生物相容性定向碳纳米管阵列增强复合水凝胶的制备方法

摘要

本发明提供了一种生物相容性定向碳纳米管阵列增强复合水凝胶的制备方法，属于生物医用材料领域。本发明采用化学气相沉积(CVD)技术、辐射交联技术和冷冻解冻法制备定向碳纳米管阵列增强复合水凝胶。在碳纳米管预制体中渗入高分子溶胶，克服了碳纳米管与聚合物复合过程出现的团聚缠结问题，提高了增强相与基体相的界面强度，充分发挥碳纳米管在力学、电学方面的优异性能。复合水凝胶采用物理交联法制备，不含任何化学添加剂，满足生物相容性的要求。制备出的复合水凝胶，其碳纳米管阵列增强相的长度和方向可控，综合力学性能和电学性能明显优于传统水凝胶，适合应用于人工关节软骨、组织工程支架、神经细胞载体、仿生植入电极材料等生物医用领域。

说明书

技术领域

本发明涉及生物医用材料领域，特别涉及定向碳纳米管阵列增强复合水凝胶的制备。

背景技术

水凝胶是能够在水中溶胀并保持大量水分而又不能溶解的交联聚合物。它们在水中可迅速溶胀至平衡体积，仍能保持其形状和三维空间网络结构，并在一定条件下脱水退溶胀，是一类集吸水、保水、缓释于一体的功能高分子材料。由于交联网络中含有大量水分，水凝胶与生物组织极其相似，其柔软、润湿的表面以及与组织的亲和性大大减少了材料对周围组织的刺激，使得水凝胶具有良好的生物相容性和组织相容性。因此，水凝胶在生物医学方面的用途非常广泛，可作为微生物固定载体、药物缓释剂、接触眼镜、人工血浆、人造皮肤、组织工程支架材料等。

碳纳米管是由单层或多层六元碳环石墨层弯曲形成的密闭的纳米管体，管的两端各为类似半个富勒烯分子的半球状封端，长径比一般大于1000。由于碳纳米管具有封闭的结构，因此它所具有的轴向强度和弹性模量极高，比钢的强度高100多倍，理论杨氏模量可高达1.8×10¹²Pa，而比重只有钢的1/6～1/7，是目前具有最高比强度的材料。碳纳米管具有一般纳米材料所具有的表面效应、小尺寸效应等基本效应，并具有优异的力学、电学、光学、磁学、热学等性能，非常适合用作其他物质的增强材料。更为重要的是其耐酸、耐碱、耐高温，具有较高的化学稳定性和良好的生物相容性，这对于碳纳米管作为生物医用材料，应用于人体内环境是很有利的。

通过制备碳纳米管增强复合水凝胶，可在保持水凝胶良好生物相容性的同时，大大改善其力学性能和电学性能，获得性能优异的生物医用材料，扩大水凝胶在药物释放载体、各种软/硬组织再生修复以及组织工程器官培养等方面的应用。

碳纳米管具有表面效应和体积效应，其颗粒小，比表面积大，管间具有很强的范德华力，很容易形成团聚体，因而在与聚合物的复合过程中常常出现团聚现象，与聚合物结合不紧密，从而影响了碳纳米管在基体中的增强效果和性能的发挥。现有的碳纳米管化学改性和纯化处理技术均未能有效解决这一难题。而在许多重要的应用场合，需要超长、连续的碳纳米管长丝和厘米级面积的定向碳纳米管膜，才能充分发挥碳纳米管独特的力学、电学、热学等性能。另外，定向碳纳米管增强水凝胶复合材料的制备方法及其在生物医用领域的应用至今还未见文献报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种生物相容性定向碳纳米管阵列增强复合水凝胶的制备方法，使制备出的定向碳纳米管阵列增强复合水凝胶在保持水凝胶固有的生物相容性和组织相容性的同时，提高其力学性能和电学性能，并可根据使用要求对上述性能进行调控。

本发明采用化学气相沉积(CVD)技术、辐射交联技术和冷冻解冻法制备定向碳纳米管阵列增强复合水凝胶。工艺步骤如下：

步骤一：制备定向碳纳米管阵列

采用化学气相沉积(CVD)技术制备定向碳纳米管阵列。采用电阻炉加热，用石英玻璃管作为反应器。以石英玻璃片作为定向碳纳米管的生长基底，搭载于石英舟上，置于反应室中间。碳源、催化剂和载体气(氢气和氩气)从石英管的一端引入，尾气从另一端排出。碳源为一氧化碳或碳氢化合物如甲烷、乙烷、乙烯、丙烯等，用质量流量计控制阀控制碳源的流量。若使用负载型催化剂需预先将催化剂涂到基底上；若使用漂浮催化剂，则需要一个喷射系统(如精密流量泵)将气化的催化剂注射到碳源气流中。通常定向碳纳米管的生长方法是先用氩气或其他惰性气体清洗反应器至反应器达到反应温度，然后将气体切换成碳源，直到定向碳纳米管阵列生长完毕后将气体切换回惰性气体并冷却至室温，取出样品。用这种方法制备出的碳纳米管一般为多壁碳纳米管(外径范围5～100nm)，碳纳米管的生长长度取决于碳源的供应，甚至其生长长度可达到6mm。

