导电石墨烯聚合物补片及其制备方法
阅读说明：本技术 导电石墨烯聚合物补片及其制备方法 (Conductive graphene polymer patch and preparation method thereof ) 是由 狄亚楠 许杉杉 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明属于生物医药材料技术领域,具体涉及导电石墨烯聚合物补片及其制备方法。本发明利用具有生物相容性、生物降解性、有效的弹性体性能、高伸长率、无毒的聚己内酯与壳聚糖共混改善其力学性能和电可纺性,并与聚吡咯共混得到一种具有可生物降解、良好导电性能、药物传递能力的高亲水性纤维支架,同时加入的肝素可以抑制血管(VSMCs)的增殖。此外,本发明中的石墨烯聚合物纤维结构的机械和电学性能是非常可控的,当改变混合物中的石墨烯时,这些性能是可以改变的,此结构还可引导心肌细胞分化进而刺激心脏组织修复。(The invention belongs to the technical field of biomedical materials, and particularly relates to a conductive graphene polymer patch and a preparation method thereof. The invention utilizes the blending of polycaprolactone and chitosan with biocompatibility, biodegradability, effective elastomer performance, high elongation and no toxicity to improve the mechanical property and the electric spinnability of the polycaprolactone and the chitosan, and blends the polycaprolactone and the chitosan with polypyrrole to obtain a high-hydrophilicity fibrous scaffold with biodegradability, good electric conductivity and drug delivery capability, and the added heparin can inhibit the proliferation of blood Vessels (VSMCs). In addition, the mechanical and electrical properties of the graphene polymer fiber structure in the present invention are very controllable, and when the graphene in the mixture is changed, the properties can be changed, and the structure can guide the differentiation of myocardial cells to stimulate the repair of heart tissues.)
技术领域
本发明属于生物医药材料技术领域，具体涉及导电石墨烯聚合物补片及其制备方法。
背景技术
心肌梗死(MI)是全世界的死亡原因其中的主导疾病之一，心肌梗死的并发症可导致非传导性纤维瘢痕组织的形成。所以在组织工程上，旨在开发一个可行的替代途径的器官和组织移植。功能心脏补片被认为是修复受损心脏组织的一种有前景的方法。在这个概念中，补片促进细胞与基质的相互作用，导致功能性组织的形成。但使用的心脏补片结构应提供物理支持，才能与细胞紧密互动，触发必要的生理过程，有能力增殖细胞(即细胞组装)，并将细胞转变为功能单位。
