本发明属于水凝胶领域，尤其涉及一种电活性氧化石墨烯水凝胶。
背景技术：
氧化石墨烯是石墨烯的氧化物，其颜色为棕黄色，市面上常见的产品有粉末状、片状以及溶液状的。因经氧化后，其上含氧官能团增多而使性质较石墨烯更加活泼，可经由各种与含氧官能团的反应而改善本身性质。
氧化石墨烯一般由石墨经强酸氧化而得，主要有三种制备氧化石墨的方法：brodie法，staudenmaier法和hummers法。其中hummers法的制备过程的时效性相对较好而且制备过程中也比较安全，是目前最常用的一种。它采用浓硫酸中的高锰酸钾与石墨粉末经氧化反应之后，得到棕色的在边缘有衍生羧酸基及在平面上主要为酚羟基和环氧基团的石墨薄片，此石墨薄片层可以经超声或高剪切剧烈搅拌剥离为氧化石墨烯。
氧化石墨烯作为一种性能优异的新型碳材料，已成为材料科学的研究热点。其中，如何提升和拓展氧化石墨烯的性能以扩大其应用领域，是目前的研究重点。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电活性氧化石墨烯水凝胶，本发明提供的材料具有良好的电活性、光热转换性和水溶性。
本发明提供了一种电活性氧化石墨烯水凝胶，按照以下方法制备得到：
氧化石墨烯与水溶性导电高分子材料在水中进行化学交联，得到电活性氧化石墨烯水凝胶。
优选的，所述氧化石墨烯包括未修饰的氧化石墨烯和/或功能化修饰的氧化石墨烯。
优选的，所述功能化修饰的氧化石墨烯的化学修饰位点为羧基、羟基和环氧基中的一种或多种，修饰上的功能化基团包括羧基、氨基、羟基、双键、炔基、偶氮基、叠氮基、异氰酸酯基、巯基、二硫键和硅烷基中的一种或多种。
优选的，所述水溶性导电高分子材料的主链和/或侧链上含有导电高分子低聚体。
优选的，所述导电高分子低聚体包括苯胺低聚体、噻吩低聚体、吡咯低聚体中的一种或多种。
优选的，所述水溶性导电高分子材料为氧化葡聚糖-苯胺低聚体、壳聚糖-苯胺低聚体、聚氨基酸-苯胺低聚体、明胶-苯胺低聚体、纤维素-苯胺低聚体、透明质酸-苯胺低聚体、胶原-苯胺低聚体、聚醇类-苯胺低聚体、聚丙烯酸类-苯胺低聚体和聚丙烯酰胺类-苯胺低聚体中的一种或多种。
优选的，所述苯胺低聚体为式(i)和/或式(ii)结构：
其中，1≤m≤15，1≤n≤15。
优选的，所述氧化石墨烯、电活性高分子材料和水的用量比为(1～15)mg：(50～200)mg：1ml。
优选的，所述氧化石墨烯与水溶性导电高分子材料的交联点为以下基团中的一种或多种：
优选的，所述化学交联的温度为15～45℃；所述化学交联的时间为10s～30min。
与现有技术相比，本发明提供了一种电活性氧化石墨烯水凝胶。本发明提供的水凝胶按照以下方法制备得到：氧化石墨烯与水溶性导电高分子材料在水中进行化学交联，得到电活性氧化石墨烯水凝胶。本发明将石墨烯、导电高分子低聚体和水凝胶相结合制备电活性氧化石墨烯水凝胶，具有良好的电活性、光热转换性能和水溶性，可用于生物医学领域，如生物成像、药物载送、光热治疗等。尤其是导电高分子低聚体和氧化石墨烯不仅具有协同的光热效应，而且还可以实现疏水、亲水药物的负载，因此其在化学-光热协同治疗领域会有很大的应用空间。实验结果表明：本发明提供的水凝胶对没有明显毒性反应；在808nm激光器功率为1～2w/cm2下进行照射5min，温度可达到55℃，光热性能良好；将其用于肿瘤细胞的光热治疗中可有效地杀伤肿瘤细胞。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例6中得到的核磁共振氢谱图；
图2是本发明实施例7中得到的电活性氧化石墨烯水凝胶的照片；
