生物相容性螺旋形貌直链淀粉功能化碳纳米管的制备方法

摘要

本发明涉及一种化工技术领域的生物相容性螺旋形貌直链淀粉功能化碳纳米管的制备方法，通过非共价的物理作用，利用天然的直链淀粉对碳纳米管进行功能化，洗去多余直链淀粉使直链淀粉和碳纳米管复合物表面呈现螺旋形貌，最终产物具有良好的生物相容性，也就是生物相容性螺旋形貌直链淀粉功能化碳纳米管。这种制备方法简单易行，易于控制，所得产品可以长期稳定分散于水中，表现出很好的生物相容性，可以作为细胞培养的基底，能广泛应用在生物领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米技术领域的制备方法，特别是一种生物相容性螺旋形貌直链淀粉功能化碳纳米管的制备方法。

背景技术

碳纳米管(简称CNT)是近年来被发现的一种新型碳结构，是由碳原子形成的石墨烯片层卷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π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(SWNT)和多壁碳纳米管(MWNT)。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，而迅速成为物理、化学、材料乃至生物学研究的热点。由于碳纳米管管壁光滑且高度可极化，在强的范德华力作用下容易团聚成束，几乎不溶于水和各种有机溶剂，难以分散，在很多领域的应用受到了极大的限制。因此，对碳纳米管进行功能化改性以提高其溶解性能和分散性能是近年来被广泛关注的研究热点。根据碳纳米管与功能性修饰材料的连接方式不同，功能化方法可以分为共价键改性和非共价键改性两种。共价键改性是通过改变碳纳米管管壁上碳原子的sp²构型实现修饰材料与碳纳米管之间的共价键合，所以会一定程度地破坏碳纳米管的电子结构和力学性能。而非共价键改性则是利用碳纳米管的疏水性表面或π电子结构与其它分子通过疏水力、π-π堆积等弱相互作用相结合，可以保持碳纳米管完美的电子结构和力学性能不发生明显变化。另一方面，直链淀粉是近年来天然高分子研究领域的研究热点，它是由葡萄糖以α-1，4-糖苷键结合而成的链状化合物，在特定溶剂中呈现出螺旋构象，由于与生物体系有良好的相容性且相对易得，必有很大的应用前景。

经对现有技术的文献检索发现，Kim等在《美国化学会志》2003年第125卷15期4426～4427页上发表的“螺旋构象直链淀粉包覆单壁碳纳米管的溶解性”，该文中提出具体方法为：先将SWNT分散于水中预超声，然后将直链淀粉及分散好的碳纳米管放入一定浓度的二甲亚砜和水溶液中，经超声，水洗制备直链淀粉功能化的碳纳米管。其不足在于：后处理难以将多余的直链淀粉洗去，从而无法得到更细微的表面形貌。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种生物相容性螺旋形貌直链淀粉功能化碳纳米管的制备方法，使其用直链淀粉对碳纳米管进行非共价的物理包覆，制备生物相容性直链淀粉功能化碳纳米管，充分洗去碳纳米管上多余淀粉，得到了规则的螺旋表面形貌。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过非共价的物理作用，利用天然的直链淀粉对碳纳米管进行功能化，洗去多余直链淀粉使直链淀粉和碳纳米管复合物表面呈现螺旋形貌，最终产物具有良好的生物相容性，也就是生物相容性螺旋形貌直链淀粉功能化碳纳米管。

本发明包括以下步骤：

步骤a：将淀粉原料以0.01～1重量比与去离子水混合，搅拌，离心，静置，分离出上层直链淀粉粗提液，向其中加入乙醇，静置，离心，分离出下层直链淀粉，加入乙醇反复淋洗，过滤，真空干燥，得到直链淀粉；

步骤b：将1重量份碳纳米管原料和50～5000重量份的氧化性酸混合，超声波处理，搅拌反应，抽滤，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的碳纳米管；

步骤c：将1～100mg/mL步骤b所得纯化碳纳米管水溶液1体积份用超声波处理后，加入0.1～1体积份直链淀粉的二甲亚砜溶液，超声波处理，静置，经过滤，溶剂洗涤，水洗，真空干燥，得到表面有螺旋形貌的直链淀粉和碳纳米管复合物。

上述步骤a中，所述淀粉原料为玉米淀粉、马铃薯淀粉、小麦淀粉中一种。

上述步骤a中，所述搅拌，离心，静置，是指：搅拌时间为0.5h～10h，搅拌温度为20℃～100℃，在离心力为3000g下离心15min，静置1min～100min。

上述步骤a中，所述向其中加入乙醇，静置，离心，是指：向上层直链淀粉粗提液中加入体积比为0.1～0.5的乙醇，静置1min～200min，在离心力为3000g下离心15min。