壳聚糖具有多种特性，包括生物相容性，生物降解性，亲水性和抗菌活性。然而，这种聚合物缺乏合适的机械性能以及电纺性困难。聚己内酯(PCL)具有生物相容性，生物降解性，有效的弹性体性能，高伸长率，无毒的性质，能有效改善聚合物的机械性能。含有聚己内酯(PCL)和壳聚糖聚合基质的聚吡咯薄膜在心脏组织工程中可提供良好的导电性。肝素在体内和体外都可以抑制血管(VSMCs)的增殖。通过局部给药肝素到受伤的心脏组织和消除全身给药并发症，可以防止骨髓增殖反应。肝素能有效地减少损伤血管外膜的狭窄。
心脏补片可以为心肌梗死(MI)的干细胞治疗创造一个平台，允许梗死区域的再生。心脏补片可以由生物相容性的天然或合成聚合物制成，如胶原蛋白、纤维蛋白、聚氨酯、聚乙二醇海藻酸盐、壳聚糖和聚甘油癸二酸酯。然而，理想的心脏补片的关键特征应包括电、机械和纳米纤维结构，以接近模仿天然心脏组织。心脏组织工程方法结合干细胞来源和微环境因素，通常包括化学、电和机械因素，显著影响前体细胞的增殖和向心肌细胞的分化。这反过来又会影响它们天生自发的收缩活动，而收缩活动不可避免地会影响它们的体内功能。聚吡咯具有良好的生物相容性，在电刺激下导电聚合物可以调节细胞的贴附、迁移、蛋白质的分泌与DNA的合成等过程，使其在生物医学领域有着广泛的应用前景，可用于创建生物相容性和导电结构的组织模拟。
基于上述知识，亟需开发新型的生物相容性和生物可降解的补片，以此作为体外模型改善胚胎干细胞的心脏分化，为心脏修复领域的提供了一个有效的平台。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明的目的是结合材料学最新进展，应用导电成分的石墨烯纳米薄片和导电聚吡咯(PPy)的聚合物体，开发一种新的生物聚合物补片，以及上述聚合物补片的制备方法。
本发明提供的导电石墨烯聚合物补片的制备方法，具体技术方案如下：
导电石墨烯聚合物补片的制备方法，包括如下步骤：
S1，将吡咯单体悬浮液与pTS掺杂剂溶液混合，获得混合物；将氧化剂添加到所述混合物中，保持30min，再搅拌进行聚合，并过滤、洗涤和干燥，获得聚吡咯；
S2，将多层石墨烯纳米片分散在蒸馏水中，得到石墨烯溶液，将氯乙酸粉末和氢氧化钠片剂添加到石墨烯溶液中搅拌，使多余固体全部溶解，再超声处理，获得功能化石墨烯；
S3，将步骤S2中的功能化石墨烯及肝素粉分散在丙酮中，再加入甲酸，获得功能化石墨烯-肝素复合溶液；
S4，将聚己内酯、壳聚糖和步骤S1中的聚吡咯进行混合，获得聚己内酯/壳聚糖/聚吡咯共混物；
S5，将步骤S3中的功能化石墨烯-肝素复合溶液与步骤S4中的聚己内酯/壳聚糖/聚吡咯共混物共混搅拌，得到悬浮液，将所述悬浮液通过注射器内，并与注射泵相接，然后进行静电纺丝反应，获得导电石墨烯聚合物补片。
在某些实施方式中，在步骤S1中，在步骤S1中，所述吡咯单体悬浮液的浓度为0.1M，所述吡咯单体悬浮液与pTS掺杂剂溶液按照吡咯单体和pTS掺杂剂1:1的质量比进行混合；所述氧化剂为浓度是0.1M的FeCl3，所述氧化剂按照吡咯单体和氧化剂1:2.4的质量比添加到所述混合物；所述搅拌的时间为4-6h。
在某些实施方式中，在步骤S2中，所述多层石墨烯纳米片的直径小于40nm，所述石墨烯溶液的质量浓度为1mg/ml；所述氯乙酸粉末和氢氧化钠片剂的质量比为1:2；所述超声处理的时间为3-5h。
在某些实施方式中，在步骤S3中，在步骤S3中，所述功能化石墨烯在所述功能化石墨烯-肝素复合溶液中的浓度为1M；所述肝素在所述功能化石墨烯-肝素复合溶液中的质量浓度1.0-2.0mg/ml。
在某些实施方式中，在步骤S4中，在步骤S3中，所述甲酸与所述丙酮的比例为7:3。
在某些实施方式中，在步骤S4中，所述聚己内酯的分子量为80000Da，所述壳聚糖的分子量为200000-310000Da；聚己内酯、壳聚糖和聚吡咯在所述聚己内酯/壳聚糖/聚吡咯共混物中的浓度是。
在某些实施方式中，在步骤S5中，所述功能化石墨烯相对于所述聚己内酯/壳聚糖/聚吡咯共混物的质量百分比为0.1％-3.0％，所述共混搅拌的时间为2.5-3.5h。
在某些实施方式中，在步骤S5中，所述静电纺丝反应的纺丝电压为8-20KV，推进速度为2-10mL/h，接收距离为10-20cm，反应室温为20-25℃，相对湿度为40-50％。
本发明还提供了根据上述的方法制备的导电石墨烯聚合物补片。
