壳聚糖接枝聚丙烯酸_石墨烯复合水凝胶的制备及表征_赵瑨云.pdf

化学工程与装备 2022 年 第 12 期 6 Chemical Engineering&Equipment 2022 年 12 月 壳聚糖接枝聚丙烯酸壳聚糖接枝聚丙烯酸/石墨烯复合水凝胶石墨烯复合水凝胶 的制备及表征的制备及表征 赵瑨云，穆寄林，徐 婕（武夷学院生态与资源工程学院，福建 南平 354300）摘摘 要要：首先采用改进的 Hummers 法制备氧化石墨烯，将壳聚糖溶解在乙酸溶液中，后加入引发剂过硫酸钾和单体丙烯酸，引发丙烯酸发生接枝聚合，将丙烯酸接枝聚合到壳聚糖上得到壳聚糖接枝聚丙烯酸（CS-g-PAA）。将 CS-g-PAA 分散在蒸馏水中，加入石墨烯（GO）形成分散液，最后采用戊二醛交联得到CS-g-PAA/GO 复合水凝胶。水凝胶呈现纤维状，直径为 723125 nm。CS-g-PAA:GO 从 3:1 降低到 1:1，水凝胶的孔隙率和比表面积分别为从 94.33%和 55.31 m2/g 增加至 96.12%和 60.90 m2/g。体外凝血实验表明，CS-g-PAA 和 CS-g-PAA/GO 水凝胶均可促进血液凝结，相比较纯的 CS-g-PAA，复合水凝胶中引入 GO 后，水凝胶的血液凝固指数（BCI）从 65.12%降低到 40.19%。主要归因于 GO 促进血小板聚集和 CS-g-PAA/GO 具有更强的物理吸收能力的结合作用。CS-g-PAA/GO 复合水凝胶有望成为理想的止血材料。关键词：关键词：Hummers 法；壳聚糖；接枝；石墨烯；止血材料 基金项目：基金项目：福建省自然科学基金（2020J01414）；福建省教育厅项目（JAT210451），南平市项目（N2020Z012、N2020Z015、022-ZXHZ-002)）通讯作者：通讯作者：穆寄林 各种意外导致的大量出血是死亡的一个重要原因。在严重受伤时如果能在短时间内止血就可以大大降低死亡率，因此开发具有快速止血功能的医用材料对挽救生命具有重要的意义1-3。随着科技的发展和伤员需求的提高，功能型快速止血材料即不仅能快速止血，还能抗菌消炎、生物相容、完全生物降解、安全无毒、组织修复的止血材料的研发显得尤为重要，因而这种外用材料的研究得到了世界各国学术界和工业界的关注4-5。目前止血材料主要分为三类6-7，第一类是通过外来的凝血成分来提高伤口部位凝血成分浓度，加速产生凝血；二类通过物理或化学作用是伤口凝血成分浓缩、聚集，从而加速凝血。第三类是利用材料对组织粘结力直接封闭创面，从而实现止血。壳聚糖作为自然界含量仅次于纤维素的天然高分子，壳聚糖具有无毒、无害、可再生及良好的生物相容性、生物可降解性和溶解性等优点。壳聚糖应用十分广泛，主要包括食品、医疗、环境、化妆品、水处理等领域8-10。同时，由于壳聚糖分子中含有大量的-NH2，可有效地与血细胞发生相互作用，因此在作为止血材料方面应用前景广阔11-14。近年来新型止血材料发展缓慢，在近十年来，以传统的纱布为止血材料处理生活意外事故和外科手术的大出血的方法效果一般且没有发生本质改变。新型高效止血材料的开发和生产是一个急需解决的问题。以壳聚糖为原料的止血材料，大多改善和提升其止血性能的研究多注重于材料的复合以及对壳聚糖分子结构上的改性如官能化，很少有研究致力于改善壳聚糖的微观形貌以提升其止血性能。1 1 实验部分实验部分 1.1 材料 鳞片石墨，购自中国青岛晨阳石墨烯有限公司；磷酸、高锰酸钾、双氧水、丙烯酸、戊二醛，分析纯，国药化学试剂有限公司；壳聚糖，Sigma-aldrich 有限公司。Sprague-Dawley（SD）大鼠（清洁级）若干，体重 200300，购自上海斯莱克实验动物责任有限公司。所有动物在适宜的环境中饲喂（自然采光，温度为 221 相对湿度为50%60%），适应一周后开始实验。其余试剂为市售分析纯。