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CN108404203B - 一种还原氧化石墨烯/生物玻璃纳米纤维支架的制备方法 - Google Patents

一种还原氧化石墨烯/生物玻璃纳米纤维支架的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于生物功能材料领域，涉及一种还原氧化石墨烯/生物玻璃纳米纤维支架制备方法，该方法包括以下步骤：将块状细菌纤维素与水混合后制得细菌纤维素溶液，随后加入还原氧化石墨烯溶液，超声后得到还原氧化石墨烯/细菌纤维素混合溶液，在该混合溶液中加入对应的钙、硅、磷源，超声得到细菌纤维素/还原氧化石墨烯/生物玻璃前驱体溶液，冻干后在氩气氛围中煅烧，得到具有抗菌性的还原氧化石墨烯/生物玻璃纳米纤维支架，并借助其独特的三维网络状结构在SBF中能够迅速诱导羟基磷灰石的形成。本发明的工艺流程简单，操作简单快捷，制备成本较低，所得生物玻璃纳米纤维支架的抗菌性、生物活性高，在骨移植及骨替换领域有良好的应用前景。

Description

一种还原氧化石墨烯/生物玻璃纳米纤维支架的制备方法
技术领域
本发明涉及生物功能材料领域，尤其涉及一种还原氧化石墨烯/生物玻璃纳米纤维支架的制备方法。
背景技术
在科学技术日新月异的今天，由于器官功能衰竭和器官捐献者过少，器官短缺已经成为一个日益严重的问题。为了解决病人长期等待器官捐献的器官短缺问题，组织工程领域提出以替代物来代替和修补病变组织，从而提高患者的治愈率和生活质量，其中骨移植已经成为世界上第二大移植组织。骨修复材料因为可以用来修复和替代人体的硬组织，已经被广泛应用于口腔科、骨外科和骨科。由于外创伤、炎症和骨肿瘤等疾病导致骨缺损的患者数量正日益增多，因此骨修复材料的需求量也在不断增大。由美国Hench教授发明的生物玻璃材料植入生物体内后，能够作为骨骼或牙齿的替代物，材料中的组分可以同生物体内的组分互相交换或者反应，形成牢固的化学结合，最终生成与生物体本身相容的物质，构成新生骨骼和牙齿的一部分。由于其优异的骨诱导性和生物活性，正越来越受到人们的关注。
到目前为止，有大量研究报道，高比表面积和孔隙率的生物玻璃具有更高的生物活性，并具有良好的生物仿生矿化性能，在模拟体液（SBF）中浸泡一段时间后能在其表面生成类骨的碳酸羟基磷灰石晶体，这也是衡量材料是否具备生物活性最重要的标准之一。目前国内外生物玻璃支架制备的尺度主要集中在微孔和大孔之前，所制得生物材料的比表面积较小，生物活性较为低下，难以满足人体组织工程对生物玻璃材料的极大需求。而且当生物玻璃被植入体内后，常会伴生感染，引起炎症，如果不能采取有效的抗菌手段，会导致植入失败。因此，让植入体本身就具备抗菌性是对抗术后感染的一种十分有效的手段。
细菌纤维素因为其拥有超细的三维网络结构在纳米纤维外拥有巨大的三维空间，易容纳水、醇类、无机物、有机物前驱体等溶液或溶胶颗粒等，为目标物在细菌纤维素表面的沉积提供了条件，而且细菌纤维素含有的纳米级孔径、较大的比表面积，被广泛应用于生物功能纳米材料领域。但由于细菌纤维素表面羟基化学活性较低，一般情况下很难与阳离子结合及其他成分结合。还原氧化石墨烯 (reduced Graphene Oxide, rGO )是石墨烯的氧化物，因经氧化后又在还原剂的作用下进行还原反应，在表面及片层之间产生大量的羟基、羧基等含氧官能团，且在植入人体后能产生大量的对耗氧型细菌有害的阴离子氧化物，是一种十分理想的抗菌剂。还原氧化石墨烯比表面积巨大，丰富的含氧官能团为细胞的依附提供了大量的结合位点。采用细菌纤维素与还原氧化石墨烯相复合的方式，可克服还原氧化石墨烯自身易聚集的不足，有助于其比表面积的增加以及细胞依附结合位点的增加，从而极大的提高了材料的生物活性及抗菌性。本发明借助细菌纤维素的超细网络结构，以此为有机模板，在沉积含有钙、硅的生物玻璃前驱体成分后，与具有抗菌性能的还原氧化石墨烯复合，制备得到抗菌性能的生物活性玻璃纳米纤维支架，在生物替代材料中具有良好的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种操作工艺简单、具有三维超细网络结构、高比表面积、高生物活性和具有良好抗菌性的纳米玻璃纤维支架的制备方法，旨在通过细菌纤维素与还原氧化石墨烯相复合的方式，在提高纤维素纳米纤维对生物玻璃前驱体成分的结合能力的同时，赋予了材料良好的抗菌性，从而制备出具有纳米网络结构的抗菌性生物玻璃纳米纤维支架。
本发明的技术方案如下：
(1)称取一定量的颗粒状细菌纤维素（BC）块体放于细胞破壁机中加入适量的水打成浆状，得到细菌纤维素浆状溶液；
(2)加入质量比为1%氧化石墨烯，置于超声机中超声1 h，得到氧化石墨烯均匀分散溶液，升温至100 ℃，并往里面逐滴添加水合肼溶液反应1 h，随后进行离心，得到还原氧化石墨烯溶液（rGO）其中氧化石墨烯与水合肼溶液的质量比为1:1000；
(3)取(1)中的细菌纤维素溶液和(2)中的还原氧化石墨烯溶液按体积比为10：1的比例混合超声，得到还原氧化石墨烯/细菌纤维素混合溶液（rGO/BC）；
