[发明专利]生物相容性定向碳纳米管阵列增强复合水凝胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及生物医用材料领域，特别涉及定向碳纳米管阵列增强复合水凝胶的制 备。

背景技术

水凝胶是能够在水中溶胀并保持大量水分而又不能溶解的交联聚合物。它们在水 中可迅速溶胀至平衡体积，仍能保持其形状和三维空间网络结构，并在一定条件下脱 水退溶胀，是一类集吸水、保水、缓释于一体的功能高分子材料。由于交联网络中含 有大量水分，水凝胶与生物组织极其相似，其柔软、润湿的表面以及与组织的亲和性 大大减少了材料对周围组织的刺激，使得水凝胶具有良好的生物相容性和组织相容 性。因此，水凝胶在生物医学方面的用途非常广泛，可作为微生物固定载体、药物缓 释剂、接触眼镜、人工血浆、人造皮肤、组织工程支架材料等。

碳纳米管是由单层或多层六元碳环石墨层弯曲形成的密闭的纳米管体，管的两端 各为类似半个富勒烯分子的半球状封端，长径比一般大于1000。由于碳纳米管具有封 闭的结构，因此它所具有的轴向强度和弹性模量极高，比钢的强度高100多倍，理论 杨氏模量可高达1.8×10¹²Pa，而比重只有钢的1/6～1/7，是目前具有最高比强度的材 料。碳纳米管具有一般纳米材料所具有的表面效应、小尺寸效应等基本效应，并具有 优异的力学、电学、光学、磁学、热学等性能，非常适合用作其他物质的增强材料。 更为重要的是其耐酸、耐碱、耐高温，具有较高的化学稳定性和良好的生物相容性， 这对于碳纳米管作为生物医用材料，应用于人体内环境是很有利的。

通过制备碳纳米管增强复合水凝胶，可在保持水凝胶良好生物相容性的同时，大 大改善其力学性能和电学性能，获得性能优异的生物医用材料，扩大水凝胶在药物释 放载体、各种软/硬组织再生修复以及组织工程器官培养等方面的应用。

碳纳米管具有表面效应和体积效应，其颗粒小，比表面积大，管间具有很强的范 德华力，很容易形成团聚体，因而在与聚合物的复合过程中常常出现团聚现象，与聚 合物结合不紧密，从而影响了碳纳米管在基体中的增强效果和性能的发挥。现有的碳 纳米管化学改性和纯化处理技术均未能有效解决这一难题。而在许多重要的应用场 合，需要超长、连续的碳纳米管长丝和厘米级面积的定向碳纳米管膜，才能充分发挥 碳纳米管独特的力学、电学、热学等性能。另外，定向碳纳米管增强水凝胶复合材料 的制备方法及其在生物医用领域的应用至今还未见文献报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种生物相容性定向碳纳米管阵列增强复合水凝胶的制备 方法，使制备出的定向碳纳米管阵列增强复合水凝胶在保持水凝胶固有的生物相容性 和组织相容性的同时，提高其力学性能和电学性能，并可根据使用要求对上述性能进 行调控。

本发明采用化学气相沉积(CVD)技术、辐射交联技术和冷冻解冻法制备定向碳 纳米管阵列增强复合水凝胶。工艺步骤如下：

步骤一：制备定向碳纳米管阵列

采用化学气相沉积(CVD)技术制备定向碳纳米管阵列。采用电阻炉加热，用石 英玻璃管作为反应器。以石英玻璃片作为定向碳纳米管的生长基底，搭载于石英舟上， 置于反应室中间。碳源、催化剂和载体气(氢气和氩气)从石英管的一端引入，尾气 从另一端排出。碳源为一氧化碳或碳氢化合物如甲烷、乙烷、乙烯、丙烯等，用质量 流量计控制阀控制碳源的流量。若使用负载型催化剂需预先将催化剂涂到基底上；若 使用漂浮催化剂，则需要一个喷射系统(如精密流量泵)将气化的催化剂注射到碳源 气流中。通常定向碳纳米管的生长方法是先用氩气或其他惰性气体清洗反应器至反应 器达到反应温度，然后将气体切换成碳源，直到定向碳纳米管阵列生长完毕后将气体 切换回惰性气体并冷却至室温，取出样品。用这种方法制备出的碳纳米管一般为多壁 碳纳米管(外径范围5～100nm)，碳纳米管的生长长度取决于碳源的供应，甚至其 生长长度可达到6mm。

步骤二：制备高分子溶胶

将分析纯的高分子聚合物加入二次蒸馏水中，配制成高分子聚合物质量分数为 5～40％的水溶液，在50～95℃恒温水浴中搅拌至固体聚合物均匀溶解，或者放入压 力蒸汽容器中加热溶解，容器内压力维持在0.08～0.12MPa，温度为100～120℃，加 热时间0.5～2小时。最后，将溶解均匀的高分子溶胶在室温中静置冷却，至气泡排尽。