上述步骤b中，所述碳纳米管为催化热解、电弧放电、模板法、化学气相沉积法方法制备的单壁或多壁碳纳米管。

上述步骤b中，所述氧化性酸包括1～5mol/L的硝酸、0.1～100％重量酸浓度硫酸、1/100~100/1摩尔比硝酸和硫酸混合溶液、1/100~100/1摩尔比高锰酸钾和硫酸混合溶液、1/100~100/1摩尔比H₂O₂和硫酸混合溶液中的一种。

上述步骤b中，所述超声波处理，搅拌反应，是指：用0kHz～100kHz超声波处理1min～100min，20℃～200℃下搅拌，反应1h～50h。

上述步骤c中，所述溶剂洗涤，其所用的溶剂为二甲亚砜、氯仿、四氢呋喃、丙酮、乙腈、丁酮、吡啶或者含有这些溶剂的混合溶剂。

上述步骤c中，所述用超声波处理，是指：用0kHz～100kHz超声波处理1min～100min。

上述步骤c中，所述超声波处理，静置，是指：用0kHz～100kHz超声波处理1min～100min，静置1h～50h。

本发明利用碳纳米管完美的结构和优异的性能，开发以碳纳米管为基体的生物型纳米材料要。利用天然高分子直链淀粉，对碳纳米管进行非共价的物理包覆，使直链淀粉分子良好的生物相容性与碳纳米管独有的特性有机地整合在一起，从而可以制备出具有生物相容性的纳米复合材料。这不但大大扩展了天然高分子和碳纳米管材料的应用，也同时促进了纳米科学技术领域的发展。

本发明提供的制备方法简单易行，可控性强；所得产品具有规则的螺旋形貌，螺距为14-15nm；以其作为细胞培养基底，MTT法检测细胞存活率约为原生碳纳米管为基底样品的4倍。由于其良好的生物相容性，可作为生物材料使用，可以广阔应用在纳米科学、材料科学和生物医学等诸多方面。

附图说明

图1：生物相容性螺旋形貌直链淀粉功能化碳纳米管的扫描电子显微镜照片；

图2：生物相容性螺旋形貌直链淀粉功能化碳纳米管的细胞活性检验图；

图3：生物相容性螺旋形貌直链淀粉功能化碳纳米管的原子力显微镜照片。

具体的实施方式

下面结合附图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1

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功能化到单壁碳纳米管表面，得到生物相容性螺旋形貌直链淀粉功能化碳纳米管。

步骤a：在已装有磁力搅拌转子的单颈圆底烧瓶中，加入5g玉米淀粉和150mL去离子水，加热到80℃，搅拌60min，在离心力为3000g下离心15min，静置90min，分离出上层直链淀粉粗提液，向其中加入80mL乙醇，静置90min，在离心力3000g下离心15min，分离出下层直链淀粉浆液，加入大量乙醇洗涤，过滤，重复8次，50℃真空干燥，得到直链淀粉；

步骤b：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120mL 2.6mol/L的硝酸，用40kHz超声波处理30min后加热到120℃，搅拌并回流下反应48h，用φ0.22μm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，50℃真空干燥24h后得到纯化的碳纳米管；

步骤c：在已装有磁力搅拌转子的单颈圆底烧瓶中，加入85mL 2mg/mL步骤b所得纯化碳纳米管水溶液，用40kHz超声波处理30min后，加入15mL 15mg/mL直链淀粉的二甲亚砜溶液，用40kHz超声波处理60min后，静置48h后，用φ0.22μm聚四氟乙烯微孔滤膜抽滤，用50mL二甲亚砜洗涤，再用φ0.22μm聚四氟乙烯微孔滤膜抽滤，用大量去离子水反复洗涤，过滤，重复5次，50℃真空干燥，得到生物相容性螺旋形貌直链淀粉功能化碳纳米管。

图1给出了生物相容性螺旋形貌直链淀粉功能化碳纳米管的扫描电子显微镜照片，照片呈现出大面积均匀的直链淀粉和碳纳米管复合物复合物，复合物表面有规则的螺旋型周期形貌。

从细胞活性检验数据(图2)可以看出，经直链淀粉功能化后的碳纳米管具有更好的生物活性，体现在以直链淀粉和碳纳米管复合物为培养基底样品细胞在培养24h，48h，72h活性指标均高于以单纯碳纳米管为培养基底的对比样品。

实施例2

以催化热解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功能化到单壁碳纳米管表面，得到生物相容性螺旋形貌直链淀粉功能化碳纳米管。

步骤a：在已装有磁力搅拌转子的单颈圆底烧瓶中，加入10g马铃薯淀粉和200mL去离子水，加热到100℃，搅拌180min，在离心力为3000g下离心15min，静置75min，分离出上层直链淀粉粗提液，向其中加入100mL乙醇，静置60min，在离心力3000g下离心15min，分离出下层直链淀粉浆液，加入大量乙醇洗涤，过滤，重复8次，50℃真空干燥，得到直链淀粉；

