專利名稱：生物相容性螺旋形貌直鏈淀粉功能化碳納米管的制備方法
技術領域：
本發明涉及一種納米技術領域的制備方法，特別是一種生物相容性螺旋形貌 直鏈淀粉功能化碳納米管的制備方法。
背景技術：
碳納米管(簡稱CNT)是近年來被發現的一種新型碳結構，是由碳原子形成 的石墨烯片層巻曲而成的無縫中空碳管，兩端各有半個富勒烯分子封端，是一種 具有高度離域化"電子共軛體系的一維量子材料。碳納米管分為單壁碳納米管 (S麗T)和多壁碳納米管(MWNT)。其制備方法主要有催化熱解、電弧放電、模 板法、化學氣相沉積法等。
碳納米管(CNT)自問世以來，以其獨特的電子和力學性質及準一維管狀分 子結構和潛在的巨大應用價值，而迅速成為物理、化學、材料乃至生物學研究的 熱點。由于碳納米管管壁光滑且高度可極化，在強的范徳華力作用下容易團聚成 束，幾乎不溶于水和各種有機溶劑，難以分散，在很多領域的應用受到了極大的 限制。因此，對碳納米管進行功能化改性以提高其溶解性能和分散性能是近年來 被廣泛關注的研究熱點。根據碳納米管與功能性修飾材料的連接方式不同，功能 化方法可以分為共價鍵改性和非共價鍵改性兩種。共價鍵改性是通過改變碳納米 管管壁上碳原子的sp2構型實現修飾材料與碳納米管之間的共價鍵合，所以會一 定程度地破壞碳納米管的電子結構和力學性能。而非共價鍵改性則是利用碳納米 管的疏水性表面或n電子結構與其它分子通過疏水力、堆積等弱相互作 用相結合，可以保持碳納米管完美的電子結構和力學性能不發生明顯變化。另一 方面，直鏈淀粉是近年來天然高分子研究領域的研究熱點，它是由葡萄糖以 a-l，4-糖苷鍵結合而成的鏈狀化合物，在特定溶劑中呈現出螺旋構象，由于與 生物體系有良好的相容性且相對易得，必有很大的應用前景。
經對現有技術的文獻檢索發現，Kim等在《美國化學會志》2003年第125 巻15期4426 4427頁上發表的"螺旋構象直鏈淀粉包覆單壁碳納米管的溶解性"，該文中提出具體方法為先將SWNT分散于水中預超聲，然后將直鏈淀粉及 分散好的碳納米管放入一定濃度的二甲亞砜和水溶液中，經超聲，水洗制備直鏈 淀粉功能化的碳納米管。其不足在于后處理難以將多余的直鏈淀粉洗去，從而 無法得到更細微的表面形貌。
發明內容
本發明的目的在于針對現有技術的不足，提供一種生物相容性螺旋形貌直鏈 淀粉功能化碳納米管的制備方法，使其用直鏈淀粉對碳納米管進行非共價的物理 包覆，制備生物相容性直鏈淀粉功能化碳納米管，充分洗去碳納米管上多余淀粉， 得到了規則的螺旋表面形貌。
本發明是通過以下技術方案實現的，本發明通過非共價的物理作用，利用天 然的直鏈淀粉對碳納米管進行功能化，洗去多余直鏈淀粉使直鏈淀粉和碳納米管 復合物表面呈現螺旋形貌，最終產物具有良好的生物相容性，也就是生物相容性 螺旋形貌直鏈淀粉功能化碳納米管。
本發明包括以下步驟
步驟a:將淀粉原料以0.01 1重量比與去離子水混合，攪拌，離心，靜置， 分離出上層直鏈淀粉粗提液，向其中加入乙醇，靜置，離心，分離出下層直鏈淀 粉，加入乙醇反復淋洗，過濾，真空干燥，得到直鏈淀粉；
步驟b:將1重量份碳納米管原料和50 5000重量份的氧化性酸混合，超
聲波處理，攪拌反應，抽濾，用去離子水反復洗滌多次至溶液呈中性，真空干燥
后得到純化的碳納米管；
步驟c:將1 100mg/mL步驟b所得純化碳納米管水溶液1體積份用超聲波 處理后，加入0.1 1體積份直鏈淀粉的二甲亞砜溶液，超聲波處理，靜置，經 過濾，溶劑洗滌，水洗，真空干燥，得到表面有螺旋形貌的直鏈淀粉和碳納米管 復合物。
