本發(fā)明涉及一種四臂PEG-PCL、氧化石墨烯復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

形狀記憶材料是一種特殊的新型智能材料，在許多領(lǐng)域如航天、工業(yè)、醫(yī)療等都具有特殊的地位。合金類的形狀記憶材料的研究較早，現(xiàn)在投入的應(yīng)用較為成熟，而高分子形狀記憶材料是近年來(lái)較為熱門的新材料，由于聚合物的可塑性強(qiáng)以及具有生物降解性能，其在醫(yī)用材料上的前景也不可估量。PCL(聚己內(nèi)酯)具有良好的生物相容性，已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于醫(yī)用材料和藥物控制釋放體系中。PEG-PCL共聚物在具有良好生物相容性的同時(shí)又具有了形狀記憶的性能，但與傳統(tǒng)的金屬形狀記憶材料相比，高分子材料的弱點(diǎn)在于其強(qiáng)度差，在應(yīng)用于某些特定需求的材料時(shí)不能達(dá)到要求。比如應(yīng)用于骨組織工程，要求其達(dá)到較高的彈性模量，一般可以通過(guò)添加一般的增強(qiáng)型敷料來(lái)達(dá)到要求，但是也降低了材料的形狀記憶性能。

石墨烯是04年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)兩位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的一種新型二維材料，純的無(wú)缺陷石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的厚度最小，強(qiáng)度最大，導(dǎo)電導(dǎo)熱性能最強(qiáng)的材料,其在材料應(yīng)用上的前景不可估量。同時(shí)已有確切的研究表明，人類間充質(zhì)干細(xì)胞在石墨烯上的成骨分化能夠加快，這也為石墨烯應(yīng)用于骨組織工程類材料提供了優(yōu)勢(shì)。氧化石墨烯(GO)是石墨烯的氧化物，經(jīng)氧化后，其上含氧官能團(tuán)增多而使性質(zhì)較石墨烯更加活潑，其親水性也更好。

目前許多研究者將石墨烯與形狀記憶聚合物復(fù)合的主要方法有：

一是熔融法，即將形狀記憶材料直接高溫熔融后加入石墨烯粉末，最終冷卻后形成復(fù)合材料。

二是溶液共混法，即將形狀記憶材料和石墨烯分別溶于溶劑之后，再將兩種溶液進(jìn)行混合。

三是干粉混合，即將兩種材料的粉末混合在一起后通過(guò)壓制或擠出成形。

這些方法通過(guò)簡(jiǎn)單的物理方法將石墨烯與PEG-PCL共聚物進(jìn)行復(fù)合，不僅石墨烯的使用量較大，而且由于石墨烯的分散性也會(huì)受到一些影響，從而影響其機(jī)械性能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種四臂PEG-PCL、氧化石墨烯復(fù)合材料及其制備方法，該制備方法使用共混后交聯(lián)的方法，在制備四臂PEG-PCL、氧化石墨烯復(fù)合材料時(shí)加入的氧化石墨烯的量大大減少，同時(shí)其機(jī)械強(qiáng)度以及生物相容性得到了大大的提高。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下：一種四臂PEG-PCL、氧化石墨烯復(fù)合材料的制備方法，包括下述步驟：

(1)制備氧化石墨烯溶液；

(2)制備四臂PEG-PCL-AC溶液；

(3)將步驟(1)制備的氧化石墨烯溶液和步驟(2)制備的四臂PEG-PCL-AC溶液混合，使混合液中氧化石墨烯的濃度為0.15wt％-0.4wt％，再加入混合液體積8-12％的光引發(fā)劑混合均勻，得到固體；

(4)在60℃熔融步驟(3)中得到的固體，待攪拌均勻后，攤成均勻的膜狀并置于紫外交聯(lián)儀中，在光強(qiáng)度為390-410uw/cm²，反應(yīng)25-35min后取出，待材料完全冷固后將復(fù)合材料剝離下來(lái)，即得四臂PEG-PCL、氧化石墨烯復(fù)合材料。

