碳納米管的非共價功能化改性方法及其應用與流程

本發明屬于納米改性領域，具體涉及一種新型碳納米管的非共價功能化改性及其應用，具體涉及該新型碳納米管在生物細胞中的應用，更具體的是涉及一種用不同功能側基的乙烯基咪唑基聚合物作為分散劑對碳納米管進行非共價功能化改性。

背景技術：

碳納米管具有超高長徑比，長度在1~50μm，直徑在10~50nm之間，相對低的密度和優異的物理化學性質備受關注。但其表面惰性，化學性質穩定，與其他物質界面作用差，易產生強范德華力而團聚，從而影響其優異性能的發揮，所以要對碳納米管表面進行功能化修飾。

因碳納米管具有優異的性能，在填充改性聚合物方面是非常理想的材料。在有效填充改性聚合物之前，必須有效的解決碳納米管在聚合物中的分散問題和界面結合問題。碳納米管的側面是石墨化的碳碳鍵結構，與聚合物分子鏈不相容，界面結合力很差，不能有效的將所受的載荷有效的分散到碳納米管上，可能導致應力集中，進一步聚合物破裂和損壞。

目前常見的碳納米管改性方法：通過化學反應，偶極-偶極作用，氫鍵和范德華力等物理作用和物理吸附使得有機聚合物纏繞包裹在碳納米管表面。O’Connell等將聚乙烯吡咯烷酮和聚苯乙烯磺酸鹽連接在碳納米管上，得到線性聚合物功能化的碳納米管。Kang等將兩親性聚苯乙烯和丙烯酸嵌段修飾碳納米管。Haddon等將氧化開口的碳納米管和SOCl₂反應，再與長鏈烷基胺反應，得到可溶性單壁碳納米管。Hamwi等用含氟化合物與碳納米管進行加成反應，得到氟化碳納米管。

冉詩雅等將乙烯基磷酸單體在偶氮二異丁腈作用下對碳納米管進行改性，提高碳納米管在水中的分散性。姜忠義等將乙烯基修飾的碳納米管在多種功能單體的作用下進行修飾，得到高分子功能化的碳納米管。

目前這些修飾改性技術都比較復雜，需要特定的化學環境和工藝，在許多的領域中的應用還會受到限制，并且上述改性方法都的共價鍵改性，對碳納米管原來的電子結構產生破壞，形成缺陷，繼而在此基礎上得以修飾，得到的碳納米管并未在生物細胞中間進行應用實驗。

因此，需要針對上述的缺陷進行改進，克服其缺陷。發明一種不破壞碳納米管原有電子結構，在水溶液中能夠穩定分散長期儲存的改性方法。該方法通過非共價鍵作用，將修飾物纏繞連接在碳納米管上，未對其原有電子結構破壞，并且將修飾的碳納米管生物相容性和毒性進行實驗，對以后其在生物中應用提供支持。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種含有芘基和乙烯基咪唑基，帶有正電荷的非共價鍵修飾的碳納米管復合物，此改性方法不破壞碳納米管原有電子結構，在水溶液中能夠穩定分散長期儲存，并且濃度含量非常低，使碳納米管在水中分散濃度高達650mg l^-1。

本發明非共價修飾與碳納米管作用時不涉及任何化學反應，不破壞其電子結構，保留固有的特向異性，并且能夠同時解決穩定和分散的問題。

本發明的碳納米管的非共價功能化改性方法，是以偶氮二異丁腈AIBN作為引發劑，以乙烯基咪唑衍生物，1-溴丁烷，芘基衍生物為原料，通過溶液聚合反應合成含有芘基和乙烯基咪唑基的聚合物；

將含有芘基和乙烯基咪唑基的聚合物溶解于蒸餾水中，再加入碳納米管，然后將混合液置于冰浴中超聲波處理，得到懸浮液，靜置，過濾下層不溶物，得到碳納米管分散液，干燥，得到非共價功能化的碳納米管。