上述步驟a中，所述淀粉原料為玉米淀粉、馬鈴薯淀粉、小麥淀粉中一種。 上述步驟a中，所述攪拌，離心，靜置，是指攪拌時間為0.5 h 10h，
攪拌溫度為20。C 100。C，在離心力為3000g下離心15min，靜置lmin 100min。 上述步驟a中，所述向其中加入乙醇，靜置，離心，是指向上層直鏈淀粉
粗提液中加入體積比為0. 1 0. 5的乙醇，靜置1 min 200min，在離心力為3000g
下離心15niin。
上述步驟b中，所述碳納米管為催化熱解、電弧放電、模板法、化學氣相沉 積法方法制備的單壁或多壁碳納米管。
上述步驟b中，所述氧化性酸包括1 5mol/L的硝酸、0. 1 100%重量酸濃 度硫酸、1/100 100/1摩爾比硝酸和硫酸混合溶液、1/100 100/l摩爾比高錳酸 鉀和硫酸混合溶液、1/100 100/1摩爾比HA和硫酸混合溶液中的一種。
上述步驟b中，所述超聲波處理，攪拌反應，是指用OkHz 100kHz超聲 波處理l min 100min， 20。C 20(TC下攪拌，反應1 h 50h。
上述步驟c中，所述溶劑洗滌，其所用的溶劑為二甲亞砜、氯仿、四氫呋喃、 丙酮、乙腈、丁酮、吡啶或者含有這些溶劑的混合溶劑。
上述步驟c中，所述用超聲波處理，是指用0kHz 100kHz超聲波處理 lmin 100min。
上述步驟c中，所述超聲波處理，靜置，是指用0kHz 100kHz超聲波處 理lmin 100min，靜置1 h 50h。
本發明利用碳納米管完美的結構和優異的性能，開發以碳納米管為基體的生 物型納米材料要。利用天然高分子直鏈淀粉，對碳納米管進行非共價的物理包覆， 使直鏈淀粉分子良好的生物相容性與碳納米管獨有的特性有機地整合在一起，從 而可以制備出具有生物相容性的納米復合材料。這不但大大擴展了天然高分子和 碳納米管材料的應用，也同時促進了納米科學技術領域的發展。
本發明提供的制備方法簡單易行，可控性強；所得產品具有規則的螺旋形貌， 螺距為14-15 nm;以其作為細胞培養基底，MTT法檢測細胞存活率約為原生碳納 米管為基底樣品的4倍。由于其良好的生物相容性，可作為生物材料使用，可以 廣闊應用在納米科學、材料科學和生物醫學等諸多方面。
圖1:生物相容性螺旋形貌直鏈淀粉功能化碳納米管的掃描電子顯微鏡照
片；
圖2:生物相容性螺旋形貌直鏈淀粉功能化碳納米管的細胞活性檢驗圖； 圖3:生物相容性螺旋形貌直鏈淀粉功能化碳納米管的原子力顯微鏡照片。 具體的實施方式
下面結合附圖對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護 范圍不限于下述的實施例。 實施例1
以化學氣相沉積法制備的單壁碳納米管為最初原料，經過純化后，通過非共 價的物理包覆將直鏈淀粉功能化到單壁碳納米管表面，得到生物相容性螺旋形貌 直鏈淀粉功能化碳納米管。
步驟a:在已裝有磁力攪拌轉子的單頸圓底燒瓶中，加入5g玉米淀粉和150mL 去離子水，加熱到80°C，攪拌60min，在離心力為3000g下離心15min，靜置90min， 分離出上層直鏈淀粉粗提液，向其中加入80mL乙醇，靜置90min，在離心力3000g 下離心15min，分離出下層直鏈淀粉漿液，加入大量乙醇洗滌，過濾，重復8次， 50'C真空干燥，得到直鏈淀粉；