進(jìn)一步的，所述步驟(1)中制備氧化石墨烯溶液的具體方法為：將氧化石墨烯溶于溶劑中，使氧化石墨烯的濃度為0.3-0.8mg/ml，并超聲攪拌1.5-2.5h。

更進(jìn)一步的，所述溶劑為二甲基甲酰胺或乙醇，氧化石墨烯的濃度為0.5mg/ml，超聲攪拌2.0h。

進(jìn)一步的，所述步驟(2)中制備四臂PEG-PCL-AC溶液的具體方法為：將四臂PEG-PCL-AC溶于溶劑中，使四臂PEG-PCL-AC的濃度為0.08-0.12g/ml。

更進(jìn)一步的，所述溶劑為二氯甲烷偶乙醇，四臂PEG-PCL-AC的濃度為0.1g/ml。

進(jìn)一步的，所述步驟(3)最終得到的固體中氧化石墨烯的濃度為0.25wt％。

進(jìn)一步的，所述步驟(3)中的光引發(fā)劑為2,4,6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦。

上述的四臂PEG-PCL、氧化石墨烯復(fù)合材料的制備方法制備所得的四臂PEG-PCL、氧化石墨烯復(fù)合材料。

本發(fā)明中所用的聚合物為未交聯(lián)的四臂PEG-PCL-AC,其具有四臂星形結(jié)構(gòu)，每條臂為PEG-PCL嵌段共聚，每條臂的PEG分子量為1000，PCL分子量為1500，臂末端為乙烯基(-AC,能與光引發(fā)劑進(jìn)行反應(yīng)交聯(lián))，具體化學(xué)式如下。

本發(fā)明中所用的氧化石墨烯采用改良hummer’s方法制備，純化后凍干得到氧化石墨烯固體粉末。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明在四臂PEG-PCL-AC交聯(lián)前通過(guò)溶劑共混法加入氧化石墨烯，這樣能夠使氧化石墨烯更加均勻地分散于四臂PEG-PCL-AC中，同時(shí)聚合物交聯(lián)過(guò)程中氧化石墨烯也能夠與材料中的基團(tuán)發(fā)生結(jié)合。本發(fā)明中的制備方法在制備四臂PEG-PCL、氧化石墨烯復(fù)合材料時(shí)加入的氧化石墨烯的量大大減少，并使其在聚合物中分散均勻，使其彈性模量得到了顯著提高，生物相容性也得到了大大的提高。

本發(fā)明在聚合物未交聯(lián)時(shí)加入氧化石墨烯有利于石墨烯的分散，同時(shí)利用光引發(fā)劑引發(fā)PEG-PCL-AC的乙烯基交聯(lián)，且材料在交聯(lián)過(guò)程不會(huì)發(fā)生變形，通過(guò)紅外檢測(cè)發(fā)現(xiàn)石墨烯與乙烯基團(tuán)有化學(xué)結(jié)合作用。

附圖說(shuō)明

圖1(A)為材料四臂PEG-PCL表面形貌的電鏡圖片；(B)為MC3T3-E1在材料四臂PEG-PCL上培養(yǎng)24小時(shí)后黏附狀態(tài)的電鏡觀察圖；

圖2(A)為材料四臂PEG-PCL/GO表面形貌的電鏡圖片；(B)為MC3T3-E1在材料四臂PEG-PCL/GO上培養(yǎng)24小時(shí)后黏附狀態(tài)的電鏡觀察圖；

圖3為通過(guò)CCK-8試劑盒測(cè)定MC3T3-E1在兩種材料上培養(yǎng)24小時(shí)，48小時(shí)，72小時(shí)后的細(xì)胞活性；

圖4為不同GO含量的4APEG-PCL的拉伸實(shí)驗(yàn)的應(yīng)力應(yīng)變曲線；

圖5為不同GO含量的4APEG-PCL的彈性模量值的柱狀圖；

圖6為不同GO含量的4APEG-PCL的拉伸斷裂長(zhǎng)度值的柱狀圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。

