《J. Bio鹏d. Mater. Res. Part A》(生物医学材料研究杂志A辑)(2005， 74A， 489) 上发表的文章"Collagen - carbon ntinotube composite materials as scaffolds in tissue engineering"(用胶原I型蛋白对单壁碳纳米管进行非共价修饰)， 该技术能够制得生物相容性良好的胶原改性碳纳米仿生纳米纤维结构生物支架。 但不足之处在于胶原价格过于昂贵。
多糖(Polysaccharide)是-一类天然大分子化合物，它们种类繁多，来源广 泛，存在于动物、植物、微生物(细菌和真菌)和海藻中，是取之不尽、用之不竭的可再生资源。而且，这些材料废弃后容易被自然界微生物分解成水、二氧化 碳和无机小分子，属于环境友好材料。由于其良好的生物相容性，近来也被广泛 的用于构建支架材料等组织工程的研究。利用这类天然高分子多糖，对碳纳米管 进行非共价的物理包覆，使多糖良好的生物相容性与碳纳米管优异的机械性能和 独有的纳米纤维结构有机地整合在一起，从而可以制备出具有生物相容性的二维 纳米纤维结构生物支架。这类生物支架材料能显著地促进细胞的粘附、生长和增 殖，可以用于修复坏损或发病的组织，在组织工程领域有广泛的潜在应用。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种多糖改性碳纳米仿生纳米纤 维结构生物支架制备方法，及使用自然界广泛存在的多糖对碳纳米管进行非共价 修饰，进而得到具有优良的生物相容性的多糖改性碳纳米仿生纳米纤维结构生物 支架。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤
步骤(a):将1重量份碳纳米管原料和1 100重量份的氧化性酸混合，依
次通过超声处理和搅拌处理后抽滤，然后用去离子水反复洗涤多次至溶液呈中
性，真空干燥后得到纯化碳纳米管；
所述的碳纳米管原料是指通过催化热解、电弧放电、模板法或化学气相沉积
法方法制备得到的单壁或多壁碳纳米管；
所述的氧化性酸是指1 5mol/L的硝酸、0. 1 100%重量酸浓度硫酸、 1/100 100/1摩尔比硝酸和硫酸的混合溶液、1/100 100/1摩尔比高锰酸钾和 硫酸混合溶液或1/100 100/1摩尔比HA和硫酸混合溶液中的一种；
所述的超声处理是指采用0 100kHz频率的超声波处理1 100min;
所述的搅拌处理是指在20 20(TC的环境下搅拌反应1 50h;
所述的抽滤是指以$0.22 w m聚四氟乙烯微孔滤膜进行抽滤。
歩骤(b):将纯化碳纳米管水溶液通过超声处理后加入多糖溶液，然后再进 行超声处理和搅拌处理后依次进行抽滤、溶剂洗涤和水洗后真空干燥，得到多糖 改性碳纳米管；
所述的纯化碳纳米管水溶液的浓度为1 100mg/mL;
所述的多糖是指直链淀粉、纤维素、海藻酸钠或壳聚糖中的一种或其组合。 所述的多糖溶液的溶剂为水、醋酸、二甲亚砜或离子液体，所述的离子液体是指溴化l-丁基-3-甲基咪唑([BMIM]Br);
所述的多糖溶液中多糖的浓度为1 10mg/mL，该多糖水溶液与纯化碳纳米 管水溶液的体积比为1: 1 1: 10;
所述的溶剂洗涤是指采用水、二甲亚砜、氯仿、四氢呋喃、丙酮、乙腈、 丁酮或吡啶中的一种或其组合进行洗涤。
步骤(C):通过真空抽滤将多糖改性碳纳米管收集在微孔滤膜上，室温下干 燥，得到具有二维纳米纤维结构结构的支架。
所述的微孔滤膜为偏氯乙烯或偏氟乙烯微孔滤膜。
