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基本信息

項目名稱：
石墨烯/殼聚糖復(fù)合材料的制備、機(jī)械性能及生物相容性的研究
小類：
能源化工
簡介：
我們制備了生物相容性好的殼聚糖/石墨烯復(fù)合材料，并通過一系列實驗來研究該材料的機(jī)械性能和生物相容性，證明了這種復(fù)合材料可以作為生物醫(yī)學(xué)工程支架材料。
詳細(xì)介紹：
我們發(fā)現(xiàn)直流電弧法制備的石墨烯可以均勻地分散在殼聚糖乙酸溶液中。通過紅外光譜和X-射線光電子能譜表征我們證實了石墨烯表面含有少量含氧官能團(tuán)，這使得其可以很好地分散在殼聚糖乙酸水溶液中。通過溶液蒸發(fā)成膜法我們制備出了石墨烯/殼聚糖復(fù)合薄膜，并使用納米壓痕測試系統(tǒng)測算了復(fù)合薄膜的機(jī)械性能。添加少量（0.1-0.3 wt %）的石墨烯使得復(fù)合材料的硬度增加了近40%，彈性模量增加了超過200%。另外，我們還通過四氮唑比色法研究了石墨烯/殼聚糖復(fù)合薄膜的生物相容性。我們發(fā)現(xiàn)L929細(xì)胞在復(fù)合薄膜上的貼附和增殖與在純殼聚糖薄膜上沒有明顯差異，這證實了石墨烯/殼聚糖復(fù)合薄膜具有良好的生物相容性。因此，石墨烯/殼聚糖復(fù)合材料在生物支架材料方面有廣闊的應(yīng)用前景。

作品專業(yè)信息

撰寫目的和基本思路

本文的主要目的是研究石墨烯這種新型碳納米材料在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用。我們制備了生物相容性好的殼聚糖/石墨烯復(fù)合材料，并通過一系列實驗來研究該材料的機(jī)械性能和生物相容性，證明了這種復(fù)合材料可以作為生物醫(yī)學(xué)工程支架材料。

科學(xué)性、先進(jìn)性及獨特之處

我們在國際上首次系統(tǒng)地研究了石墨烯增強(qiáng)生物大分子復(fù)合材料的機(jī)械性能以及生物相容性。我們使用國際通用和認(rèn)可的科學(xué)檢測技術(shù)和方法（原位納米壓痕技術(shù)和四氮唑比色法）分別研究了復(fù)合材料的機(jī)械性能和生物相容性，充分說明了這類復(fù)合材料在低添加量的條件下，即可實現(xiàn)機(jī)械性能的大幅度提高，同時可以保持殼聚糖自身的良好生物相容性，未引入其他具有細(xì)胞毒性的金屬雜質(zhì)。這為研究和制備骨組織工程支架提供了一個新的材料。

應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義

天然生物大分子殼聚糖具有良好的生物相容性和生物可降解性，并且具有抗菌、止血、消炎和促進(jìn)傷口愈合等功能。用石墨烯增強(qiáng)的殼聚糖不僅保持了其優(yōu)異性能，而且具有更強(qiáng)的機(jī)械性能。預(yù)期它在骨組織工程支架材料領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

學(xué)術(shù)論文摘要

我們發(fā)現(xiàn)直流電弧法制備的石墨烯可以均勻地分散在殼聚糖乙酸溶液中。通過紅外光譜和X-射線光電子能譜表征我們證實了石墨烯表面含有少量含氧官能團(tuán)，這使得其可以很好地分散在殼聚糖乙酸水溶液中。通過溶液蒸發(fā)成膜法我們制備出了石墨烯/殼聚糖復(fù)合薄膜，并使用納米壓痕測試系統(tǒng)測算了復(fù)合薄膜的機(jī)械性能。添加少量（0.1-0.3 wt %）的石墨烯使得復(fù)合材料的硬度增加了近40%，彈性模量增加了超過200%。另外，我們還通過四氮唑比色法研究了石墨烯/殼聚糖復(fù)合薄膜的生物相容性。我們發(fā)現(xiàn)L929細(xì)胞在復(fù)合薄膜上的貼附和增殖與在純殼聚糖薄膜上沒有明顯差異，這證實了石墨烯/殼聚糖復(fù)合薄膜具有良好的生物相容性。因此，石墨烯/殼聚糖復(fù)合材料在生物支架材料方面有廣闊的應(yīng)用前景。