步骤b：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80mL 20％的硫酸，用40kHz超声波处理15min后加热到110℃，搅拌并回流下反应24h，用φ0.22μm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，50℃真空干燥24h后得到纯化的碳纳米管；

步骤c：在已装有磁力搅拌转子的单颈圆底烧瓶中，加入170mL 3mg/mL步骤b所得纯化碳纳米管水溶液，用40kHz超声波处理30min后，加入30mL 10mg/mL直链淀粉的二甲亚砜溶液，用40kHz超声波处理90min后，静置24h后，用φ0.22μm聚四氟乙烯微孔滤膜抽滤，用50mL吡啶洗涤，再用φ0.22μm聚四氟乙烯微孔滤膜抽滤，用大量去离子水反复洗涤，过滤，重复5次，50℃真空干燥，得到生物相容性螺旋形貌直链淀粉功能化碳纳米管。

图3给出了生物相容性螺旋形貌直链淀粉功能化碳纳米管的原子力显微镜照片，照片可以清楚看到直链淀粉功能化碳纳米管的表面具有规则的螺旋型周期形貌，经测定螺距为14-15nm。

实施例3

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直链淀粉功能化到单壁碳纳米管表面，得到生物相容性螺旋形貌直链淀粉功能化碳纳米管。

步骤a：在已装有磁力搅拌转子的单颈圆底烧瓶中，加入7.5小麦淀粉和175mL去离子水，加热到90℃，搅拌120min，在离心力为3000g下离心15min，静置45min，分离出上层直链淀粉粗提液，向其中加入75mL乙醇，静置45min，在离心力3000g下离心15min，分离出下层直链淀粉浆液，加入大量乙醇洗涤，过滤，重复8次，50℃真空干燥，得到直链淀粉；

步骤b：在已装有磁力搅拌转子的单颈圆底烧瓶中，加入30mg碳纳米管原料和100mL 4mol/L的硝酸，用40kHz超声波处理20min后加热到95℃，搅拌并回流下反应12h，用φ0.22μm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，50℃真空干燥24h后得到纯化的碳纳米管；

步骤c：在已装有磁力搅拌转子的单颈圆底烧瓶中，加入255mL 4mg/mL步骤b所得纯化碳纳米管水溶液，用40kHz超声波处理20min后，加入45mL 23mg/mL直链淀粉的二甲亚砜溶液，用40kHz超声波处理75min后，静置12h后，用φ0.22μm聚四氟乙烯微孔滤膜抽滤，用50mL 1/1体积比的丙酮和吡啶混合溶剂洗涤，再用φ0.22μm聚四氟乙烯微孔滤膜抽滤，用大量去离子水反复洗涤，过滤，重复5次，50℃真空干燥，得到生物相容性螺旋形貌直链淀粉功能化碳纳米管，以其作为细胞培养基底，MTT法检测细胞存活率为140％，高于原生碳纳米管为基底样品的细胞存活率40％。

实施例4

以催化热解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功能化到单壁碳纳米管表面，得到生物相容性螺旋形貌直链淀粉功能化碳纳米管。

步骤a：在已装有磁力搅拌转子的单颈圆底烧瓶中，加入3g玉米淀粉和100mL去离子水，加热到105℃，搅拌90min，在离心力为3000g下离心15min，静置55min，分离出上层直链淀粉粗提液，向其中加入80mL乙醇，静置60min，在离心力3000g下离心15min，分离出下层直链淀粉浆液，加入大量乙醇洗涤，过滤，重复8次，50℃真空干燥，得到直链淀粉；

步骤b：在已装有磁力搅拌转子的单颈圆底烧瓶中，加入50mg碳纳米管原料和150mL 40％的硫酸，用40kHz超声波处理25min后加热到90℃，搅拌并回流下反应24h，用φ0.22μm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，50℃真空干燥24h后得到纯化的碳纳米管；

步骤c：在已装有磁力搅拌转子的单颈圆底烧瓶中，加入90mL 1mg/mL步骤b所得纯化碳纳米管水溶液，用40kHz超声波处理30min后，加入16mL 10mg/mL直链淀粉的二甲亚砜溶液，用40kHz超声波处理25min后，静置16h后，用φ0.22μm聚四氟乙烯微孔滤膜抽滤，用50mL 1/1体积比二甲亚砜和丙酮的混合溶剂洗涤，再用φ0.22μm聚四氟乙烯微孔滤膜抽滤，用大量去离子水反复洗涤，过滤，重复5次，50℃真空干燥，得到生物相容性螺旋形貌直链淀粉功能化碳纳米管，以其作为细胞培养基底，MTT法检测细胞存活率为150％。