本发明提供的制备方法简单易行，可控性强。并且所用多糖原料在自然界中 广泛存在，价格低廉。根据本发明方法制备得到的多糖改性碳纳米仿生纳米纤维 结构生物支架具有良好的生物相容性，其中经过直链淀粉修饰的碳纳米仿生纳米 纤维结构生物支架生物相容性明显优于常规聚苯乙烯培养基底材料，对于构建新 型组织工学支架具有重要的指导意义。
图1为经过海藻酸钠改性碳纳米管的透射电子显微镜照片；
图2为经壳聚糖/海藻酸钠共同修饰的生物相容性二维纳米纤维结构支架的 扫描电子显微镜照片；
图3为细胞在碳纳米管(S丽Ts)，直链淀粉改性碳纳米管(AMY-SWNTs)，纤 维素改性碳纳米管(CEL-SWNTs)，海藻酸钠改性碳纳米管(ALG-SWCNTs)，壳聚 糖改性碳纳米管(CHI-SWNTs)，壳聚糖/海藻酸钠改性碳纳米管(ALG/CHI-SWNTs) 等仿生支架材料与在常规聚苯乙烯培养基底材料对照组(Control)培养72h后 的细胞存活率统计图。
具体实施例方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下 进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限 于下述的实施例。
实施例l、以化学气相沉积法方法制备的单壁碳纳米管为最初原料，经过纯 化后，通过非共价的物理包覆将海藻酸钠功能化到单壁碳纳米管表面，得到海藻 酸钠改性碳纳米管生物相容性二维纳米纤维结构支架，具体歩骤如下
歩骤(a):在已装有磁力搅拌转子的单颈圆底烧瓶中，加入100mg碳纳米管原料和4mol/L的硝酸，用40kHz超声波处理20min后加热到95nC，搅拌并回流下反 应12h，用d)0.22um聚四氟乙烯微孔滤膜抽滤，用大量去离子水反复洗涤多次至 中性，5(TC真空干燥24h后得到纯化碳纳米管；
步骤(b):在已装有磁力搅拌转子的单颈圆底烧瓶中，加入20mL 3mg/mL步骤 (a)所得纯化碳纳米管水溶液，用40kHz超声波处理20min后，加入40mL 2. 5mg/mL 海藻酸钠的水溶液，用40kHz超声波处理lh后，室温下搅拌12h，用大量去离子水 反复离心洗涤，得到海藻酸钠改性碳纳米管；
步骤(c)使用真空抽滤装置及O0.45um偏氯乙烯微孔滤膜对海藻酸钠改性 碳纳米管进行收集，室温下真空干燥得到海藻酸钠改性碳纳米管生物相容性二维 纳米纤维结构支架。
如图1所示，为海藻酸钠改性碳纳米管的结构特点，照片中的海藻酸钠以缠 绕的方式包裹在碳纳米管的表面，形成纳米纤维状的多糖/碳纳米管复合结构。
如图3所示，为海藻酸钠改性碳纳米管二维纳米纤维结构支架(ALG-CNTs)具 有较好的生物相容性，体现在生长在其上的细胞经过72h后的活性指标高于单纯 CNTs支架的对比样 品o
实施例2、以化学气相沉积法方法制备的单壁碳纳米管为最初原料，经过纯 化后，通过非共价的物理包覆将海藻酸钠和壳聚糖同时功能化到单壁碳纳米管表 面，得到壳聚糖/海藻酸钠改性碳纳米管生物相容性二维纳米纤维结构支架，具
体步骤如下
步骤(a):在己装有磁力搅拌转子的单颈圆底烧瓶中，加入100mg碳纳米管原 料和4mol/L的硝酸，用40kHz超声波处理20min后加热到95。C，搅拌并回流下反应 12h，用ct)0.22iim聚四氟乙烯微孔滤膜抽滤，用大量去离子水反复洗涤多次至中 性，5(TC真空干燥24h后得到纯化碳纳米管；
歩骤(b):在已装有磁力搅拌转子的单颈圆底烧瓶中，加入20mL 3mg/mL歩骤 (a)所得纯化碳纳米管水溶液，用40kHz超声波处理20min后，加入40mL 2. 5mg/n丄 海藻酸钠的水溶液，用40kHz超声波处理lh后，室温下搅拌12h，用大量去离子水 反复离心洗涤，将黑色沉淀室温下干燥得到海藻酸钠改性碳纳米管；