具體的，本發明的碳納米管的非共價功能化改性方法，包括以下步驟：

（1）采用偶氮二異丁腈AIBN作為引發劑，以乙烯基咪唑衍生物，1-溴丁烷，芘基衍生物為原料，采用溶液聚合反應合成含有芘基和乙烯基咪唑基的復合物；

（2）稱取含有芘基和乙烯基咪唑基的復合物，將聚合物溶解在蒸餾水中；

（3）待聚合物完全溶解后，向聚合物中加入碳納米管，將加入碳納米管的混合液在冰浴中超聲波處理，待碳納米管分散開來，得到黑色的懸浮液，靜置于室溫下，過濾下層不溶物，得到穩定分散的碳納米管分散液，將所得的碳納米管分散液在干燥箱中干燥，得到非共價功能化的碳納米管。

更優選的，碳納米管的非共價功能化改性方法，包括以下步驟：

（1）采用偶氮二異丁腈AIBN作為引發劑，以乙烯基咪唑衍生物，1-溴丁烷，芘基衍生物為原料，通過溶液聚合反應合成含有芘基和乙烯基咪唑基的聚合物；

（2）稱取0.05-1.0mg的含有芘基和乙烯基咪唑基的聚合物放置于試劑瓶中，將聚合物溶解在3-15ml蒸餾水中；

（3）待聚合物在蒸餾水中完全溶解后，向聚合物中加入0.8-2.5mg的碳納米管，將加入碳納米管后的混合液在0℃冰浴中超聲0.8-1.2h，待碳納米管分散開來，得到黑色的懸浮液，靜置于室溫下18-30h，過濾下層不溶物，得到穩定分散的碳納米管分散液，將其置于60-120℃的干燥箱中干燥，得到非共價功能化的碳納米管。

優選的，上述的碳納米管的非共價功能化改性方法，包括以下步驟：

（1）采用偶氮二異丁腈AIBN作為引發劑，以乙烯基咪唑衍生物，1-溴丁烷，芘基衍生物為原料，采用溶液聚合反應合成含有芘基和乙烯基咪唑基的復合物；

（2）稱取0.1mg的含有芘基和乙烯基咪唑基的復合物放置于30ml的試劑瓶中，將聚合物溶解在5ml蒸餾水中；

（3）待聚合物完全溶解后，向聚合物中加入1mg的碳納米管，將加入碳納米管的混合液在0℃冰浴中超聲1h，待碳納米管分散開來，得到黑色的懸浮液，靜置于室溫下1d，過濾下層不溶物，得到穩定分散的碳納米管分散液。將其在80℃干燥箱中干燥，得到非共價功能化的碳納米管。

優選的，上述的碳納米管的非共價功能化改性方法，包括以下步驟：

（1）采用偶氮二異丁腈AIBN作為引發劑，以乙烯基咪唑衍生物，1-溴丁烷，芘基衍生物為原料，采用溶液聚合反應合成含有芘基和乙烯基咪唑基的復合物。

（2）稱取0.3mg的含有芘基和乙烯基咪唑基的復合物放置于30ml的試劑瓶中，將聚合物溶解在8ml蒸餾水中。

（3）待聚合物完全溶解后，向聚合物中加入1.5mg的碳納米管，將加入碳納米管的混合液在0℃冰浴中超聲1.5h，待碳納米管分散開來，得到黑色的懸浮液，靜置于室溫下1d，過濾下層不溶物，得到穩定分散的碳納米管分散液。將其在80℃干燥箱中干燥，得到非共價功能化的碳納米管。

優選的，上述的碳納米管的非共價功能化改性方法，包括以下步驟：

（1）采用偶氮二異丁腈AIBN作為引發劑，以乙烯基咪唑衍生物，1-溴丁烷，芘基衍生物為原料，采用溶液聚合反應合成含有芘基和乙烯基咪唑基的聚合物；

（2）稱取0.6mg的含有芘基和乙烯基咪唑基的聚合物放置于30ml的試劑瓶中，將聚合物溶解在10ml蒸餾水中。

（3）待聚合物完全溶解后，向聚合物中加入2mg的碳納米管，將加入碳納米管的混合液在0℃冰浴中超聲2h，待碳納米管分散開來，得到黑色的懸浮液，靜置于室溫下1d，過濾下層不溶物，得到穩定分散的碳納米管分散液。將其在80℃干燥箱中干燥，得到非共價功能化的碳納米管。