步骤二：制备高分子溶胶

将分析纯的高分子聚合物加入二次蒸馏水中，配制成高分子聚合物质量分数为5～40％的水溶液，在50～95℃恒温水浴中搅拌至固体聚合物均匀溶解，或者放入压力蒸汽容器中加热溶解，容器内压力维持在0.08～0.12MPa，温度为100～120℃，加热时间0.5～2小时。最后，将溶解均匀的高分子溶胶在室温中静置冷却，至气泡排尽。

所述的高分子聚合物为适合于生物医药领域的无毒性的高分子聚合物，可以是聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙二醇(PEG)、聚丙烯酰胺(PAM)、聚丙烯酸(PAA)、聚乙烯基甲基醚(PVME)、聚氧化乙烯(PEO)、壳聚糖(chitosan)、水溶性甲壳素(ws-chitin)、胶原(collagen)、明胶(gelatin)、透明质酸(HA)、藻酸盐和纤维蛋白中的一种或由上述任意两种到五种高分子材料组成的混合物。

步骤三：将高分子溶胶渗入碳纳米管预制体中

将由步骤一制得的定向碳纳米管阵列均匀分散在平面模具内，再往模具中缓慢渗入高分子溶胶，碳纳米管与高分子溶胶的质量比为0.01/99.99～20/80，使高分子溶胶包覆碳纳米管预制体，得到混合物。

步骤四：冷冻解冻法或辐射交联法制备碳纳米管复合水凝胶

方法1：对步骤三得到的混合物进行冷冻解冻循环处理。冷冻温度-35～-5℃，冷冻时间5～24小时，然后在室温下解冻1～12小时，如此冷冻解冻循环1～8次，得到定向碳纳米管阵列增强复合水凝胶。该方法主要适用于基体为聚乙烯醇(PVA)或者含有聚乙烯醇的高分子聚合物混合物。

方法2：在进行方法1的冷冻解冻循环处理之前或者在其之后，对步骤三得到的混合物或者方法1得到的水凝胶进行辐射加工，采用剂量为10～100kGy的γ射线、电子束、X射线或紫外线辐照混合物，通过增强高分子聚合物间的化学交联作用，进一步提高水凝胶的机械强度。该方法主要适用于基体为聚乙烯醇(PVA)或者含有聚乙烯醇的高分子聚合物混合物。

方法3：采用γ射线、电子束、X射线或紫外线对步骤三得到的混合物进行辐射加工，剂量为10～100kGy，得到定向碳纳米管阵列增强复合水凝胶。该方法适用于基体为步骤二所述的各种高分子聚合物及其混合物。

采用本发明制得的定向碳纳米管阵列增强复合水凝胶厚度为10～3000μm。基体相水凝胶的含水质量百分比为60～99％。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

采用化学气相沉积方法制备定向碳纳米管阵列，由碳源的供应量控制碳纳米管的生长，达到碳纳米管长度可控的目的。采用高分子溶胶渗入法将高分子溶胶渗入碳纳米管预制体中，克服了碳纳米管与聚合物复合过程出现的团聚缠结问题，促进碳纳米管与基体水凝胶的结合，提高了增强相与基体相的界面强度。在基体中定向排列的碳纳米管能充分发挥碳纳米管在力学、电学方面的优异性能，提高水凝胶的综合力学性能和导电性。采用冷冻解冻法和辐射交联法制备复合水凝胶，增强了高分子聚合物间的交联作用，同时该方法不含任何化学添加剂，无毒无害，满足生物相容性的要求。此外，通过控制定向碳纳米管的加入量，可以改变碳纳米管在基体中的含量和分布；控制辐射交联时的辐射剂量以及冷冻解冻过程的温度、时间、循环次数等参数，能够改变高分子聚合物的凝聚态结构和结晶程度，从而达到制备出的复合水凝胶性能可控的目的。