歩骤(c):在己装有磁力搅拌转子的单颈圆底烧瓶中，加入20mL 2.5mg/mL 歩骤(b)所得海藻酸钠改性碳纳米管水溶液，用40kHz超声波处理20min后，加 入40mL 2mg/mL壳聚糖的醋酸(0. 05M)水溶液，用40kHz超声波处理lh后，室温下搅拌12h，用大量去离子水反复离心洗涤，得到壳聚糖/海藻酸钠改性碳纳米管；
步骤(d)使用真空抽滤装置及①0.45um偏氯乙烯微孔滤膜对壳聚糖/海藻酸 钠改性碳纳米管进行收集，室温下真空干燥得到壳聚糖/海藻酸钠改性碳纳米管 生物相容性二维纳米纤维结构支架。
如图2所示，为壳聚糖/海藻酸钠改性碳纳米管生物相容性二维纳米纤维结构 支架，照片中壳聚糖/海藻酸钠改性碳纳米管分布均匀，支架整体呈大面积二维 纳米纤维的结构特征，且从内部插图可看出具有较好的亲水特性。
如图3所示，为壳聚糖/海藻酸钠改性碳纳米管二维纳米纤维结构支架 (CHI/ALG-CNTs)具有较好的生物相容性，体现在生长在其上的细胞经过72h后 的活性指标高于单纯CNTs支架的对比样品。
实施例3、以化学气相沉积法制备的单壁碳纳米管为最初原料，经过纯化后， 通过非共价的物理包覆将直链淀粉修饰到单壁碳纳米管表面，并进一步得到直链 淀粉改性碳纳米管生物相容性二维纳米纤维结构支架，具体步骤如下
步骤(a):在已装有磁力搅拌转子的单颈圆底烧瓶中，加入40mg碳纳米管 原料和2. 6mol/L的硝酸，用40kHz超声波处理30min后加热到12(TC，搅拌并 回流下反应48h，用d)0.22um聚四氟乙烯微孔滤膜抽滤，用大量去离子水反复 洗涤多次至中性，5(TC真空干燥24h后得到纯化碳纳米管；
歩骤(b):在已装有磁力搅拌转子的单颈圆底烧瓶中，加入17mL2mg/mL步 骤(a)所得纯化碳纳米管水溶液,用40kHz超声波处理30min后，加入3mL 15mg/mL 直链淀粉的二甲亚砜溶液，用40kHz超声波处理lh后，静置48h后，用50 mL 二甲亚砜以及大量去离子水反复离心洗涤，得到直链淀粉改性碳纳米管；
歩骤(c):使用真空抽滤装置及0)0.45iim偏氯乙烯微孔滤膜对直链淀粉改 性碳纳米管进行收集，室温下真空干燥得到直链淀粉改性碳纳米管生物相容性二 维纳米纤维结构支架。
如图3所示，直链淀粉改性碳纳米管二维纳米纤维结构支架(AMY-CNTs)具 有更好的生物相容性，体现在生长在其上的细胞经过72h后的活性指标高于常规 聚苯乙烯培养基底(Control)的对照样品。
实施例4、以催化热解法制备的单壁碳纳米管为最初原料，在溴化1-丁基-3-甲基咪唑反应相中，通过非共价的物理包覆将纤维素分子功能化到单壁碳纳米管 表面，进而得到纤维素改性碳纳米管生物相容性二维纳米纤维结构支架，具体歩骤如下
步骤(a):在已装有磁力搅拌转子的单颈圆底烧瓶中，加入20mg碳纳米管 原料和20%的硫酸，用40kHz超声波处理15min后加热到ll(TC，搅拌并回流下 反应24h，用d)0.22ym聚四氟乙烯微孔滤膜抽滤，用大量去离子水反复洗涤多 次至中性，5(TC真空干燥24h后得到纯化碳纳米管；
步骤(b):在已装有磁力搅拌转子的单颈圆底烧瓶中，将15mg步骤(a)所 得纯化碳纳米管加入到25g氯化l-丁基-3-甲基咪唑([BMIM]C1)中，在7(TC下 用40kHz超声波处理60min，再加入30g的4%纤维素溴化l-丁基-3-甲基咪唑 [BM顶]C1溶液，继续用40kHz超声波处理60min，加入30g的7(TC的去离子水， 离心，将黑色沉淀重新分散到去离子水中后再反复离心洗涤，5(TC真空干燥，得 到纤维素改性碳纳米管；