步驟b:在己裝有磁力攪拌轉子的單頸圓底燒瓶中，加入40mg碳納米管原 料和120 mL 2. 6mol/L的硝酸，用40kHz超聲波處理30min后加熱到120°C，攪 拌并回流下反應48h，用4)0.22um聚四氟乙烯微孔濾膜抽濾，用大量去離子水 反復洗滌多次至中性，5(TC真空干燥24h后得到純化的碳納米管；
步驟c:在己裝有磁力攪拌轉子的單頸圓底燒瓶中，加入85mL 2mg/mL步驟 b所得純化碳納米管水溶液，用40kHz超聲波處理30min后，加入15mL 15mg/mL 直鏈淀粉的二甲亞砜溶液，用40kHz超聲波處理60min后，靜置48h后，用* 0. 22 um聚四氟乙烯微孔濾膜抽濾，用50mL二甲亞砜洗滌，再用d) 0. 22 u m聚四氟 乙烯微孔濾膜抽濾，用大量去離子水反復洗滌，過濾，重復5次，5(TC真空干燥， 得到生物相容性螺旋形貌直鏈淀粉功能化碳納米管。
圖1給出了生物相容性螺旋形貌直鏈淀粉功能化碳納米管的掃描電子顯微 鏡照片，照片呈現出大面積均勻的直鏈淀粉和碳納米管復合物復合物，復合物表 面有規則的螺旋型周期形貌。
從細胞活性檢驗數據(圖2)可以看出，經直鏈淀粉功能化后的碳納米管具 有更好的生物活性，體現在以直鏈淀粉和碳納米管復合物為培養基底樣品細胞在 培養24h， 48h， 72h活性指標均高于以單純碳納米管為培養基底的對比樣品。
實施例2
以催化熱解法制備的單壁碳納米管為最初原料，經過純化后，通過非共^的 物理包覆將直鏈淀粉功能化到單壁碳納米管表面，得到生物相容性螺旋形貌直鏈 淀粉功能化碳納米管。 步驟a:在已裝有磁力攪拌轉子的單頸圓底燒瓶中，加入10g馬鈴薯淀粉和 200mL去離子水，加熱到100。C，攪拌180min，在離心力為3000g下離心15min， 靜置75min，分離出上層直鏈淀粉粗提液，向其中加入100mL乙醇，靜置60min， 在離心力3000g下離心15min，分離出下層直鏈淀粉漿液，加入大量乙醇洗滌， 過濾，重復8次，5(TC真空干燥，得到直鏈淀粉；，
步驟b:在已裝有磁力攪拌轉子的單頸圓底燒瓶中，加入20mg碳納米管原 料和80mL 20%的硫酸，用40kHz超聲波處理15min后加熱到ll(TC，攪拌并回 流下反應24h，用(J)0.22iim聚四氟乙烯微孔濾膜抽濾，用大量去離子水反復洗 滌多次至中性，5(TC真空干燥24h后得到純化的碳納米管；
步驟c:在已裝有磁力攪拌轉子的單頸圓底燒瓶中，加入170mL 3mg/mL步 驟b所得純化碳納米管水溶液，用40kHz超聲波處理30min后，加入30mL 10mg/mL 直鏈淀粉的二甲亞砜溶液，用40kHz超聲波處理90min后，靜置24h后，用d) 0. 22 ym聚四氟乙烯微孔濾膜抽濾，用50mL吡啶洗滌，再用4 0. 22 u m聚四氟乙烯 微孔濾膜抽濾，用大量去離子水反復洗滌，過濾，重復5次，5(TC真空干燥，得 到生物相容性螺旋形貌直鏈淀粉功能化碳納米管。
圖3給出了生物相容性螺旋形貌直鏈淀粉功能化碳納米管的原子力顯微鏡 照片，照片可以清楚看到直鏈淀粉功能化碳納米管的表面具有規則的螺旋型周期 形貌，經測定螺距為14-15, nm。
實施例3
以化學氣相沉積法方法制備的單壁碳納米管為最初原料，經過純化后，通過 非共價的物理包覆將直鏈淀粉功能化到單壁碳納米管表面，得到生物相容性螺旋 形貌直鏈淀粉功能化碳納米管。