本发明适合应用于人工关节软骨、组织工程支架、神经细胞载体、仿生植入电极材料等生物医用领域。

具体实施方式

实例1

步骤一：称取二茂铁粉末5g，溶于50mL二甲苯中。混合均匀后形成棕黄色透明溶液，静置36小时。将石英玻璃片搭载于石英舟上，缓缓推入化学气相沉积装置反应室中部，用密封胶封闭石英管的两端。通入氩气，流量为100mL/min，加热反应室至900℃。调整氩气流量为2000mL/min，并通入400mL/min的氢气。移动石英管，调整毛细管开口相对于炉膛的位置，使热电偶的示数保持在250～300℃，保证反应溶液能够呈雾状喷入。开启精密流量泵，使二茂铁/二甲苯反应物溶液通过毛细管呈雾状喷入反应室内，溶液进给速度为0.4mL/min。反应完毕，停止通入氢气，调小氩气的流量至100mL/min，使反应室在氩气气氛中冷却至室温，取出样品，得到定向多壁碳纳米管阵列。

步骤二：将聚乙烯醇(PVA)固体颗粒与二次蒸馏水混合，制成PVA质量分数为20％的PVA水溶液，放入压力蒸汽容器中加热溶解，容器内压力维持在0.1MPa，温度为120℃，加热时间1.5小时。然后将溶解均匀的PVA高分子溶胶取出，静置冷却。

步骤三：称取一定量的定向多壁碳纳米管阵列均匀分散在平面模具内，将PVA高分子溶胶由模具边沿缓慢注入模具中，使之均匀包覆定向碳纳米管阵列，碳纳米管与高分子溶胶的质量百分比为0.5/99.5。

步骤四：将模具放入-26℃的环境中冷冻10小时，然后在室温下解冻4小时，如此循环冷冻解冻5次，得到定向多壁碳纳米管阵列增强聚乙烯醇复合水凝胶。

测试结果显示，加入碳纳米管后，复合水凝胶的拉伸强度为5.4MPa，撕裂强度为9.8kN/m，与聚乙烯醇水凝胶(未添加碳纳米管)的1.2MPa和4.0kN/m相比，分别提高了350％和145％。在电学性能方面，加入碳纳米管后，复合水凝胶的高频(＞1000Hz)电阻抗的数量级由聚乙烯醇水凝胶的10⁴降到10³，导电能力升高。

实例2

步骤一：称取二茂铁粉末6g，溶于50mL二甲苯中。混合均匀后形成棕黄色透明溶液，静置30小时。将石英玻璃片搭载于石英舟上，缓缓推入化学气相沉积装置反应室中部，用密封胶封闭石英管的两端。通入氩气，流量为100mL/min，加热反应室至900℃。调整氩气流量为1000mL/min，并通入150mL/min的氢气。移动石英管，调整毛细管开口相对于炉膛的位置，使热电偶的示数保持在200℃，保证反应溶液能够呈雾状喷入。开启精密流量泵，使二茂铁/二甲苯反应物溶液通过毛细管呈雾状喷入反应室内，溶液进给速度为0.4mL/min。反应完毕，停止通入氢气，调小氩气的流量至100mL/min，使反应室在氩气气氛中冷却至室温，取出样品。得到定向多壁碳纳米管阵列。

步骤二：将分析纯的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)颗粒加入二次蒸馏水中，配制成PVP质量百分数为8％的水溶液，在60℃恒温水浴中搅拌均匀至PVP溶解，得到PVP高分子溶胶。

步骤三：称取一定量的定向多壁碳纳米管阵列均匀分散在平底玻璃培养皿中，将PVP高分子溶胶由培养皿边沿缓慢注入，使之均匀包覆定向碳纳米管阵列，碳纳米管与高分子溶胶的质量百分比为5/95。

步骤四：将培养皿密封后置于辐射场中进行辐射处理，剂量20kGy，得到定向多壁碳纳米管阵列增强聚乙烯吡咯烷酮复合水凝胶。

测试结果显示，加入定向排列的碳纳米管后，复合水凝胶的摩擦系数由基体水凝胶(未添加碳纳米管)的0.25降到0.09，水凝胶的润滑性能提高。而复合水凝胶的弹性模量由1.0MPa上升到3.0MPa，拉伸强度由0.7MPa上升为4.2MPa，综合力学性能提高。

实例3

步骤一：将均匀撒有Co/硅胶催化剂的石英玻璃片搭载于石英舟上，缓缓推入化学气相沉积装置反应室中部，用密封胶封闭石英管的两端。通入氩气，流量为100mL/min，加热反应室至700℃。调整氩气流量为1000mL/min，并通入150mL/min的氢气和乙炔混合气体。反应完毕，停止通入氢气和乙炔混合气体，调小氩气的流量至100mL/min，使反应室在氩气气氛中冷却至室温，取出样品。得到定向多壁碳纳米管阵列。

