本發(fā)明涉及一種四臂PEG-PCL、氧化石墨烯復合材料及其制備方法。

背景技術：

形狀記憶材料是一種特殊的新型智能材料，在許多領域如航天、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)在投入的應用較為成熟，而高分子形狀記憶材料是近年來較為熱門的新材料，由于聚合物的可塑性強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(聚己內酯)具有良好的生物相容性，已經被廣泛的應用于醫(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，高分子材料的弱點在于其強度差，在應用于某些特定需求的材料時不能達到要求。比如應用于骨組織工程，要求其達到較高的彈性模量，一般可以通過添加一般的增強型敷料來達到要求，但是也降低了材料的形狀記憶性能。

石墨烯是04年英國曼徹斯特大學兩位科學家發(fā)現(xiàn)的一種新型二維材料，純的無缺陷石墨烯是目前發(fā)現(xiàn)的厚度最小，強度最大，導電導熱性能最強的材料,其在材料應用上的前景不可估量。同時已有確切的研究表明，人類間充質干細胞在石墨烯上的成骨分化能夠加快，這也為石墨烯應用于骨組織工程類材料提供了優(yōu)勢。氧化石墨烯(GO)是石墨烯的氧化物，經氧化后，其上含氧官能團增多而使性質較石墨烯更加活潑，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壓制或擠出成形。

這些方法通過簡單的物理方法將石墨烯與PEG-PCL共聚物進行復合，不僅石墨烯的使用量較大，而且由于石墨烯的分散性也會受到一些影響，從而影響其機械性能。

技術實現(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、氧化石墨烯復合材料時加入的氧化石墨烯的量大大減少，同時其機械強度以及生物相容性得到了大大的提高。

本發(fā)明解決上述技術問題的技術方案如下：一種四臂PEG-PCL、氧化石墨烯復合材料的制備方法，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，在光強度為390-410uw/cm²，反應25-35min后取出，待材料完全冷固后將復合材料剝離下來，即得四臂PEG-PCL、氧化石墨烯復合材料。

進一步的，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、氧化石墨烯復合材料的制備方法制備所得的四臂PEG-PCL、氧化石墨烯復合材料。

本發(fā)明中所用的聚合物為未交聯(lián)的四臂PEG-PCL-AC,其具有四臂星形結構，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)劑進行反應交聯(lián))，具體化學式如下。

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，同時聚合物交聯(lián)過程中氧化石墨烯也能夠與材料中的基團發(fā)生結合。本發(fā)明中的制備方法在制備四臂PEG-PCL、氧化石墨烯復合材料時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)時加入氧化石墨烯有利于石墨烯的分散，同時利用光引發(fā)劑引發(fā)PEG-PCL-AC的乙烯基交聯(lián)，且材料在交聯(lián)過程不會發(fā)生變形，通過紅外檢測發(fā)現(xiàn)石墨烯與乙烯基團有化學結合作用。

附圖說明

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小時后黏附狀態(tài)的電鏡觀察圖；

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

圖4為不同GO含量的4APEG-PCL的拉伸實驗的應力應變曲線；

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的拉伸斷裂長度值的柱狀圖。

具體實施方式

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

實施例1

一種四臂PEG-PCL、氧化石墨烯復合材料，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?；交趸⒒旌暇鶆?，然后倒入底面光滑的四氟乙烯皿中，避光放置于通風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，在光強度為400uw/cm²，反應30min后取出，待材料完全冷固后將復合材料剝離下來，即得四臂PEG-PCL、氧化石墨烯復合材料。

實施例2

一種四臂PEG-PCL、氧化石墨烯復合材料，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?，然后倒入底面光滑的四氟乙烯皿中，避光放置于通風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，在光強度為390uw/cm²，反應25min后取出，待材料完全冷固后將復合材料剝離下來，即得四臂PEG-PCL、氧化石墨烯復合材料。

實施例3

一種四臂PEG-PCL、氧化石墨烯復合材料，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?，然后倒入底面光滑的四氟乙烯皿中，避光放置于通風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，在光強度為410uw/cm²，反應35min后取出，待材料完全冷固后將復合材料剝離下來，即得四臂PEG-PCL、氧化石墨烯復合材料。

二、實驗例

對實施例1所得復合材料進行以下檢測。

1.萬能應力拉伸測試

1.1測試方法：將復合材料剪成長條狀，并測定其相應的長、寬、厚度，在萬能應力測試儀(INSTRONmodel5565)上輸入相應參數(shù)后進行拉伸實驗。

1.2測試結果：圖4～6為不同氧化石墨烯含量的4A-PEG-PCL復合材料的應力-應變曲線、彈性模量統(tǒng)計以及斷裂伸長率的統(tǒng)計數(shù)值；可以看出，隨著石墨烯含量增加，復合材料的彈性模量增強，而當其含量再繼續(xù)增加時，其彈性模量不再增加，反而有下降的趨勢。

2.細胞相容性測試

2.1測試方法：使用小鼠前成骨細胞MC3T3-E1作為實驗細胞，用0.25％胰蛋白酶消化后制成細胞懸液，血清中和胰蛋白酶后，將細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)基吹打重懸細胞，用細胞計數(shù)板計數(shù)后，加培養(yǎng)基稀釋成濃度為5×104個/mL的細胞懸液。將4A-PEG-PCL和4A-PEG-PCL/GO復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，然后將細胞以每孔200μL的量接種；按照CCK-8說明書操作步驟，在時間點(24h，48h，72h)，先棄去細胞培養(yǎng)液，然后加入含有10％的CCK-8試劑的無血清培養(yǎng)基200uL，37℃條件下孵育2小時，吸取上清液移至一個新的96孔板，利用ThermalVariOskanFlas3001全波長掃描式多功能讀數(shù)儀測定每個孔中的上清液在450nm波長的光下的吸光度。

2.2測試結果：由圖3可知，細胞在復合了GO的四臂PCL-PEG材料的表面生長活性要優(yōu)于單純的四臂PCL-PEG材料，并且在時間點(24h，48h，72h)都具有統(tǒng)計學意義，說明復合了GO后，材料具有更好的生物相容性能。

3.細胞黏附實驗測試

3.1測試方法：和細胞形態(tài)通過電鏡進行觀察，黏附在材料上的細胞在電鏡觀察前需作一下處理：將細胞接種在交聯(lián)四臂PEG-PCL，四臂PEG-PCL/GO的膜材料，棄去細胞培養(yǎng)液，用PBS洗滌后加入2.5％的戊二醛，在4℃條件下固定過夜，接著棄去固定液，用不同濃度的酒精進行序列脫水(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處晾干，得到的干燥的細胞+材料標本在掃描電子顯微鏡下進行觀察。

3.2測試結果：由圖1和圖2可直觀看到，接種細胞24小時后，在復合材料上黏附的細胞，相比于單純的四臂PCL-PEG材料，其形態(tài)更為鋪展，同時數(shù)量也更多，說明復合材料有很好的細胞黏附性能。

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