图3是本发明实施例7提供的电活性氧化石墨烯水凝胶的结构示意图。
具体实施方式
下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供了一种电活性氧化石墨烯水凝胶，按照以下方法制备得到：
氧化石墨烯与水溶性导电高分子材料在水中进行化学交联，得到电活性氧化石墨烯水凝胶。
本发明提供的水凝胶由氧化石墨烯与水溶性导电高分子材料在水中化学交联制成。其中，所述氧化石墨烯优选包括未修饰的氧化石墨烯和/或功能化修饰的氧化石墨烯。在本发明中，所述未修饰的氧化石墨烯的结构如式(a)所示：
在本发明中，对所述未修饰的氧化石墨烯的来源没有特别限定，可按照本领域技术人员熟知的hummers法制备得到。
在本发明中，所述功能化修饰的氧化石墨烯的化学修饰位点优选为羧基、羟基和环氧基中的一种或多种，修饰上的功能化基团包括但不限于羧基、氨基、羟基、双键、炔基、偶氮基、叠氮基、异氰酸酯基、巯基、二硫键和硅烷基中的一种或多种。在本发明提供的一个实施例中，所述功能化修饰的氧化石墨烯为氨基功能化的氧化石墨烯，所述氨基功能化的氧化石墨烯可按照以下方法制备得到：
a)氧化石墨烯和聚乙烯亚胺(pei)在溶剂中混合反应，得到反应液；
b)所述反应液和水合肼混合反应，得到氨基功能化的氧化石墨烯(go-pei)。
在本发明提供的上述氨基功能化的氧化石墨烯的制备方法中，所述溶剂优选为水；所述聚乙烯亚胺的重均分子量优选为5000～20000，具体可为10000；所述氧化石墨烯和聚乙烯亚胺的质量比优选为0.2：(0.5～4)，更优选为0.2：(1～2)，具体可为0.2:1.6；所述氧化石墨烯和溶剂的用量比优选为0.2g：(100～300)ml，具体可为0.2g：200ml；步骤a)中所述反应的温度优选为50～70℃，具体可为60℃；步骤a)中所述反应的时间优选为12～20h，具体可为16h；所述氧化石墨烯和水合肼的用量比优选为0.2g：(20～80)μl，更优选为0.2g：(40～60)μl，具体可为0.2g：50μl；步骤b)中所述反应的温度优选为80～110℃，具体可为95℃；步骤b)中所述反应的时间优选为8～16h，具体可为12h。在本发明中，所述反应液优选在冷却至室温后再与水合肼混合，与水合肼混合后优选剧烈搅拌几分钟，具体搅拌时间可为5～20min，更具体可为10min。在本发明中，所述反应液和水合肼混合反应结束后优选静置一段时间，所述静置的时间优选为6～16h，更具体可为8h、10h、12h或14h。在本发明中，所述反应液和水合肼混合反应结束后优选进行离心，分离出固体产物，然后对分离出的固体产物进行洗涤，得到纯净的氨基功能化的氧化石墨烯产物。
在本发明中，所述水溶性导电高分子材料的主链和/或侧链上优选含有导电高分子低聚体；所述导电高分子低聚体包括但不限于苯胺低聚体、噻吩低聚体、吡咯低聚体中的一种或多种；所述苯胺低聚体优选为式(i)和/或式(ii)结构：
其中，1≤m≤15，m具体可为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15；1≤n≤15，n具体可为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15。
在本发明中，所述水溶性导电高分子材料具体可为氧化葡聚糖-苯胺低聚体、壳聚糖-苯胺低聚体、聚氨基酸-苯胺低聚体、明胶-苯胺低聚体、纤维素-苯胺低聚体、透明质酸-苯胺低聚体、胶原-苯胺低聚体、聚醇类-苯胺低聚体、聚丙烯酸类-苯胺低聚体和聚丙烯酰胺类-苯胺低聚体中的一种或多种。在本发明提供的一个实施例中，所述氧化葡聚糖-苯胺低聚体可按照以下方法制备得到：