本發明將制的碳納米管水分散液和制成的膜材料與小鼠成纖維細胞和小鼠胚細胞共培養，此改性的碳納米管無毒性，具有良好的生物相容性。此改性修飾的碳納米管聚合物不但可以作為單一性生物材料，還可以在其他水溶性生物材料中起到填充補強作用，提高性能。

本發明的有益效果是：相比于傳統十二烷基獲得穩定碳納米管分散液用量小，在較寬溫度范圍內0~50℃水溶液中能長期穩定存在，無毒，細胞相容性良好。

附圖說明

圖1為含有芘基和乙烯基咪唑基的聚合物修飾碳納米管的分子示意圖；

圖2為合成含有芘基和乙烯基咪唑基聚合物步驟圖；

圖3為修飾碳納米管在水溶液中的TEM圖片和尺寸分布圖；

圖4為修飾碳納米管結構表征圖；

圖5為改性碳納米管分散液與細胞相容性和毒性測試圖；

圖6為碳納米管在水中分散圖片，1是未改性碳納米管，2、3、4分別是實施例中1、2、3常溫分別放置一年；

圖7為實施例3中碳納米管在不同溫度下的水中分散圖片，自左往右0℃、10℃、25℃、50℃。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式來對本發明作更進一步的說明，以便本領域的技術人員更了解本發明，但并不以此限制本發明。

實施例1

一種非共價功能化改性碳納米管材料的制備，包括以下步驟：

（1）實驗采用偶氮二異丁腈（AIBN）作為引發劑，以乙烯基咪唑衍生物，1-溴丁烷，芘基衍生物為原料，采用溶液聚合反應合成含有芘基和乙烯基咪唑基的聚合物；

（2）稱取0.1mg的含有芘基和乙烯基咪唑基的聚合物放置于30ml的試劑瓶中，將聚合物溶解在5ml蒸餾水中；

（3）待聚合物完全溶解后，向聚合物中加入1mg的碳納米管，將加入碳納米管的混合液在0℃冰浴中超聲1h，待碳納米管分散開來，得到黑色的懸浮液，靜置于室溫下1d，過濾下層不溶物，得到穩定分散的碳納米管分散液。將其在80℃干燥箱中干燥，得到非共價功能化的碳納米管。

實施例2

一種非共價功能化改性碳納米管材料的制備，包括以下步驟：

（1）實驗采用偶氮二異丁腈（AIBN）作為引發劑，以乙烯基咪唑衍生物，1-溴丁烷，芘基衍生物為原料，采用溶液聚合反應合成含有芘基和乙烯基咪唑基的聚合物。

（2）稱取0.3mg的含有芘基和乙烯基咪唑基的聚合物放置于30ml的試劑瓶中，將聚合物溶解在8ml蒸餾水中。

（3）待聚合物完全溶解后，向聚合物中加入1.5mg的碳納米管，將加入碳納米管的混合液在0℃冰浴中超聲1.5h，待碳納米管分散開來，得到黑色的懸浮液，靜置于室溫下1d，過濾下層不溶物，得到穩定分散的碳納米管分散液。將其在80℃干燥箱中干燥，得到非共價功能化的碳納米管。

實施例3

一種非共價功能化改性碳納米管材料的制備，包括以下步驟：

（1）實驗采用偶氮二異丁腈（AIBN）作為引發劑，以乙烯基咪唑衍生物，1-溴丁烷，芘基衍生物為原料，采用溶液聚合反應合成含有芘基和乙烯基咪唑基的聚合物。

（2）稱取0.6mg的含有芘基和乙烯基咪唑基的聚合物放置于30ml的試劑瓶中，將聚合物溶解在10ml蒸餾水中。

（3）待聚合物完全溶解后，向聚合物中加入2mg的碳納米管，將加入碳納米管的混合液在0℃冰浴中超聲2h，待碳納米管分散開來，得到黑色的懸浮液，靜置于室溫下1d，過濾下層不溶物，得到穩定分散的碳納米管分散液。將其在80℃干燥箱中干燥，得到非共價功能化的碳納米管。

本發明人通過自由基聚合，選擇具有生物及化學活性的含有芘基和乙烯基咪唑聚合物對碳納米管進行修飾，保留優異性能前提，將生物相容性和化學敏感性引入碳納米管，最終將功能化的碳納米管材料在生物學，醫學和電化學傳感器領域得以應用提供支持。