1.2 壳聚糖接枝聚丙烯酸/石墨烯复合水凝胶的制备 将 0.9 g 鳞片石墨和 4.5 g 磷酸加入三口烧瓶中，将三口烧瓶置于冰水浴中，缓慢加入 20 mL 浓硫酸，磁力搅拌10 min，缓慢加入 3.6 g 高锰酸钾，反应 2h。温度升温至50 继续反应 1h，冷却至室温，向反应液中加入 100 mL冰水，搅拌，滴加 1 mL 双氧水（质量浓度为 30），抽滤、洗涤、真空干燥，得到石墨烯。将 1.5 g 壳聚糖溶解于 200 mL 质量分数为 1%乙酸水溶液中，磁力搅拌溶解，后加入 0.1 g 过硫酸钾和 15 g 丙烯酸，氮气保护下，60 反应 12 h，反应结束后加入无水乙醇，用氢氧化钠溶液调节 pH 值至 7，冷却、过滤、洗涤，真空干燥，得到壳聚糖接枝聚丙烯酸。将 0.6 g 壳聚糖接枝聚丙烯酸分散在 100 mL 蒸馏水中，加入 0.6g 石墨烯，磁力搅拌形成混合液，60 反应 5h。DOI:10.19566/35-1285/tq.2022.12.019 赵瑨云：壳聚糖接枝聚丙烯酸/石墨烯复合水凝胶的制备及表征 7 产物接着浸泡在 50 mL 质量浓度为 4%戊二醛水溶液中，70 反应 8h。浸泡结束后，用大量蒸馏水洗涤以除去残留的盐酸，真空干燥至恒重，得到壳聚糖接枝聚丙烯酸/石墨烯复合水凝胶。为了进一步研究壳聚糖接枝聚丙烯酸和石墨烯的比例对水凝胶形貌的影响，采用壳聚糖接枝聚丙烯酸与石墨烯的质量比为 3:1、2:1 和 1:1。1.3 表征 利用日本 JEOL 公司 JSM-7500F 型扫描电子显微镜观察水凝胶形貌，喷金处理，喷金电流 30 mA，时间 90 s。采用日本 Belsorp-Max 分析仪测定液氮温度下样品的 N2吸附-脱附等温线，用 BET 方法计算比表面积。采用乙醇取代法测定样品的孔隙率15。体外凝血活性检测通过凝血指数BCI在体外进行评估。将样品放入玻璃烧杯中，并在37下孵育5 min。将100 L柠檬酸全血缓慢滴加到样品表面，然后添加10L 0.2 M CaCl2溶液，然后在37下孵育5 min。此后，沿烧杯壁将25 mL去离子水缓慢加入烧杯中，并在37下以30 rpm的转速摇动孵育10 min。收集未陷入血块的红细胞。在测量542nm下所得血红蛋白溶液的吸光度值。通过公式(1)计算样品的凝血指数（BCI）：(%)100%ABCIA=样品空白 (1)2 2 结果与讨论结果与讨论 首先采用改进的 Hummers 法制备氧化石墨烯，主要利用磷酸代替硝酸，这样反应条件温和，不会有任何有毒气体。将壳聚糖溶解在乙酸溶液中，后加入引发剂过硫酸钾和单体丙烯酸，在氮气保护条件下，利用引发剂引发单体丙烯酸发生接枝聚合，将丙烯酸接枝聚合到壳聚糖上得到壳聚糖接枝聚丙烯酸。将壳聚糖接枝聚丙烯酸分散在蒸馏水中，加入石墨烯形成分散液，最后采用戊二醛交联得到 CS-g-PAA/GO复合水凝胶。图 1 为 CS-g-PAA 与 GO 质量比对水凝胶形貌影响。从图中可知，水凝胶呈现纤维状，CS-g-PAA：GO=3：1 时，水凝胶直径为 723125 nm（图 1A）。随着 GO 含量的增加，水凝胶的形貌并无发生明显的改变，但纤维直径明显变小，当CS-g-PAA：GO=1：1 时，复合水凝胶的直径变为 41098 nm。水凝胶的直径变小，比表面积增大，大大提高了水凝胶的止血性能。图图 1 1 CSCS-g g-PAAPAA/GOGO 复合水凝胶的扫描电镜图复合水凝胶的扫描电镜图 CSCS-g g-PAAPAA：GOGO 为为 A)3A)3:1:1，B B)2:1)2:1，C C)1)1:1:1 图 2A 为 CS-g-PAA/GO（1:1）复合水凝胶 N2吸附-脱附等温线图，根据国际理论及应用化学联合会命名法，当压力P/Po=0.61.0 范围内时，N2吸附-脱附等温线呈现典型的等温线和 H3滞后环16。图 2B 是由 Barret-Joyner-Halenda（BJH）方法推导而来的对应水凝胶的孔容-孔径分布图，由图可知，该水凝胶的最可几孔径为 10.90nm，属于介孔（2-50 nm）。