在活化试剂和催化剂存在下，氧化葡聚糖和羧基封端的苯胺低聚体在溶剂中进行反应，得到氧化葡聚糖-苯胺低聚体。
在本发明提供的上述氧化葡聚糖-苯胺低聚体的制备方法中，所述氧化葡聚糖的重均分子量优选为50000～100000，具体可为70000；所述氧化葡聚糖的氧化度优选为20～60％，具体可为24.3％、34.5％或50.6％；所述羧基封端的苯胺低聚体具体可为羧基封端的苯胺四聚体；所述活化试剂包括但不限于1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(edc)；所述催化剂包括但不限于4-二甲氨基吡啶(dmap)；所述溶剂包括但不限于二甲基亚砜(dmso)；所述氧化葡聚糖和羧基封端的苯胺低聚体的质量比优选为(1～4)：1.19，更优选为(2～3)：1.19，具体可为2.16:1.19；所述氧化葡聚糖和溶剂的用量比优选为(1～4)g：30ml，更优选为(2～3)g：30ml，具体可为2.16g：30ml；所述氧化葡聚糖和活化试剂的质量比优选为(1～4)：0.96，更优选为(2～3)：0.96，具体可为2.16:0.96；所述氧化葡聚糖和催化剂的质量比优选为(1～4)：0.04，更优选为(2～3)：0.04，具体可为2.16:0.04；所述反应的温度优选为20～40℃，具体可为室温；所述反应的时间优选为24～72h，具体可为48h。在本发明中，所述氧化葡聚糖和羧基封端的苯胺低聚体在溶剂中反应结束后优选用去离子水透析，透析得到的透析液滤除沉淀后进行冻干，得到纯净的氧化葡聚糖-苯胺低聚体。
在本发明提供的上述氧化葡聚糖-苯胺低聚体的制备方法中，对所使用的氧化葡聚糖的来源没有特别限定，可按照以下方法制备得到：
葡聚糖和氧化剂在溶剂中进行反应，得到氧化葡聚糖。
在本发明提供的上述氧化葡聚糖的制备方法中，所述葡聚糖的重均分子量优选为50000～100000，具体可为70000；所述氧化剂包括但不限于高碘酸钠(naio4)；所述溶剂优选为水；所述葡聚糖和氧化剂的质量比优选为10：(3～7)，具体可为10:3.33、10:4.44或10:6.65；所述反应优选在蔽光条件下进行；所述反应的温度优选为20～40℃，具体可为室温；所述反应的时间优选为0.5～3h，具体可为1.5h。在本发明中，所述葡聚糖和氧化剂在溶剂中反应结束后优选用去离子水透析，得到纯净的氧化葡聚糖。
在本发明提供的上述氧化葡聚糖-苯胺低聚体的制备方法中，对所使用的羧基封端的苯胺低聚体的来源没有特别限定，可按照以下方法制备得到：
苯胺低聚体和丁二酸酐在溶剂中进行反应，得到羧基封端的苯胺低聚体。
在本发明提供的上述羧基封端的苯胺低聚体的制备方法中，所述苯胺低聚体具体可为苯胺四聚体；所述溶剂包括但不限于二氯甲烷；所述苯胺低聚体和丁二酸酐的质量比优选为(0.5～3)：1.98，更优选为(1～2)：1.98，具体可为1.46:1.98；所述苯胺低聚体和溶剂的用量比优选为(0.5～3)g：450ml，更优选为(1～2)g：450ml，具体可为1.46g：450ml；所述反应优选在氮气气氛下进行；所述反应的温度优选为20～40℃，具体可为室温；所述反应的时间优选为2～8h，具体可为5h。在本发明中，优选先将苯胺低聚体和丁二酸酐分别与溶剂混合，再将苯胺低聚体溶液和丁二酸酐溶液混合反应，其中，所述苯胺低聚体溶液的浓度优选为0.004～0.005g/ml，所述丁二酸酐溶液的浓度优选为0.013～0.014g/ml。在本发明中，所述苯胺低聚体和丁二酸酐在溶剂中反应结束后优选进行抽滤，分离出固体产物，然后对分离出的固体产物进行洗涤，之后抽提至无色，最后进行干燥，得到纯净的羧基封端的苯胺低聚体。