本发明具有以下有益效果：1、本发明利用具有生物相容性、生物降解性、有效的弹性体性能、高伸长率、无毒的聚己内酯与壳聚糖共混改善其力学性能和电可纺性，并与聚吡咯共混得到一种具有可生物降解、良好导电性能、药物传递能力的高亲水性纤维支架，同时加入的肝素可以抑制血管(VSMCs)的增殖。
2、本发明中的石墨烯聚合物纤维结构的机械和电学性能是非常可控的，当改变混合物中的石墨烯时，这些性能是可以改变的，此结构还可引导心肌细胞分化进而刺激心脏组织修复。
附图说明
图1是本发明提供的导电石墨烯聚合物补片的制备方法的流程图；
图2是本发明提供的导电石墨烯聚合物补片中石墨烯的重量百分比为0的SEM图；
图3是本发明提供的导电石墨烯聚合物补片中石墨烯的重量百分比为0.5wt％的SEM图；
图4是本发明提供的导电石墨烯聚合物补片中石墨烯的重量百分比为1.5wt％的SEM图；
图5是本发明提供的导电石墨烯聚合物补片中石墨烯的重量百分比为2.5wt％的SEM图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图1，对本发明进一步详细说明。
实施例1
本实施例提供的导电石墨烯聚合物补片的制备方法，具体技术方案如下：
导电石墨烯聚合物补片的制备方法，包括如下步骤：
S1，将浓度为0.1M的吡咯单体悬浮液与pTS掺杂剂溶液按照吡咯单体和pTS掺杂剂1:1的质量比进行混合，获得混合物；将0.1M的FeCl3按照吡咯单体和氧化剂1:2.4的质量比添加到所述混合物中，保持30min，再搅拌4h进行聚合，并过滤、洗涤和干燥，获得聚吡咯。本步骤中的所有溶液均使用纯净水，所有化学合成均选择5℃的温度。
S2，将直径小于40nm的多层石墨烯纳米片分散在蒸馏水中，得到浓度为1mg/ml石墨烯溶液，将氯乙酸粉末和氢氧化钠片按照质量比为1:2剂添加到石墨烯溶液中搅拌，使多余固体全部溶解，再超声处理4h，获得功能化石墨烯。
S3，将步骤S2中的功能化石墨烯及肝素粉分散在丙酮中，再加入甲酸，获得功能化石墨烯-肝素复合溶液。其中，甲酸与丙酮的比例为7:3，功能化石墨烯在功能化石墨烯-肝素复合溶液中的浓度为1M；肝素在功能化石墨烯-肝素复合溶液中的质量浓度2.0mg/ml。
S4，将聚己内酯(分子量为80000Da)、壳聚糖(分子量为200000Da)和步骤S1中的聚吡咯按重量比7:3:7.5混合，获得聚己内酯/壳聚糖/聚吡咯共混物。
S5，将步骤S3中的功能化石墨烯-肝素复合溶液与步骤S4中的聚己内酯/壳聚糖/聚吡咯共混物共混搅拌2.5h，得到悬浮液，其中功能化石墨烯相对于聚己内酯/壳聚糖/聚吡咯共混物的质量百分比为0.5％。将所述悬浮液通过21-G不锈钢针注入10mL注射器内，并与注射泵相接，然后进行静电纺丝反应(静电纺丝反应的纺丝电压为10KV，推进速度为5mL/h，接收距离为15cm，反应室温为23±2℃，相对湿度为45±5％)，获得导电石墨烯聚合物补片。
本实施例还提供了根据上述的方法制备的导电石墨烯聚合物补片。
实施例2
本实施例提供的导电石墨烯聚合物补片的制备方法，具体技术方案如下：
导电石墨烯聚合物补片的制备方法，包括如下步骤：
S1，将浓度为0.1M的吡咯单体悬浮液与pTS掺杂剂溶液按照吡咯单体和pTS掺杂剂1:1的质量比进行混合，获得混合物；将0.1M的FeCl3按照吡咯单体和氧化剂1:2.4的质量比添加到所述混合物中，保持30min，再搅拌5h进行聚合，并过滤、洗涤和干燥，获得聚吡咯。
S2，将直径小于40nm的多层石墨烯纳米片分散在蒸馏水中，得到浓度为1mg/ml石墨烯溶液，将氯乙酸粉末和氢氧化钠片按照质量比为1:2剂添加到石墨烯溶液中搅拌，使多余固体全部溶解，再超声处理4h，获得功能化石墨烯。
S3，将步骤S2中的功能化石墨烯及肝素粉分散在丙酮中，再加入甲酸，获得功能化石墨烯-肝素复合溶液。其中，甲酸与丙酮的比例为7:3，功能化石墨烯在功能化石墨烯-肝素复合溶液中的浓度为1M；肝素在功能化石墨烯-肝素复合溶液中的质量浓度1.0mg/ml。
S4，将聚己内酯(分子量为80000Da)、壳聚糖(分子量为310000Da)和步骤S1中的聚吡咯按重量比5:3:5.5混合，获得聚己内酯/壳聚糖/聚吡咯共混物。