(3)分别取作为生物玻璃的钙源、硅源和磷源的Ca(NO3)2·4H2O、正硅酸四乙酯（TEOS）和磷酸三乙酯（TEP）按Ca :Si :P= 3.6:6:0.4的摩尔比分别添加进rGO/BC溶液中，搅拌1 h后静置3-10小时获得混合物的生物玻璃凝胶；冷冻干燥后，得到还原氧化石墨烯/细菌纤维素/生物玻璃前驱体纤维支架；
(4)将获得的前驱体纤维支架升温至550~800 ℃的氩气氛围中煅烧1~6 h，所得即为还原氧化石墨烯/生物活性纳米玻璃支架（rGO/BG）。
所述步骤（1）中细菌纤维素与水的质量比为（1-3）:1。
所述步骤(4)中烧结升温速率为5~20 ℃/min。
本发明与现有技术相比具有以下优点:
1、本发明制备工艺操作简单、耗时低，能在较短的时间内完成制备过程。
2、本发明通过模板法制备出了具有纳米级孔隙的生物活性玻璃纳米支架，并赋予了此材料具有一定的抗菌性。制备得到的生物活性玻璃纳米纤维支架具有较高的孔隙率、比表面积、良好的抗菌性和较高的生物活性。此方法为抗菌性生物玻璃纳米纤维支架的制备提供了新的路径，具有一定的现实意义。
附图说明
图1具有高生物活性和抗菌性还原氧化石墨烯掺杂纳米玻璃纤维支架的制备流程示意图。
图2为实施例2中还原氧化石墨烯/细菌纤维素-生物玻璃煅烧前的SEM图。
图3为本发明各实例制备样品中对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌的抗菌率柱状图。
具体实施方法
下面通过实施例对本发明的技术方案进行详细说明，但本发明所保护内容不仅限于此。
实施例1
一种高生物活性纳米玻璃纤维支架的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取颗粒状细菌纤维素（BC）块体放于细胞破壁机中加入水打成浆状，配成质量浓度为20%的细菌纤维素浆状溶液；
(2)加入质量比为1%氧化石墨烯，置于超声机中超声1 h，得到氧化石墨烯均匀分散溶液，升温至100 ℃，并往里面逐滴添加水合肼溶液反应1 h，随后进行离心，得到还原氧化石墨烯溶液（rGO），其中氧化石墨烯与水合肼溶液的质量比为1:1000；
(3)取(1)中的细菌纤维素溶液和(2)中的还原氧化石墨烯溶液按体积比为10：1的比例混合超声，得到还原氧化石墨烯/细菌纤维素混合溶液（rGO/BC）；
(3)分别取作为生物玻璃的钙源、硅源和磷源的Ca(NO3)2·4H2O、正硅酸四乙酯（TEOS）和磷酸三乙酯（TEP）按Ca :Si :P= 3.6:6:0.4的摩尔比分别添加进rGO/BC溶液中，搅拌1 h后静置3-10小时获得混合物的生物玻璃凝胶；冷冻干燥后，得到还原氧化石墨烯/细菌纤维素/生物玻璃前驱体纤维支架；
(4)将获得的前驱体纤维支架在550 ℃的氩气氛围中煅烧1 h，所得即为还原氧化石墨烯/生物活性纳米玻璃支架（rGO/BG）。
实施例2
一种高生物活性纳米玻璃纤维支架的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取颗粒状细菌纤维素（BC）块体放于细胞破壁机中加入水打成浆状，配成质量浓度为20%的细菌纤维素浆状溶液；
(2)加入质量比为1%氧化石墨烯，置于超声机中超声1 h，得到氧化石墨烯均匀分散溶液，升温至100 ℃，并往里面逐滴添加水合肼溶液反应1 h，随后进行离心，得到还原氧化石墨烯溶液（rGO）其中氧化石墨烯与水合肼溶液的质量比为1:1000；
(3)取(1)中的细菌纤维素溶液和(2)中的还原氧化石墨烯溶液按体积比为10：1的比例混合超声，得到还原氧化石墨烯/细菌纤维素混合溶液（rGO/BC）；
(3)分别取作为生物玻璃的钙源、硅源和磷源的Ca(NO3)2·4H2O、正硅酸四乙酯（TEOS）和磷酸三乙酯（TEP）按Ca :Si :P= 3.6:6:0.4的摩尔比分别添加进rGO/BC溶液中，搅拌1 h后静置3-10小时获得混合物的生物玻璃凝胶；冷冻干燥后，得到还原氧化石墨烯/细菌纤维素/生物玻璃前驱体纤维支架；
(4)将获得的前驱体纤维支架在550 ℃的氩气氛围中煅烧6 h，所得即为还原氧化石墨烯/生物活性纳米玻璃支架（rGO/BG）。
实施例3
一种高生物活性纳米玻璃纤维支架的制备方法，包括以下步骤：
(1)称取颗粒状细菌纤维素（BC）块体放于细胞破壁机中加入水打成浆状，配成质量浓度为20%的细菌纤维素浆状溶液；
(2)加入质量比为1%氧化石墨烯，置于超声机中超声1 h，得到氧化石墨烯均匀分散溶液，升温至100 ℃，并往里面逐滴添加水合肼溶液反应1 h，随后进行离心，得到还原氧化石墨烯溶液（rGO）其中氧化石墨烯与水合肼溶液的质量比为1:1000；
(3)取(1)中的细菌纤维素溶液和(2)中的还原氧化石墨烯溶液按体积比为10：1的比例混合超声，得到还原氧化石墨烯/细菌纤维素混合溶液（rGO/BC）；
(3)分别取作为生物玻璃的钙源、硅源和磷源的Ca(NO3)2·4H2O、正硅酸四乙酯（TEOS）和磷酸三乙酯（TEP）按Ca :Si :P= 3.6:6:0.4的摩尔比分别添加进rGO/BC溶液中，搅拌1 h后静置3-10小时获得混合物的生物玻璃凝胶；冷冻干燥后，得到还原氧化石墨烯/细菌纤维素/生物玻璃前驱体纤维支架；
(4)将获得的前驱体纤维支架在800 ℃的氩气氛围中煅烧1 h，所得即为还原氧化石墨烯/生物活性纳米玻璃支架（rGO/BG）。
上述实施例1~3中步骤5中煅烧时的升温速度为5~20 ℃/min。

