[发明专利]氮离子注入的三维自组装石墨烯的制备方法及其应用

说明书

本发明得到国家自然科学基金资助项目(51272176)；国家高技术研究发展计划项(863，No. SS2015AA030802)；国家重大科学研究计划资助项目(2012CB933600)的资助。

技术领域

 本发明属于离子修饰的三维石墨烯在生物医用材料中应用的新型学科领域。涉及使用离子注入机将氮离子注入三维自组装石墨烯表面，以达到使其作为组织支架材料应用于生物医学领域的新技术。

背景技术

石墨烯是一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，仅有几个至几十个碳原子厚度的二维材料。三维石墨烯作为二维石墨烯材料的宏观体，由二维石墨烯堆叠形成。三维石墨烯在2009年由Vickery和Wang两个团队分别独立完成制备。目前常用的三维石墨烯制备方法分为自组装法与模板法两类。本发明选用水热合成自组装法，利用氧化石墨烯O离子与水中的H离子之间的离子力及范德华力形成微米级孔洞，搭建三维石墨烯宏观体。

自三维石墨烯问世以来，它巨大的比表面积、微米级的孔洞结构、良好的机械、电性能即受到科学界的追捧。但对它的应用研究，目前则主要集中在以储能材料为代表的电化学领域，鲜有研究涉及其生物学性能。而使用离子注入技术对其进行表面活性修饰，并将这一复合材料应用于以组织支架为代表的生物医学领域则未见报道。

本发明利用三维自组装石墨烯在结构上具有丰富孔隙的优势，为细胞生长与增殖提供丰富的立体空间；又通过离子注入方式引入氮离子这一生物活性基团，在生物性能角度克服了石墨烯疏水性、易团聚、生物相容性差的缺陷，使氮离子注入的三维自组装石墨烯具有良好的细胞相容性，为三维石墨烯的生物学应用提供了开创性引导。同时，三维自组装石墨烯是通过自组装成型的，体直径平均值为1.2 cm，高度平均值为1.7cm的固定形貌柱体直径。本发明提供了一种在不破坏其三维结构的条件下对其进行形貌加工的方法，改进后的氮离子注入三维自组装石墨烯有效拓展了三维石墨烯的应用领域。

表1自组装石墨烯和经氮离子注入的自组装石墨烯生物相容实验结果

 

发明内容

本发明的一个目的是首次公开了三维自组装石墨烯切片的制备方法。

本发明的另一个目的是公开了使用离子注入技术将氮离子成功引入三维自组装石墨烯的技术参数。

本发明的再一个目的是公开了氮离子注入的三维自组装石墨烯在生物材料领域的应用。

为实现上述目的，本发明提供了如下的技术内容：

一种氮离子注入的三维自组装石墨烯，其特征在于它的孔径大小范围在5～15 μm，2μm量级观察下可以看到明显的石墨烯片状结构。所述氮离子注入的三维自组装石墨烯的制备方法，其特征在于，按如下步骤进行：

(1)将湿态的三维自组装石墨烯直接切片，切片厚度2-3.2 mm；然后吸干表面水分在0℃以下冷冻12 h以上；最后在-40 ℃至-80℃，小于10 Pa的条件下冷冻干燥10-48 h；

(2)氮离子的注入密度为1×10¹⁶ - 1×10²⁰个/ cm²；离子能量为5-25keV；所述材料中N的百分数为0.6% - 4.24%。

本发明进一步公开了氮离子注入的三维自组装石墨烯在作为组织支架生物材料方面的应用，其中作为组织支架生物材料方面的应用指的是：在提高了小鼠成纤维细胞在材料表面的生长，提高了材料的亲水性和蛋白吸附，提高了材料的生物相容性的应用。

本发明更加详细的描述如下：

氮离子注入的三维自组装石墨烯，其特征在于在切片后的自组装石墨烯上注入氮离子；其中氮离子的注入密度分别为1×10¹⁶ 个/ cm², 1×10¹⁸个/ cm² 和1×10²⁰ 个/ cm²；离子能量为5-25 keV；所述材料中N的百分数为4.24%~0.6%。