基本信息
- 项目名称：
- 石墨烯/壳聚糖复合材料的制备、机械性能及生物相容性的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 我们制备了生物相容性好的壳聚糖/石墨烯复合材料，并通过一系列实验来研究该材料的机械性能和生物相容性，证明了这种复合材料可以作为生物医学工程支架材料。
- 详细介绍：
- 我们发现直流电弧法制备的石墨烯可以均匀地分散在壳聚糖乙酸溶液中。通过红外光谱和X-射线光电子能谱表征我们证实了石墨烯表面含有少量含氧官能团，这使得其可以很好地分散在壳聚糖乙酸水溶液中。通过溶液蒸发成膜法我们制备出了石墨烯/壳聚糖复合薄膜，并使用纳米压痕测试系统测算了复合薄膜的机械性能。添加少量（0.1-0.3 wt %）的石墨烯使得复合材料的硬度增加了近40%，弹性模量增加了超过200%。另外，我们还通过四氮唑比色法研究了石墨烯/壳聚糖复合薄膜的生物相容性。我们发现L929细胞在复合薄膜上的贴附和增殖与在纯壳聚糖薄膜上没有明显差异，这证实了石墨烯/壳聚糖复合薄膜具有良好的生物相容性。因此，石墨烯/壳聚糖复合材料在生物支架材料方面有广阔的应用前景。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 本文的主要目的是研究石墨烯这种新型碳纳米材料在生物医学方面的应用。我们制备了生物相容性好的壳聚糖/石墨烯复合材料，并通过一系列实验来研究该材料的机械性能和生物相容性，证明了这种复合材料可以作为生物医学工程支架材料。
科学性、先进性及独特之处
- 我们在国际上首次系统地研究了石墨烯增强生物大分子复合材料的机械性能以及生物相容性。我们使用国际通用和认可的科学检测技术和方法（原位纳米压痕技术和四氮唑比色法）分别研究了复合材料的机械性能和生物相容性，充分说明了这类复合材料在低添加量的条件下，即可实现机械性能的大幅度提高，同时可以保持壳聚糖自身的良好生物相容性，未引入其他具有细胞毒性的金属杂质。这为研究和制备骨组织工程支架提供了一个新的材料。
应用价值和现实意义
- 天然生物大分子壳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、消炎和促进伤口愈合等功能。用石墨烯增强的壳聚糖不仅保持了其优异性能，而且具有更强的机械性能。预期它在骨组织工程支架材料领域有着广阔的应用前景。
学术论文摘要
- 我们发现直流电弧法制备的石墨烯可以均匀地分散在壳聚糖乙酸溶液中。通过红外光谱和X-射线光电子能谱表征我们证实了石墨烯表面含有少量含氧官能团，这使得其可以很好地分散在壳聚糖乙酸水溶液中。通过溶液蒸发成膜法我们制备出了石墨烯/壳聚糖复合薄膜，并使用纳米压痕测试系统测算了复合薄膜的机械性能。添加少量（0.1-0.3 wt %）的石墨烯使得复合材料的硬度增加了近40%，弹性模量增加了超过200%。另外，我们还通过四氮唑比色法研究了石墨烯/壳聚糖复合薄膜的生物相容性。我们发现L929细胞在复合薄膜上的贴附和增殖与在纯壳聚糖薄膜上没有明显差异，这证实了石墨烯/壳聚糖复合薄膜具有良好的生物相容性。因此，石墨烯/壳聚糖复合材料在生物支架材料方面有广阔的应用前景。
获奖情况
- 该研究成果于2010年8月在美国化学会创办的《Biomacromolecules》杂志上发表（SCI核心期刊，影响因子4.502） 《Fabrication, Mechanical Properties, and Biocompatibility of Graphene-Reinforced Chitosan Composites》 Biomacromolecules 2010, 11, 2345-2351. 2010年11月本文在该杂志当月“阅读最多”（most readed）的20篇文章中位列第五名，截止2011/5/9本文已被引用7次，包括一篇发表在材料科学方面顶尖杂志Advanced Materials 上的综述文章。
鉴定结果
- 内容属实
参考文献
- 引用该作品的文章如下： [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
同类课题研究水平概述
- 自2004年Geim小组发现石墨烯以来，以石墨烯作为增强材料添加剂的研究不断深入，并取得了显著的成果。Ramanathan等[1]报道了聚丙烯腈在添加1 wt %官能团化石墨烯后，其玻璃态转变温度（Tg）较之前提高了40℃。另外，含有0.05 wt %石墨烯的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的Tg也同样增加了近30℃，含有1 wt %石墨烯的PMMA的弹性模量和抗拉伸强度分别增加了80%及20%。研究还发现，在比较了所有的纳米填充材料后，单层石墨烯的增强效果最好。Das等[2]运用纳米压痕技术测试了石墨烯（few-layer graphene）增强的聚乙烯醇（PVA）及PMMA材料的机械性能。石墨烯0.6 wt %的添加量导致了PVA材料的弹性模量及硬度分别增加了近35%和46%，而对于PMMA材料的弹性模量及硬度分别增加了72%和9%。环氧树脂/石墨烯材料表现出了非常有趣的性质，将25 vol %的石墨烯加入环氧树脂后，其热导率增加了超过了3000%，而常规的添加剂需要添加70 vol %才能达到这个值。这种性质在导热界面材料方面有广泛的应用前景[3]。Chen等[4]在石墨烯生物相容性方面做了初步的研究。他们制备出的石墨烯膜不仅具有优异的机械、导电性能，而且通过细胞培养实验证实了其具有良好的生物相容性。 但是，不论是材料的制备、机械性能还是生物相容性，对石墨烯增强天然生物大分子（如壳聚糖）复合材料方面的研究目前还没有报道。基于以上，我们旨在制备石墨烯/壳聚糖复合材料，并对其机械性能和生物相容性等方面进行研究。 参考文献： [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