Claims (4)

1.一种还原氧化石墨烯/生物玻璃纳米纤维支架的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)称取一定量的颗粒状细菌纤维素BC块体放于细胞破壁机中加入适量的水打成浆状，得到细菌纤维素浆状溶液；
(2)加入氧化石墨烯，置于超声机中超声1 h，得到氧化石墨烯均匀分散溶液，升温至100 ℃，并往里面逐滴添加水合肼溶液反应1 h，随后进行离心，得到还原氧化石墨烯溶液rGO，其中氧化石墨烯与水合肼溶液的质量比为1:1000；
(3)取(1)中的细菌纤维素溶液和(2)中的还原氧化石墨烯溶液按体积比为10：1的比例混合超声，得到还原氧化石墨烯/细菌纤维素混合溶液rGO/BC；
(3)分别取作为生物玻璃的钙源、硅源和磷源的Ca(NO3)2·4H2O、正硅酸四乙酯TEOS和磷酸三乙酯TEP分别添加进rGO/BC溶液中，搅拌1 h后静置3-10小时获得混合物的生物玻璃凝胶；冷冻干燥后，得到还原氧化石墨烯/细菌纤维素/生物玻璃前驱体纤维支架CaSi/rGO/BC；
(4)将获得的前驱体纤维支架在550~800 ℃的氩气氛围中煅烧1~6 h，所得为还原氧化石墨烯/生物活性纳米玻璃支架rGO/BG；步骤（2）中加入的氧化石墨烯的质量为步骤（1）细菌纤维素浆状溶液质量的1%。
2.根据权利要求1所述的一种还原氧化石墨烯/生物玻璃纳米纤维支架的制备方法，其特征在于：所述步骤（1）中细菌纤维素与水的质量比为（1-3）:1。
3.根据权利要求1所述的一种还原氧化石墨烯/生物玻璃纳米纤维支架的制备方法，其特征在于：步骤（3）中Ca(NO3)2·4H2O、正硅酸四乙酯TEOS和磷酸三乙酯TEP按Ca :Si :P=3.6:6:0.4的摩尔比添加。
4.根据权利要求1所述的一种还原氧化石墨烯/生物玻璃纳米纤维支架的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中煅烧升温速率为5~20 ℃/min。
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Constructing a highly bioactive 3D nanofibrous bioglass scaffold via bacterial cellulose-templated sol-gel approach;Honglin Luo et al;《Materials Chemistry and Physics》;20160331;第176卷(第15期);第1-5页 *

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