獲獎情況

該研究成果于2010年8月在美國化學(xué)會創(chuàng)辦的《Biomacromolecules》雜志上發(fā)表（SCI核心期刊，影響因子4.502） 《Fabrication, Mechanical Properties, and Biocompatibility of Graphene-Reinforced Chitosan Composites》 Biomacromolecules 2010, 11, 2345-2351. 2010年11月本文在該雜志當(dāng)月“閱讀最多”（most readed）的20篇文章中位列第五名，截止2011/6/15本文已被引用8次，包括一篇發(fā)表在材料科學(xué)方面頂尖雜志Advanced Materials 上的綜述文章。

鑒定結(jié)果

內(nèi)容屬實

參考文獻(xiàn)

引用該作品的文章如下： [1] Bin Li, Wei-Hong Zhong Journal of Materials Science 2011 DOI: 10.1007/s10853-011-5572-y [2] Wenbing Hu, Cheng Peng, Min Lv, Xiaoming Li, Yujie Zhang, Nan Chen, Chunhai Fan, and Qing Huang ACS Nano 2011 DOI: 10.1021/nn200021j [3] Hua Bai, Chun Li, Gaoquan Shi Advanced Materials 2011, 23 (9), 1089-1115 [4] Liangzhu Feng, Zhuang Liu Nanomedicine 2011, 6 (2), 317-324 [5] Jiangtao Zhu, Hoi Man Wong, Kelvin Wai Kwok Yeung, Sie Chin Tjong Advanced Engineering Materials 2011, 13(4), 336-341 [6] Muzzarelli, Riccardo A. A. Carbohydrate Polymers 2011, 83(4), 1433-1445 [7] Potts JR., Dreyer DR., Bielawski CW., Ruoff RS. Polymer 2011, 52(1), 5-25 [8] Li Zhang, Dao-an Zha, Tingting Du, Shilin Mei, Zujin Shi, Zhaoxia Jin Langmuir Just Accepted Manuscript

同類課題研究水平概述

自2004年Geim小組發(fā)現(xiàn)石墨烯以來，以石墨烯作為增強(qiáng)材料添加劑的研究不斷深入，并取得了顯著的成果。Ramanathan等[1]報道了聚丙烯腈在添加1 wt %官能團(tuán)化石墨烯后，其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度（Tg）較之前提高了40℃。另外，含有0.05 wt %石墨烯的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的Tg也同樣增加了近30℃，含有1 wt %石墨烯的PMMA的彈性模量和抗拉伸強(qiáng)度分別增加了80%及20%。研究還發(fā)現(xiàn)，在比較了所有的納米填充材料后，單層石墨烯的增強(qiáng)效果最好。Das等[2]運(yùn)用納米壓痕技術(shù)測試了石墨烯（few-layer graphene）增強(qiáng)的聚乙烯醇（PVA）及PMMA材料的機(jī)械性能。石墨烯0.6 wt %的添加量導(dǎo)致了PVA材料的彈性模量及硬度分別增加了近35%和46%，而對于PMMA材料的彈性模量及硬度分別增加了72%和9%。環(huán)氧樹脂/石墨烯材料表現(xiàn)出了非常有趣的性質(zhì)，將25 vol %的石墨烯加入環(huán)氧樹脂后，其熱導(dǎo)率增加了超過了3000%，而常規(guī)的添加劑需要添加70 vol %才能達(dá)到這個值。這種性質(zhì)在導(dǎo)熱界面材料方面有廣泛的應(yīng)用前景[3]。Chen等[4]在石墨烯生物相容性方面做了初步的研究。他們制備出的石墨烯膜不僅具有優(yōu)異的機(jī)械、導(dǎo)電性能，而且通過細(xì)胞培養(yǎng)實驗證實了其具有良好的生物相容性。 但是，不論是材料的制備、機(jī)械性能還是生物相容性，對石墨烯增強(qiáng)天然生物大分子（如殼聚糖）復(fù)合材料方面的研究目前還沒有報道?；谝陨希覀冎荚谥苽涫?殼聚糖復(fù)合材料，并對其機(jī)械性能和生物相容性等方面進(jìn)行研究。 參考文獻(xiàn)： [1] T. Ramanathan, et al. Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 327. [2] B. Das, et al. Nanotechnology 2009, 20, 125705. [3] A. Yu, et al. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 7565. [4] H. Chen, et al. Adv. Mater. 2008, 20, 3557
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