通過自由基聚合，將帶有芘基和乙烯基咪唑基聚合物對碳納米管進行修飾，作為碳納米管的分散助劑，使得碳納米管在水溶液中分散濃度達到650mg l^-1，而且此時分散劑的用量僅為0.03mg l^-1，遠遠低于由傳統分散劑十二烷基硫酸鈉獲得穩定碳納米管分散液的用量（1.0 wt%），此時得到的碳納米管分散水溶液可以在0℃~50℃下穩定存在3個月，并且沒有可視的團聚現象發生，具有良好的貯存穩定性。

此改性方法不破壞碳納米管原有電子結構，在水溶液中能夠穩定分散長期儲存，并且濃度含量非常低，使碳納米管在水中分散濃度高達650mg l^-1。

非共價修飾碳納米管生物相容性評價方法包括以下步驟：

（1）將非共價修飾的碳納米管溶于蒸餾水中，在超純水中使用纖維素透析膜48h，第一天每4h更換一次水，第二天每隔6h更換一次，去除低分子量的雜質；

（2）透析結束，將水分散液用0.2微米水系濾膜過濾，之后經過3次淋洗以便除去游離聚合物，得到純凈的乙烯基咪唑基碳納米管聚合物；

（3）將純凈的聚合物直接分散在用于細胞生長的培養液中，觀察細胞生長情況以及增值情況，評價生物相容性；

（4）將聚合物在高壓滅菌器中120℃高溫下，0.1MPa下滅菌2h，然后將其分散在10%牛血清的DMEM細胞培養液中，超聲處理20min，將分散好的分散液用于細胞生長的培養基進行細胞培養實驗。取生長旺盛的細胞以1.5×10⁶個/孔接種于細胞培養板中，每個孔中加入2ml10%的牛血清培養液，在37℃下，5%含量CO₂的培養箱培養24h，待細胞貼壁生長，去掉孔板中的培養液，之后用PBS緩沖液清洗，最后加入3ml帶有聚合物的培養液，再將培養板放入37℃，5%CO₂培養箱繼續培養，之后觀察細胞形態數量。

參見圖1，為本發明為乙烯基咪唑基聚合物修飾碳納米管示意圖；

參見圖2，為原料通過溶液聚合合成乙烯基咪唑基聚合物的步驟圖；

參見圖3，為修飾的碳納米管經過超聲之后的分散液貯存3個月后的照片。圖為靜止24h后去上清液稀釋之后的圖片。由圖可見，該體系是非常明顯的膠體體系。具有非常好的貯存穩定性，并且無可視團聚現象。

參見圖4，為選取的B修飾的碳納米管分散液TEM圖片。可見分散液中包含有管狀碳納米管，仔細觀察，可以看見碳納米管表層有一層聚合物。粒徑尺寸分析，大多數為單根碳納米管和小尺寸的管束，極少有大尺寸聚集的管束。通常情況下，在沒有分散劑或者未修飾情況下，將碳納米管分散在水中都會是以大尺寸聚集的狀態存在的。所以，乙烯基咪唑基聚合物起到了分散和修飾的作用。

參見圖5，左圖為碳納米管經過改性之后的拉曼光譜，用以評價碳納米管和聚合物之間非共價作用。157.7cm^-1，264.5cm^-1，1584.3cm^-1和2578.9cm^-1分別發生了藍移。說明碳納米管和聚合物之間有很強的作用力。右圖為碳納米管經過改性之后的UV-VIS-NIR光譜測試，用以評價碳納米管經過改性之后的電子結構是否完整。由文獻可以得知，純SWNT奇異點間的光子躍遷產生明顯的光譜特征：第一金屬躍遷，第一和第二半導體躍遷。這些對于共價改性的碳納米管來說會明顯的減弱或完全消失的特征，在經過修飾改性的碳納米管中完整的保留，說明聚合物與碳納米管之間沒有發生共價作用。

參見圖6，為改性碳納米管生物相容性實驗。實驗將改性碳納米管與細胞共培養。圖6是細胞在純培養液，改性碳納米管培養液培養了1天，3天后的生長情況。這些實驗結果均表明改性碳納米管不但沒有毒性還具有很好的生物相容性。