| 石墨烯基生物复合材料的制备及应用研究 | |
| 范增杰 | |
| Subtype | 工学博士 |
| Thesis Advisor | 王金清 |
| 2014-05-28 | |
| Degree Grantor | 中国科学院大学 |
| Department | 固体润滑国家重点实验室 |
| Degree Discipline | 材料学 |
| Keyword | 石墨烯 氧化石墨烯 再生医学 生物传感器 羟基磷灰石 Graphene Graphene Oxide Regenerative Medicine Biosensor Hydroxyapatite |
| Abstract | 石墨烯是仅由一个原子层厚的碳原子构成的二维纳米碳材料，具有独特的光学、电学、力学和热学等性质，在生物医药、生物传感器、透明导电薄膜、电子器件、能源存储和催化等领域展现出巨大的应用前景。本文从石墨烯及石墨烯基生物复合材料的制备及其在生物医学上的应用展开具体的研究。主要包括两个方面的工作：（一）石墨烯基生物复合材料在再生医学上的应用研究。（二）石墨烯基生物复合材料在生物传感器方面的应用研究。具体研究内容和结果如下: （一）石墨烯基生物复合材料在再生医学上的应用研究 （1）尽管石墨烯具有优异的力学性能，但是许多研究发现其骨整合能力较差。利用生物活性物质蛋白、短肽等材料修饰惰性材料表面可提高惰性材料的骨整合能力。因此，我们利用酰胺化反应将酪蛋白磷酸肽接枝到羧基化石墨烯的表面，制备酪蛋白磷酸肽石墨烯的生物复合物，以此来改善石墨烯的骨整合能力。将该复合物浸泡在 37 ℃ 的模拟体液中不同时间后发现，酪蛋白磷酸肽能够促进矿物离子与羧基化石墨烯的结合，有效促进羟基磷灰石的形成。该复合物能显著缩短矿化时间，加快石墨烯的矿化速度，表明该复合物在生物医学方面具有潜在的应用前景。 （2）羟基磷灰石的力学性能较差，限制了其在骨移植材料方面的应用，常用碳纳米管作为增强材料来提高羟基磷灰石的力学性能。最近新出现的石墨烯是目前已知材料中力学性能最佳的材料，将其作为碳管替代材料来增强羟基磷灰石的研究成为热点。我们首次通过水热法一步合成了石墨烯/羟基磷灰石纳米棒复合新材料，研究发现该复合材料能显著提高羟基磷灰石的杨氏模量和力学性能。同时，与氧化石墨烯和羟基磷灰石相比，该复合材料中含有 40%羟基磷灰石时，表现出更高的骨整合能力、更好的生物相容性及优异的骨细胞繁殖诱导能力。上面研究采用十六烷基三甲基溴化铵作为模板剂，将该模板剂从反应体系中彻底出去比较困难，在一定程度上对细胞产生毒性影响；另外，反应采用的水热温度较高(180 ℃)，会造成能源的浪费。为了克服上述不足，我们又尝试采用尿素作为还原剂和共沉淀剂进行石墨烯/羟基磷灰石纳米棒复合物的制备，该反应需要的温度较低(90 ℃)，而尿素分解为氨水和二氧化碳，利于从反应体系中快速去除，因此同第一种方法相比，该方法更加节能且绿色环保。 （3）传统聚合物水凝胶能够促进伤口愈合，但是也存在力学性能和溶胀率差的缺点，限制了其在伤口愈合方面的应用。石墨烯水凝胶具有很好的力学性能、高的溶胀率及优异的生物相容性，但是抗菌性能差，不能有效促进伤口愈合。因此，我们首先合成了不同质量比的银/石墨烯复合物，然后与聚丙烯酸和聚甲叉双丙烯酰胺交联制成石墨烯复合水凝胶。当水凝胶中银与石墨烯的质量比为 5:1时，该水凝胶表现出力学性能、以及优异的抗菌、溶胀和生物相容性。此外，与其它对照组相比，该水凝胶能够加速大鼠人造伤口的愈合，组织学检查证明，15天后在伤口组织周围出现了完整和加厚的内皮。 （二）石墨烯基生物复合材料在生物传感器方面的应用研究 （1） 如何固定并保持生物酶的生物活性是成功制备电化学生物传感器的关键。在生物体中，生物酶被包裹在一个密闭的空间，使酶免受外部环境的干扰，能够很好的保持酶的活性。受此启发，为了充分利用石墨烯的选择透过性和良好的导电性，我们尝试将辣根过氧化物酶包裹到石墨烯囊泡内，然后通过层层自组装技术将石墨烯囊泡组装到氧化铟锡电极(ITO)表面上构建生物传感器。电化学测试表明，该生物传感器表现出宽的线性范围(0.2-200 µM)、低的检测限(0.07 µM，S/N=3)和良好的抗干扰能力。更为重要的是，与一些报道的传感器相比，基于该方法制备的生物传感器具有更长的使用寿命。 （2）玻碳电极(GCE)和ITO电极在生物传感器上得到了广泛应用，但由于GCE较高的成本及复杂的制作技术，使得GCE需要被重复利用。而对于ITO电极，由于铟资源的稀缺而导致该电极较高的成本；另外，该电极易碎，不便于长途运输和保存。上述缺陷限制了GCE和ITO电极的大规模应用。石墨烯透明电极具有较低的制备成本、更高的柔韧性、透光性和更低的阻抗。目前，石墨烯透明电极在发光二极管和液晶显示器上得到了应用，但在生物传感器上的应用还未见报道。基于此，我们利用多步组装的方法成功制备了石墨烯/铜纳米线透明电极，该电极对葡萄糖表现出宽的检测范围(0.005-6.0 mM)、高的灵敏度(1100 µA/(mM•cm2 ))、低的检测限(1.6 µM)和优异的抗干扰能力，该电极有望替代传统的 ITO电极，在生物医学分析方面得到广泛的应用。 |
| Subject Area | 材料科学与物理化学 |
| Funding Project | 聚合物摩擦学组 |
| Document Type | 学位论文 |
| Identifier | http://ir.licp.cn/handle/362003/6745 |
| Collection | 固体润滑国家重点实验室（LSL） |
| Recommended Citation GB/T 7714 | 范增杰. 石墨烯基生物复合材料的制备及应用研究[D]. 中国科学院大学,2014. |
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| 201420范增杰.pdf（7560KB） | 开放获取 | CC BY-NC-SA | View Application Full Text | |||
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