在本发明提供的上述羧基封端的苯胺低聚体的制备方法中，对所使用的苯胺低聚体的来源没有特别限定，可按照以下方法制备得到：
i)n-苯基-1，4-对苯二胺和过硫酸铵在酸性条件下进行反应，得到固体产物；
ii)所述固体产物用氨水反掺杂，得到苯胺低聚体。
在本发明提供的上述苯胺低聚体的制备方法中，步骤i)中，所述n-苯基-1，4-对苯二胺和过硫酸铵的摩尔比优选为(0.5～2)：1，具体可为1:1；所述酸性条件优选有丙酮和盐酸的混合液提供；所述反应的温度优选≤0℃；所述反应的时间优选为2～5h，具体可为3h。步骤i)中，所述反应的具体过程优选包括：将n-苯基-1，4-对苯二胺、丙酮和盐酸混合，然后将溶于盐酸的过硫酸铵滴加到混合体系中，进行反应；其中，所述n-苯基-1，4-对苯二胺和丙酮的用量比优选为，(0.01～0.04)mol：100ml，具体可为0.02mol：100ml；所述盐酸的浓度优选为1～4mol/l，更优选为2～3mol/l，具体可为2.4mol/l；所述n-苯基-1，4-对苯二胺和盐酸的用量比优选为(0.01～0.04)mol：125ml，具体可为0.02mol：125ml；所述溶于盐酸的过硫酸铵中盐酸的浓度优选为0.5～2mol/l，具体可为1mol/l；所述溶于盐酸的过硫酸铵中过硫酸铵和盐酸的用量比优选为(0.01～0.04)mol：50ml，具体可为0.02mol：50ml。步骤i)中，n-苯基-1，4-对苯二胺和过硫酸铵反应结束后优选进行过滤，分离出固体产物，然后对分离出的固体产物进行洗涤，得到纯净的固体产物。步骤ii)中，氨水的反掺杂浓度优选为0.2～0.8mol/l，具体可为0.5mol/l。步骤ii)中，反掺杂结合后优选进行过滤，分离出固体产物，然后对分离出的固体产物进行洗涤和干燥，得到纯净的苯胺低聚体。
在本发明中，化学交联制备所述电活性氧化石墨烯水凝胶时，所述氧化石墨烯、电活性高分子材料和水的用量比优选为(1～15)mg：(50～200)mg：1ml，具体可为2.5mg：100mg：1ml；所述化学交联的温度优选为15～45℃，具体可为37℃；所述化学交联的时间优选为10s～30min，具体可为8min、15min、20min或30min。在本发明中，优选先将氧化石墨烯和水溶性导电高分子材料分别与水配成溶液，再将氧化石墨烯溶液和水溶性导电高分子材料溶液进行混合交联。其中，所述氧化石墨烯溶液的浓度优选为1～30mg/ml，具体可为5mg/ml；所述水溶性导电高分子材料溶液优选为100～300mg/ml，具体可为200mg/ml。
在本发明中，化学交联制备的所述电活性氧化石墨烯水凝胶中氧化石墨烯与水溶性导电高分子材料的交联点优选为以下基团中的一种或多种：
本发明将石墨烯、导电高分子低聚体和水凝胶相结合制备电活性氧化石墨烯水凝胶，具有良好的电活性、光热转换性能和水溶性，可用于生物医学领域，如生物成像、药物载送、光热治疗等。尤其是导电高分子低聚体和氧化石墨烯不仅具有协同的光热效应，而且还可以实现疏水、亲水药物的负载，因此其在化学-光热协同治疗领域会有很大的应用空间。实验结果表明：本发明提供的水凝胶对没有明显毒性反应；在808nm激光器功率为1～2w/cm2下进行照射5min，温度可达到55℃，光热性能良好；将其用于肿瘤细胞的光热治疗中可有效地杀伤肿瘤细胞。