實(shí)施例1

一種四臂PEG-PCL、氧化石墨烯復(fù)合材料，其制備方法包括下述步驟：

(1)制備氧化石墨烯溶液；

將10mg氧化石墨烯溶于20ml二甲基甲酰胺中，并超聲攪拌2h，得到氧化石墨烯溶液。

(2)制備四臂PEG-PCL-AC溶液；

將0.5g四臂PEG-PCL-AC溶于5ml二氯甲烷中，得到四臂PEG-PCL-AC溶液。

(3)將1.5ml步驟(1)制備的氧化石墨烯溶液加入到步驟(2)制備的四臂PEG-PCL-AC溶液中混合均勻，混合液中氧化石墨烯的濃度為0.25wt％，再加入10％0.05g的2,4,6-三甲基苯甲酰基二苯基氧化膦混合均勻，然后倒入底面光滑的四氟乙烯皿中，避光放置于通風(fēng)櫥中使溶劑完全揮發(fā)，得到固體；

(4)在60℃熔融步驟(3)中得到的固體，用玻璃棒攪拌均勻后，攤成均勻的膜狀并置于紫外交聯(lián)儀中，在光強(qiáng)度為400uw/cm²，反應(yīng)30min后取出，待材料完全冷固后將復(fù)合材料剝離下來(lái)，即得四臂PEG-PCL、氧化石墨烯復(fù)合材料。

實(shí)施例2

一種四臂PEG-PCL、氧化石墨烯復(fù)合材料，其制備方法包括下述步驟：

(1)制備氧化石墨烯溶液；

將6mg氧化石墨烯溶于20ml二甲基甲酰胺中，并超聲攪拌2h，得到氧化石墨烯溶液。

(2)制備四臂PEG-PCL-AC溶液；

將0.4g四臂PEG-PCL-AC溶于5ml二氯甲烷中，得到四臂PEG-PCL-AC溶液。

(3)將1.0ml步驟(1)制備的氧化石墨烯溶液加入到步驟(2)制備的四臂PEG-PCL-AC溶液中混合均勻，混合液中氧化石墨烯的濃度為0.15wt％，再加入8％0.04g的2,4,6-三甲基苯甲?；交趸⒒旌暇鶆颍缓蟮谷氲酌婀饣乃姆蚁┟笾校芄夥胖糜谕L(fēng)櫥中使溶劑完全揮發(fā)，得到固體；

(4)在60℃熔融步驟(3)中得到的固體，用玻璃棒攪拌均勻后，攤成均勻的膜狀并置于紫外交聯(lián)儀中，在光強(qiáng)度為390uw/cm²，反應(yīng)25min后取出，待材料完全冷固后將復(fù)合材料剝離下來(lái)，即得四臂PEG-PCL、氧化石墨烯復(fù)合材料。

實(shí)施例3

一種四臂PEG-PCL、氧化石墨烯復(fù)合材料，其制備方法包括下述步驟：

(1)制備氧化石墨烯溶液；

將16mg氧化石墨烯溶于20ml二甲基甲酰胺中，并超聲攪拌2h，得到氧化石墨烯溶液。

(2)制備四臂PEG-PCL-AC溶液；

將0.6g四臂PEG-PCL-AC溶于5ml二氯甲烷中，得到四臂PEG-PCL-AC溶液。

(3)將2.0ml步驟(1)制備的氧化石墨烯溶液加入到步驟(2)制備的四臂PEG-PCL-AC溶液中混合均勻，混合液中氧化石墨烯的濃度為0.4wt％，再加入12％0.072g的2,4,6-三甲基苯甲?；交趸⒒旌暇鶆颍缓蟮谷氲酌婀饣乃姆蚁┟笾?，避光放置于通風(fēng)櫥中使溶劑完全揮發(fā)，得到固體；

(4)在60℃熔融步驟(3)中得到的固體，用玻璃棒攪拌均勻后，攤成均勻的膜狀并置于紫外交聯(lián)儀中，在光強(qiáng)度為410uw/cm²，反應(yīng)35min后取出，待材料完全冷固后將復(fù)合材料剝離下來(lái)，即得四臂PEG-PCL、氧化石墨烯復(fù)合材料。