步骤二：将分析纯的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)粉末加入二次蒸馏水中，配制成PVP质量百分数为5％的水溶液，在60℃恒温水浴中搅拌均匀至PVP溶解，往PVP溶液中加入聚乙烯醇(PVA)固体颗粒，使PVA的质量百分含量为10％，搅拌均匀后将混合液放入压力蒸汽容器中加热溶解，容器内压力维持在0.1MPa，温度120℃，加热时间1.5小时。随后将高分子溶胶取出，静置冷却。

步骤三：称取一定量的定向多壁碳纳米管阵列均匀分散在平面模具内，将PVA-PVP高分子溶胶由模具边沿缓慢注入模具中，使之均匀包覆定向碳纳米管阵列，碳纳米管与高分子溶胶的质量百分比为1.5/98.5。

步骤四：将模具放入-26℃的环境中冷冻12小时，然后在室温下解冻3小时，如此循环冷冻解冻6次，得到定向多壁碳纳米管阵列增强聚乙烯醇/聚乙烯吡咯烷酮复合水凝胶。

测试结果显示，碳纳米管复合水凝胶的拉伸强度由基体水凝胶(未添加碳纳米管)的1.0MPa上升到6.0MPa，高频(＞1000Hz)电阻抗的数量级由基体水凝胶的10⁴降为10³，导电能力增强。

实例4

步骤一：称取二茂铁粉末7g，溶于50mL二甲苯中。混合均匀后形成棕黄色透明溶液，静置28小时。将石英玻璃片搭载于石英舟上，缓缓推入化学气相沉积装置反应室中部，用密封胶封闭石英管的两端。通入氩气，流量为100mL/min，加热反应室至900℃。调整氩气流量为1000mL/min，并通入150mL/min的氢气。移动石英管，调整毛细管开口相对于炉膛的位置，使热电偶的示数保持在200℃，保证反应溶液能够呈雾状喷入。开启精密流量泵，使二茂铁/二甲苯反应物溶液通过毛细管呈雾状喷入反应室内，溶液进给速度为0.4mL/min。反应完毕，停止通入氢气，调小氩气的流量至100mL/min，使反应室在氩气气氛中冷却至室温，取出样品。得到定向多壁碳纳米管阵列。

步骤二：将分析纯的壳聚糖粉末加入2％醋酸溶液中，配制成壳聚糖质量百分数为8％的酸性溶液，在50℃恒温水浴中搅拌均匀至壳聚糖溶解，得到壳聚糖酸性溶液。

步骤三：称取一定量的定向多壁碳纳米管阵列均匀分散在平底玻璃培养皿中，将壳聚糖溶液由培养皿边沿缓慢注入，使之均匀包覆定向碳纳米管阵列，碳纳米管与壳聚糖溶液的质量百分比为2/98。

步骤四：将培养皿密封后置于辐射场中进行辐射处理，剂量30kGy，使壳聚糖分子交联形成凝胶。

步骤五：将制得的复合水凝胶在室温下用蒸馏水浸泡3天，并定期换水，使弱酸性浸泡液变成中性，得到定向多壁碳纳米管阵列增强壳聚糖复合水凝胶。

实例5

步骤一：称取二茂铁粉末4g，溶于50mL二甲苯中。混合均匀后形成棕黄色透明溶液，静置25小时。将石英玻璃片搭载于石英舟上，缓缓推入化学气相沉积装置反应室中部，用密封胶封闭石英管的两端。通入氩气，流量为100mL/min，加热反应室至900℃。调整氩气流量为2000mL/min，并通入400mL/min的氢气。移动石英管，调整毛细管开口相对于炉膛的位置，使热电偶的示数保持在250～300℃，保证反应溶液能够呈雾状喷入。开启精密流量泵，使二茂铁/二甲苯反应物溶液通过毛细管呈雾状喷入反应室内，溶液进给速度为0.4mL/min。反应完毕，停止通入氢气，调小氩气的流量至100mL/min，使反应室在氩气气氛中冷却至室温，取出样品，得到定向多壁碳纳米管阵列。

步骤二：将质量比为6∶4的聚氧化乙烯(PEO)和聚乙烯醇(PVA)溶于二次蒸馏水中，配制高分子混合物质量分数15％的溶液。加热搅拌均匀，得到PEO-PVA混合溶液。

步骤三：称取一定量的定向多壁碳纳米管阵列均匀分散在平底玻璃培养皿中，将PEO-PVA混合溶液由培养皿边沿缓慢注入，使之均匀包覆定向碳纳米管阵列，碳纳米管与混合溶液的质量百分比为7/93。

步骤四：将培养皿放入-20℃的环境中冷冻12小时，然后在室温下解冻5小时，如此循环冷冻解冻4次。再将密封后的培养皿置于辐射场中进行电子束辐射处理，剂量40kGy，得到定向多壁碳纳米管阵列增强聚氧化乙烯/聚乙烯醇复合水凝胶。