为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。
实施例1：氧化石墨烯(go)的制备
实验所用氧化石墨按文献hummers法制备。称取5.0g天然鳞片石墨缓慢加入到170ml浓硫酸中，冰浴下搅拌30min，然后缓慢加入20.0g高锰酸钾，溶液由透明转为绿色后，将溶液置于35℃水浴中，继续搅拌反应12h，直至溶液变为土黄色，加入水继续搅拌，反应2h。加入65ml双氧水(30wt％)，搅拌15min后停止反应，离心除去上清液，用稀盐酸(5％)洗涤至无硫酸根，再用去离子水洗涤至溶液呈中性。真空干燥后研磨得到3.5g粉末状氧化石墨烯(go)。
对上述粉末状氧化石墨烯进行结构分析，结果显示其具有式(a)结构。
实施例2：氨基功能化的氧化石墨烯(go-pei)的制备
取0.2g实施例1制备的氧化石墨烯，加入200ml去离子水，超声2小时后形成均匀的分散液。搅拌条件下加入1.6g聚乙烯亚胺(pei，mw＝10000)，恒温60℃下搅拌回流16小时，冷却至室温，再加入50μl的水合肼，剧烈搅拌10min，恒温95℃下回流反应，反应过程中go上的羧基与pei上的氨基反应生成酰胺，反应12小时后，静置过夜。离心分离出沉淀，水洗至上层清液呈中性即得产物go-pei，将产物配成浓度为5mg/ml的水溶液备用。
实施例3：不同氧化度的氧化葡聚糖(odex)的制备
将10g葡聚糖(mw＝70000)用200ml二次蒸馏水充分溶解，分别加入6.65，4.44和3.33g高碘酸钠(naio4)，蔽光室温反应1.5h，装入透析袋中，在去离子水中透析72h，得到氧化度分别为50.6％，34.5％和24.3％的氧化葡聚糖，其氧化度与醛基含量通过盐酸羟胺法测定。氧化葡聚糖中醛基与盐酸羟胺反应，生成化合物肟的同时释放一分子盐酸，通过测定酸碱滴定测定ph值可以间接测出氧化葡聚糖的氧化度和醛基含量。
实施例4：苯胺四聚体(ta)的制备
将3.68g(0.02mol)n-苯基-1，4-对苯二胺溶解于100ml丙酮、100ml水和25ml浓盐酸的混合溶剂中。然后在冰浴下，将溶于50ml1m盐酸的过硫酸铵4.56g(0.02mol)缓慢滴加，滴完后继续反应3h，并将过滤得到的沉淀依次用0.6m盐酸和丙酮洗涤至滤液变清，固体用0.5m的氨水反掺杂，过滤后用去离子水反复洗涤至中性，将产物冷冻干燥，得到紫色固体粉末2.83g。
对上述紫色固体粉末的化学结构进行分析，结果显示，其具有式(i)所示结构。
实施例5：羧基封端的苯胺四聚体(cta)的制备
通氮气下将1.46g实施例4制备的苯胺四聚体溶于300ml二氯甲烷中，再向其中加入1.98g丁二酸酐的二氯甲烷溶液150ml，黑色固体逐渐析出，继续搅拌5小时，反应结束后抽滤，用去离子水反复洗，最后用索氏提取器抽提至无色，真空干燥48小时，得到1.21g产物。
实施例6：氧化葡聚糖-苯胺四聚体(odex-ta)的制备
将2.16g实施例3制备的氧化度为50.6％的氧化葡聚糖溶于30mldmso中，搅拌下充分溶解后，再加入1.19g实施例5制备的cta，溶解后加入0.96gedc和0.04gdmap，反应48小时，产物用去离子水透析3天，透析液过滤后出去沉淀，滤液冻干即得产物odex-ta1.85g。
对制备的odex-ta进行核磁共振分析，结果如图1所示，图1是本发明实施例6提供的核磁共振氢谱。
参照上述odex-ta的制备方法，选择其他氧化度的氧化葡聚糖作为反应原料，即可得到不同氧化度的odex-ta。
将制备得到的odex-ta配成浓度为200mg/ml的水溶液备用。