步驟a:在己裝有磁力攪拌轉子的單頸圓底燒瓶中，加入7.5小麥淀粉和 175mL去離子水，加熱到90°C，攪拌120min，在離心力為3000g下離心15min， 靜置45min，分離出上層直鏈淀粉粗提液，向其中加入75mL乙醇，靜置45min， 在離心力3000g下離心15min，分離出下層直鏈淀粉漿液，加入大量乙醇洗滌， 過濾，重復8次，5(TC真空干燥，得到直鏈淀粉；
步驟b:在已裝有磁力攪拌轉子的單頸圓底燒瓶中，加入30mg碳納米管原 料和100mL 4mol/L的硝酸，用40kHz超聲波處理20min后加熱到95°C，攪拌并 回流下反應12h，用4)0.22iiin聚四氟乙烯微孔濾膜抽濾，用大量去離子水反復
洗滌多次至中性，5(TC真空干燥24h后得到純化的碳納米管；
步驟c:在己裝有磁力攪拌轉子的單頸圓底燒瓶中，加入255mL 4mg/mL步驟b 所得純化碳納米管水溶液，用40kHz超聲波處理20min后，加入45mL 23mg/mL直鏈 淀粉的二甲亞砜溶液，用40kHz超聲波處理75min后，靜置12h后，用4)0.22um 聚四氟乙烯微孔濾膜抽濾，用50mLl/l體積比的丙酮和吡啶混合溶劑洗滌，再用 (i)0.22um聚四氟乙烯微孔濾膜抽濾，用大量去離子水反復洗滌，過濾，重復5 次，5(TC真空干燥，得到生物相容性螺旋形貌直鏈淀粉功能化碳納米管，以其作 為細胞培養基底，MTT法檢測細胞存活率為140X，高于原生碳納米管為基底樣品 的細胞存活率40%。 實施例4
以催化熱解法制備的單壁碳納米管為最初原料，經過純化后，通過非共價的 物理包覆將直鏈淀粉功能化到單壁碳納米管表面，得到生物相容性螺旋形貌直鏈 淀粉功能化碳納米管。
步驟a:在已裝有磁力攪拌轉子的單頸圓底燒瓶中，加入3g玉米淀粉和100mL 去離子水，加熱到105°C，攪拌90min，在離心力為3000g下離心15min，靜置 55min，分離出上層直鏈淀粉粗提液，向其中加入80mL乙醇，靜置60min，在離 心力3000g下離心15min，分離出下層直鏈淀粉漿液，加入大量乙醇洗滌，過濾， 重復8次，5(TC真空干燥，得到直鏈淀粉；
步驟b:在已裝有磁力攪拌轉子的單頸圓底燒瓶中，加入50mg碳納米管原 料和150mL 40%的硫酸，用40kHz超聲波處理25min后加熱到9(TC，攪拌并回 流下反應24h，用(t)0.22um聚四氟乙烯微孔濾膜抽濾，用大量去離子水反復洗 滌多次至中性，5(TC真空干燥24h后得到純化的碳納米管；
步驟c:在已裝有磁力攪拌轉子的單頸圓底燒瓶中，加入90mL lmg/raL步驟 b所得純化碳納米管水溶液，用40kHz超聲波處理30min后，加入16mL 10rag/mL 直鏈淀粉的二甲亞砜溶液，用40kHz超聲波處理25min后，靜置16h后，用d>0. 22 ym聚四氟乙烯微孔濾膜抽濾，用50mL 1/1體積比二甲亞砜和丙酮的混合溶劑 洗滌，再用由0.22pm聚四氟乙烯微孔濾膜抽濾，用大量去離子水反復洗滌，過 濾，重復5次，5(TC真空干燥，得到生物相容性螺旋形貌直鏈淀粉功能化碳納米 管，以其作為細胞培養基底，MTT法檢測細胞存活率為150%。
權利要求
1.一種生物相容性螺旋形貌直鏈淀粉功能化碳納米管的制備方法，其特征在于，包括以下步驟步驟a將淀粉原料以0.01～1重量比與去離子水混合，攪拌，離心，靜置，分離出上層直鏈淀粉粗提液，向其中加入乙醇，靜置，離心，分離出下層直鏈淀粉，加入乙醇反復淋洗，過濾，真空干燥，得到直鏈淀粉；步驟b將1重量份碳納米管原料和1～100重量份的氧化性酸混合，超聲波處理，攪拌反應，抽濾，用去離子水反復洗滌多次至溶液呈中性，真空干燥后得到純化的碳納米管；步驟c將1～100mg/mL步驟b所得純化碳納米管水溶液1體積份用超聲波處理后，加入0.1～1體積份直鏈淀粉的二甲亞砜溶液，超聲波處理，靜置，經過濾，溶劑洗滌，水洗，真空干燥，得到表面有螺旋形貌的直鏈淀粉和碳納米管復合物。