由 Brunauer-Emmett-Teller（BET）分析法得到水凝胶的比表面积如表 1 所示。CS-g-PAA:GO 为 3:1 时，水凝胶的孔隙率和比表面积分别为 94.33%和 55.31m2/g，随着 GO含量的增加水凝胶的孔隙率和比表面积分别增加，当CS-g-PAA:GO 为 1:1 时，水凝胶的孔隙率和比表面积达到最大值为 96.12%和 60.90m2/g。主要因为随着 GO 含量的增加，水凝胶纤维的直径变小，因此孔隙率和比表面积增大。8 赵瑨云：壳聚糖接枝聚丙烯酸/石墨烯复合水凝胶的制备及表征 图图 2 2 CSCS-g g-PAAPAA/GOGO 复合水凝胶复合水凝胶，A A）N N2 2吸附吸附-脱附等温线图，脱附等温线图，B B）孔径分布图）孔径分布图 表表 1 1 CSCS-g g-PAAPAA/G/GO O 复合水凝胶复合水凝胶各物理参数各物理参数 CS-g-PAA:GO 纤维直径(nm)孔隙率(%)比表面积(m2/g)3:1 723125 94.33 55.31 2:1 588112 95.14 58.19 1:1 41098 96.12 60.90 一般认为壳聚糖的正电荷，可促进血小板和血液蛋白聚集，然后导致血纤蛋白凝块。而石墨烯激活 Src 激酶并从细胞内储存释放钙而引起血小板强烈聚集。另外水凝胶可快速吸收血浆，是血细胞积聚在表面上，从而促进血液在伤口表面凝结。因此本实验采用 BCI 在体外进行评估，通过血红蛋白溶液的吸光度值来判断其血液凝结速率。从图 3 可知，CS-g-PAA 和 CS-g-PAA/GO 水凝胶均可促进血液凝结，相比较 CS-g-PAA，复合水凝胶中引入 GO 后，水凝胶的 BCI 从65.12%降低到 40.19%，主要归因于 GO 促进血小板聚集和CS-g-PAA/GO 具有更强的物理吸收能力的结合作用。图图 3 3 CSCS-g g-PAAPAA/GOGO 凝血指数测试凝血指数测试（B BCICI）3 3 结结 论论 将壳聚糖接枝聚丙烯酸与石墨烯共混，制备CS-g-PAA/GO 复合水凝胶，利用壳聚糖的正电荷，可促进血小板和血液蛋白聚集，然后导致血纤蛋白凝块。而石墨烯激活 Src 激酶并从细胞内储存释放钙而引起血小板强烈聚集。另外水凝胶可快速吸收血浆，是血细胞积聚在表面上，从而促进血液在伤口表面凝结。相比较 CS-g-PAA，复合水凝胶中引入 GO 后，水凝胶的 BCI 从 65.12%降低到 40.19%，主要归因于 GO 促进血小板聚集和 CS-g-PAA/GO 具有更强的物理吸收能力的结合作用。参考文献参考文献 1 Sun Q,Kai Z,Xiaoyu B,et al.Study on the Preparation and Properties of Carboxymethyl Chitosan as Fast Hemostatic MaterialJ.Polymer Science,Series B,2022,63(6).2 Yu L,Zhang H,Xiao L,et al.A Bio-Inorganic Hybrid Hemostatic Gauze for Effective Control of Fatal Emergency Hemorrhage in Platinum Ten MinutesJ.Acs Applied Materials&Interfaces,2022,3(23):24-29.3 Hu B,Bao G,Xu X,et al.Topical hemostatic materials for coagulopathyJ.Journal of materials chemistry.B,2022,10(12):11-19.4 Murray M M,Forsythe B,Chen F,et al.The effect of thrombin on ACL fibroblast inte