步骤(c):使用真空抽滤装置及①0.45um偏氯乙烯微孔滤膜对纤维素改性 碳纳米管进行收集，室温下真空干燥得到纤维素改性碳纳米管生物相容性二维纳 米纤维结构支架。
如图3所示，纤维素改性碳纳米管二维纳米纤维结构支架(CEL-CNTs)具有 更好的生物相容性，体现在生长在其上的细胞经过72h后的活性指标高于常规聚 苯乙烯培养基底(Control)的对照样品。
权利要求
1、一种多糖改性碳纳米仿生纳米纤维结构生物支架制备方法，其特征在于，包括以下步骤步骤(a)将1重量份碳纳米管原料和1～100重量份的氧化性酸混合，依次通过超声处理和搅拌处理后抽滤，然后用去离子水反复洗涤多次至溶液呈中性，真空干燥后得到纯化碳纳米管；步骤(b)将纯化碳纳米管水溶液通过超声处理后加入多糖溶液，然后再进行超声处理和搅拌处理后依次进行抽滤、溶剂洗涤和水洗后真空干燥，得到多糖改性碳纳米管；步骤(c)通过真空抽滤将多糖改性碳纳米管收集在微孔滤膜上，室温下干燥，得到具有二维纳米纤维结构结构的支架。
2、 根据权利要求1所述的多糖改性碳纳米仿生纳米纤维结构生物支架制备方法，其特征是，所述的碳纳米管原料是指通过催化热解、电弧放电、模板法或化学气相沉积法方法制备得到的单壁或多壁碳纳米管。
3、 根据权利要求1所述的多糖改性碳纳米仿生纳米纤维结构生物支架制备方法，其特征是，所述的氧化性酸是指1 5raol/L的硝酸、0. 1 100%重量酸浓度硫酸、1/100 100/1摩尔比硝酸和硫酸的混合溶液、1/100 100/1摩尔比高锰酸钾和硫酸混合溶液或1/100 100/1摩尔比&02和硫酸混合溶液中的一种。
4、 根据权利要求1所述的多糖改性碳纳米仿生纳米纤维结构生物支架制备方法，其特征是，所述的超声处理是指采用0 100kHz频率的超声波处理l 100min。
5、 根据权利要求1所述的多糖改性碳纳米仿生纳米纤维结构生物支架制备方法，其特征是，所述的抽滤是指以(J)0.22iim聚四氟乙烯微孔滤膜进行抽滤。
6、 根据权利要求1所述的多糖改性碳纳米仿生纳米纤维结构生物支架制备方法，其特征是，所述的多糖是指直链淀粉、纤维素、海藻酸钠或壳聚糖中的一种或其组合。
7、 根据权利要求1所述的多糖改性碳纳米仿生纳米纤维结构生物支架制备方法，其特征是，所述的多糖溶液的溶剂为水、醋酸、二甲亚砜或离子液体。
8、 根据权利要求7所述的多糖改性碳纳米仿生纳米纤维结构生物支架制备方法，其特征是，所述的离子液体是指溴化l-丁基-3-甲基咪唑。
9、 根据权利要求1所述的多糖改性碳纳米仿生纳米纤维结构生物支架制备方法，其特征是，所述的多糖溶液中多糖的浓度为1 10mg/mL，该多糖水溶液与纯化碳纳米管水溶液的体积比为1: 1 1: 10。
10、 根据权利要求1所述的多糖改性碳纳米仿生纳米纤维结构生物支架制备方法，其特征是，所述的微孔滤膜为00. 45 u m的偏氯乙烯或偏氟乙烯微孔滤膜。
全文摘要
一种纳米材料技术领域的多糖改性碳纳米仿生纳米纤维结构生物支架制备方法，包括将碳纳米管原料和氧化性酸混合制得纯化碳纳米管；将纯化碳纳米管水溶液加入多糖溶液后制得多糖改性碳纳米管；通过真空抽滤将多糖改性碳纳米管收集在微孔滤膜上，室温下干燥，得到具有二维纳米纤维结构结构的支架。本发明制备所得的生物支架与现有技术相比具有较好的生物相容性。
文档编号A61L27/00GK101590294SQ20091005431
公开日2009年12月2日 申请日期2009年7月2日 优先权日2009年7月2日
发明者伏传龙, 孟令杰, 张晓科, 路庆华 申请人:上海交通大学