2. 根據權利要求1所述的生物相容性螺旋形貌直鏈淀粉功能化碳納米管的 制備方法，其特征是，步驟a中，所述淀粉原料為玉米淀粉、馬鈴薯淀粉、小麥 淀粉中一種。
3. 根據權利要求1或2所述的生物相容性螺旋形貌直鏈淀粉功能化碳納米 管的制備方法，步驟a中，所述攪拌，離心，靜置，是指攪拌時間為0.5h 10h，攪拌溫度為20。C 100。C，在離心力為3000g下離心15min，靜置1 min 100min。
4. 根據權利要求1或2所述的生物相容性螺旋形貌直鏈淀粉功能化碳納米 管的制備方法，步驟a中，所述向其中加入乙齒，靜置，離心，是指向上層直 鏈淀粉粗提液中加入體積比為0. 1 0.5的乙醇，靜置1 min 100min，在離心 力為加00g下離心15min。
5. 根據權利要求1所述的生物相容性螺旋形貌直鏈淀粉功能化碳納米管的 制備方法，其特征是，步驟b中，所述碳納米管為催化熱解、電弧放電、模板法、 化學氣相沉積法方法制備的單壁或多壁碳納米管。
6. 根據權利要求1或5所述的生物相容性螺旋形貌直鏈淀粉功能化碳納米管 的制備方法，其特征是，步驟b中，所述超聲波處理，攪拌反應，是指用0kHz lOOkHz超聲波處理l min 100min， 20。C 200。C下攪拌，反應1 h 50h。
7. 根據權利要求1或5所述的生物相容性螺旋形貌直鏈淀粉功能化碳納米管 的制備方法，其特征是，步驟b中，所述氧化性酸包括1 5mol/L的硝酸、0. l 100%重量酸濃度硫酸、1/100 100/l摩爾比硝酸和硫酸混合溶液、1/100 100/1 摩爾比高錳酸鉀和硫酸混合溶液、1/100 100/1摩爾比^02和硫酸混合溶液中的 一種。
8. 根據權利要求1所述的生物相容性螺旋形貌直鏈淀粉功能化碳納米管的 制備方法，其特征是，步驟c中，所述溶劑洗漆，其所用的溶劑為二甲亞砜、氯 仿、四氫呋喃、丙酮、乙腈、丁酮、吡啶或者含有這些溶劑的混合溶劑。
9. 根據權利要求1或8所述的生物相容性螺旋形貌直鏈淀粉功能化碳納米管 的制備方法，其特征是，步驟c中，所述用超聲波處理，是指用0kHz 100kHz 超聲波處理lmin 100min。
10. 根據權利要求1或8所述的生物相容性螺旋形貌直鏈淀粉功能化碳納米 管的制備方法，其特征是，步驟c中，所述超聲波處理，靜置，是指用0kHz 100kHz超聲波處理lmin 100min，靜置1 h 50h。
全文摘要
本發明涉及一種化工技術領域的生物相容性螺旋形貌直鏈淀粉功能化碳納米管的制備方法，通過非共價的物理作用，利用天然的直鏈淀粉對碳納米管進行功能化，洗去多余直鏈淀粉使直鏈淀粉和碳納米管復合物表面呈現螺旋形貌，最終產物具有良好的生物相容性，也就是生物相容性螺旋形貌直鏈淀粉功能化碳納米管。這種制備方法簡單易行，易于控制，所得產品可以長期穩定分散于水中，表現出很好的生物相容性，可以作為細胞培養的基底，能廣泛應用在生物領域。
文檔編號C09C3/10GK101182394SQ200710047938
公開日2008年5月21日 申請日期2007年11月8日 優先權日2007年11月8日
發明者伏傳龍, 孟令杰, 張曉科, 路慶華 申請人:上海交通大學