实施例7：电活性氧化石墨烯水凝胶的制备
将实施例2制备的go-pei水溶液(浓度为5mg/ml)分别与实施例6制备的不同氧化度(50.6％，34.5％和24.3％)的odex-ta溶液(浓度为200mg/ml)按体积比1:1混合均匀，置于直径为1.1cm的小管中，沉浸于37℃的水浴中达到平衡，形成稳定的水凝胶，成胶时间分别为8min、15min、30min。
对制备的水凝胶拍摄照片，结果如图2所示，图2是本发明实施例7提供的电活性氧化石墨烯水凝胶的照片，可见其呈现凝胶形态。
在本实施例中，之所以会形成水凝胶，是由于氧化石墨烯与odex-ta在水中发生了化学交联，其交联产物的结构如图3所示，图3是本发明实施例7提供的电活性氧化石墨烯水凝胶的结构示意图，图中，1表示导电高分子材料(odex-ta)，2表示氧化石墨烯，3表示交联基团。在本实施例中，交联基团为酰腙键
实施例8：电活性氧化石墨烯水凝胶的细胞毒性检测
用大鼠h9c2心肌母细胞系测试材料的细胞毒性。在冰浴下，将实施例2制备的go-pei水溶液(浓度为5mg/ml)与实施例6制备的氧化度为34.5％的odex-ta溶液(浓度为200mg/ml)分别使用紫外臭氧灭菌30min后，按体积比1:1在24孔板中和5×105个/ml细胞悬浮液充分混合，37℃保持20min使其完全成胶。然后每个孔中加入0.5ml的dmem培养基，在37℃和5％二氧化碳的培养箱中培养，每隔两天换一次培养液。在1、3和7d时间间隔下，吸去培养液，用pbs洗三遍。然后加入live/dead荧光染料的pbs溶液，在培养箱中孵育30min后，使用倒置荧光显微镜观察，并利用配置的数码相机系统拍摄相应的照片，使用软件分析。活细胞被calceinam染为绿色，死细胞被pi染为红色。结果表明包埋于电活性凝胶后细胞并没有明显的死亡现象，7d存活率能达到80％，说明在凝胶内部细胞活性依然可以保持，材料对细胞没有明显毒性反应。
实施例9：电活性氧化石墨烯水凝胶的光热性能检测
在1.5ml的ep管中实施例2制备的go-pei水溶液(浓度为5mg/ml)与实施例6制备的氧化度为34.5％的odex-ta溶液(浓度为200mg/ml)按体积比1:1混合均匀，37℃下15min后形成凝胶，然后在808nm激光器功率为1～2w/cm2下进行照射5min，并利用红外热成像仪测得温度达到55℃，说明电活性氧化石墨烯水凝胶具有良好的光热性能。
实施例10：电活性氧化石墨烯水凝胶对人恶性胶质瘤细胞的光热治疗
将实施例2制备的go-pei水溶液(浓度为5mg/ml)与实施例6制备的氧化度为34.5％的odex-ta溶液(浓度为200mg/ml)按体积比1:1混合，得到l氧化石墨烯和odex-ta共混溶液。
将人恶性胶质瘤细胞u87-mg细胞培养于96孔板中，每孔100个细胞，并加入100μl含10％胎牛血清的mem培养液，培养过夜。之后向其中加入200μl上述氧化石墨烯和odex-ta共混溶液，37℃下20min形成凝胶，之后共孵育3h，然后用pbs缓冲液洗涤3次。打开808nm激光器，调节功率密度为1.5w/cm2，照射5min，然后加入100μl新鲜培养液培养24h，之后除去培养液，配置培养液和cck-8试剂混合液，按照9:1的比例使其总体积保持为100μl，培养30min后在酶标仪上进行检测。与未用激光处理的对照组相比，经过激光照射后，细胞成活率仅为50％，表明电活性氧化石墨烯水凝胶能够有效地杀伤肿瘤细胞。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。