二、實(shí)驗(yàn)例

對(duì)實(shí)施例1所得復(fù)合材料進(jìn)行以下檢測(cè)。

1.萬(wàn)能應(yīng)力拉伸測(cè)試

1.1測(cè)試方法：將復(fù)合材料剪成長(zhǎng)條狀，并測(cè)定其相應(yīng)的長(zhǎng)、寬、厚度，在萬(wàn)能應(yīng)力測(cè)試儀(INSTRONmodel5565)上輸入相應(yīng)參數(shù)后進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)。

1.2測(cè)試結(jié)果：圖4～6為不同氧化石墨烯含量的4A-PEG-PCL復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線、彈性模量統(tǒng)計(jì)以及斷裂伸長(zhǎng)率的統(tǒng)計(jì)數(shù)值；可以看出，隨著石墨烯含量增加，復(fù)合材料的彈性模量增強(qiáng)，而當(dāng)其含量再繼續(xù)增加時(shí)，其彈性模量不再增加，反而有下降的趨勢(shì)。

2.細(xì)胞相容性測(cè)試

2.1測(cè)試方法：使用小鼠前成骨細(xì)胞MC3T3-E1作為實(shí)驗(yàn)細(xì)胞，用0.25％胰蛋白酶消化后制成細(xì)胞懸液，血清中和胰蛋白酶后，將細(xì)胞懸液移至離心管中1000r/s離心5min，棄去上清液，重新加入培養(yǎng)基吹打重懸細(xì)胞，用細(xì)胞計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)后，加培養(yǎng)基稀釋成濃度為5×104個(gè)/mL的細(xì)胞懸液。將4A-PEG-PCL和4A-PEG-PCL/GO復(fù)合材料剪裁成直徑為6.5mm的圓片，剛好與96孔板的底部貼合，然后將細(xì)胞以每孔200μL的量接種；按照CCK-8說(shuō)明書操作步驟，在時(shí)間點(diǎn)(24h，48h，72h)，先棄去細(xì)胞培養(yǎng)液，然后加入含有10％的CCK-8試劑的無(wú)血清培養(yǎng)基200uL，37℃條件下孵育2小時(shí)，吸取上清液移至一個(gè)新的96孔板，利用ThermalVariOskanFlas3001全波長(zhǎng)掃描式多功能讀數(shù)儀測(cè)定每個(gè)孔中的上清液在450nm波長(zhǎng)的光下的吸光度。

2.2測(cè)試結(jié)果：由圖3可知，細(xì)胞在復(fù)合了GO的四臂PCL-PEG材料的表面生長(zhǎng)活性要優(yōu)于單純的四臂PCL-PEG材料，并且在時(shí)間點(diǎn)(24h，48h，72h)都具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，說(shuō)明復(fù)合了GO后，材料具有更好的生物相容性能。

3.細(xì)胞黏附實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1測(cè)試方法：和細(xì)胞形態(tài)通過(guò)電鏡進(jìn)行觀察，黏附在材料上的細(xì)胞在電鏡觀察前需作一下處理：將細(xì)胞接種在交聯(lián)四臂PEG-PCL，四臂PEG-PCL/GO的膜材料，棄去細(xì)胞培養(yǎng)液，用PBS洗滌后加入2.5％的戊二醛，在4℃條件下固定過(guò)夜，接著棄去固定液，用不同濃度的酒精進(jìn)行序列脫水(50％，60％，70％，80％，90％)，其中每一梯度濃度的酒精脫水10分鐘。最后將脫水完成后的材料放置于通風(fēng)處晾干，得到的干燥的細(xì)胞+材料標(biāo)本在掃描電子顯微鏡下進(jìn)行觀察。

3.2測(cè)試結(jié)果：由圖1和圖2可直觀看到，接種細(xì)胞24小時(shí)后，在復(fù)合材料上黏附的細(xì)胞，相比于單純的四臂PCL-PEG材料，其形態(tài)更為鋪展，同時(shí)數(shù)量也更多，說(shuō)明復(fù)合材料有很好的細(xì)胞黏附性能。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。