S5，将步骤S3中的功能化石墨烯-肝素复合溶液与步骤S4中的聚己内酯/壳聚糖/聚吡咯共混物共混搅拌3.5h，得到悬浮液，其中功能化石墨烯相对于聚己内酯/壳聚糖/聚吡咯共混物的质量百分比为0.15％。将所述悬浮液通过注射器内，并与注射泵相接，然后进行静电纺丝反应(静电纺丝反应的纺丝电压为12KV，推进速度为2mL/h，接收距离为10cm，反应室温为20-25℃，相对湿度为40-50％)，获得导电石墨烯聚合物补片。
本实施例还提供了根据上述的方法制备的导电石墨烯聚合物补片。
实施例3
本实施例提供的导电石墨烯聚合物补片的制备方法，具体技术方案如下：
导电石墨烯聚合物补片的制备方法，包括如下步骤：
S1，将浓度为0.1M的吡咯单体悬浮液与pTS掺杂剂溶液按照吡咯单体和pTS掺杂剂1:1的质量比进行混合，获得混合物；将0.1M的FeCl3按照吡咯单体和氧化剂1:2.4的质量比添加到所述混合物中，保持60min，再搅拌6h进行聚合，并过滤、洗涤和干燥，获得聚吡咯。
S2，将直径小于40nm的多层石墨烯纳米片分散在蒸馏水中，得到浓度为1mg/ml石墨烯溶液，将氯乙酸粉末和氢氧化钠片按照质量比为1:2剂添加到石墨烯溶液中搅拌，使多余固体全部溶解，再超声处理5h，获得功能化石墨烯。
S3，将步骤S2中的功能化石墨烯及肝素粉分散在丙酮中，再加入甲酸，获得功能化石墨烯-肝素复合溶液。其中，甲酸与丙酮的比例为7:3，功能化石墨烯在功能化石墨烯-肝素复合溶液中的浓度为1M；肝素在功能化石墨烯-肝素复合溶液中的质量浓度1.5mg/ml。
S4，将聚己内酯(分子量为80000Da)、壳聚糖(分子量为250000Da)和步骤S1中的聚吡咯按重量比10:3:8.5混合，获得聚己内酯/壳聚糖/聚吡咯共混物。
S5，将步骤S3中的功能化石墨烯-肝素复合溶液与步骤S4中的聚己内酯/壳聚糖/聚吡咯共混物共混搅拌3h，得到悬浮液，其中功能化石墨烯相对于聚己内酯/壳聚糖/聚吡咯共混物的质量百分比为0.1％-3.0％。将所述悬浮液通过注射器内，并与注射泵相接，然后进行静电纺丝反应(静电纺丝反应的纺丝电压为20KV，推进速度为10mL/h，，接收距离为205cm，反应室温为23±2℃，相对湿度为45±5％)，获得导电石墨烯聚合物补片。
本实施例还提供了根据上述的方法制备的导电石墨烯聚合物补片。
综上所述，本发明提供的导电石墨烯聚合物补片(PCPG)纳米纤维结构的力学性能在32±1～98±1Pa范围内显示出高度可调弹性，这是模拟原生心肌硬度(～20-100kpa)，弹性模量也随着石墨烯浓度的增加而增加。PCPG在石墨烯含量为0、0.5、1.5、2.5wt％对应的结构图如图2-5的电镜图所示。PCPG在石墨烯含量为0.5、1.5、2.5wt％的弹性模量为分别为0.032+0.001、0.053+0.001、0.098+0.001MPa。上述导电石墨烯聚合物补片(PCPG)纳米纤维结构的电导率随着石墨烯的的浓度增加而增加0.5、1.5和2.5％wt％时，纤维的电导率为1.12+0.045、1.606+0.046和5.33±1.16S cm-1。肝素在体内半衰期短。因此，为了可控地避免出血并发症，经常在受伤部位进行持续释放是首选。在受伤后的最初几周，VSMC增殖处于最高水平。根据受伤的严重程度，可能还会持续10-28天。对电纺负载的PCPG中石墨烯含量2.5wt％纤维结构进行了240小时的肝素释放研究。在前24小时内，纤维结构释放2％的肝素。在PBS中浸泡240小时后，纤维结构共释放出16％的肝素。是因为纤维结构中，除了分子间力之外，石墨烯中的的羧基与肝素之间的氢键结合更强，释放谱更一致，更有针对性，也说明此纤维结构中的肝素释放缓慢且可控。血管修复需要肝素持续释放至少240小时。肝素的突然释放对避免骨髓增殖反应是有益的，因此肝素治疗比损伤时延迟给药更有效。此外，肝素在此纤维结构中会减少血小板粘附，血小板粘附、扩散和聚集，会导致血栓形成。血小板粘附性被用来评估心脏瓣膜的血液相容性。此负载肝素的纤维结构中几乎无血小板聚集现象。
上述仅本发明较佳可行实施例，并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的技术人员，在本发明的实质范围内，所作出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。
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