低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管及其製備方法與應用的製作方法

2023-06-11 20:29:26 3

專利名稱：低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管及其製備方法與應用的製作方法
技術領域：
本發明屬於納米材料在生物醫用材料中應用的新型學科領域。涉及使用化學氣相沉積系統(CVD)生長多壁碳納米管(MWCNTs)；特別是利用高真空離子束輔助沉積系統 (IBAD)產生低能氮離子束轟擊製備的MWCNTs，以達到改善MWCNTs生物相容性的新技術。
背景技術：
碳是自然界裡存在最豐富的元素之一，以人體為例，碳元素約佔人體總重量的18% 左右。同時，碳也是自然界中性質最為獨特的元素，它能以不同的成鍵方式形成結構和性質迥異的同素異形體(石墨和金剛石)。1991年，碳材料的一維形式——碳納米管的發現，為碳家族的研究注入了新的活力。十餘年的時間裡，碳納米科技已蓬勃發展成為一門多學科交叉的、基礎研究和應用研究緊密聯繫的新型學科。隨著實驗室手段和技術的提高，在納米尺度內控制碳材料的結構從而控制材料的性質成為可能，在此基礎上與生命科學形成良好的配合和互動，使得碳納米科技為生物研究提供新的材料和方法。原始狀態下碳納米管是成千上萬個處於芳香不定域系統中的碳原子組成的大分子，以團聚的方式存在，其化學穩定性高，一般不溶於任何溶劑，且在溶液中「易聚集成團」，妨礙了對其進行分子水平研究及操作應用，也難於將它納入生物體系，大大限制了碳納米管在生物學方面的應用。為利用碳納米管的優異的性能，對碳納米管進行表面修飾是非常必要的。在特定條件下，碳納米管表面存在一些晶格缺陷，特別是多壁碳納米管，在合成過程中可以捕獲多個缺陷，通過這些缺陷可以在碳納米管表面引入某些具有反應活性官能團，達到對碳納米管進行化學修飾的目的。表面處理技術(如氣相沉積、電鍍、等離子噴塗、 離子注入等)代價小、耗時少，在製備和修飾綜合性能良好的生物醫用材料方面優勢顯著。 其中，低能離子束轟擊技術可以將帶電離子經電場加速後，轟擊固體材料表面，從而引起材料表層成分和結構的改變，導致原子環境和電子組態等微觀狀態的改變，改善材料表面性能。將低能離子束轟擊技術用於碳納米管材料表面改性，以達到改善納米管材料生物相容性的研究目前尚未見文獻報導。

發明內容
本發明的一個目的在於首先公開了使用低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管。本發明的另一個目的在於公開了低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管的製備方法。本發明的再一個目的在於公開了低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管在提高多壁碳納米管材料親水性方面的應用，以及作為具有細胞相容性的組織支架材料以及與血液相接觸的材料方面的應用。為實現上述目的，本發明提供了如下的技術內容
低能氮離子束轟擊的有多壁碳納米管，其特徵在於它是由在預先噴塗的多壁碳納米管基片上轟擊低能氮離子束組成；其中轟擊氮離子的束流為5-25 mA，本底真空 1. 9X 10_4-2. OX 10_4 Pa ；轟擊能量為200 eV ；所述低能氮離子的原子百分數為7. 8%_9. 3%。
本發明所述低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管，其中的多壁碳納米管為粉末狀， 可可以噴塗在二氧化矽片或碳片基片為襯底的基片上。本發明的多壁碳納米管(純度90%，直徑10-20nm，長度5_15 μ m)，按比例與十二烷基硫酸鈉(SDS)混合後溶解在蒸餾水中，噴塗於預先燒制了碳層的二氧化矽(SiO2) 基片上，基片直徑15 mm，厚度0.5 mm。本發明進一步公開了低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管的製備方法，其特徵在於使用考夫曼離子槍對預先噴塗多壁碳納米管的基片，採用純度99. 99%氮源進行低能氮離子束轟擊；其中本底真空1.9X10_4-2.0X10_4 Pa，氮氣流量保持在4.0 sccm ；轟擊過程中總的工作氣壓保持在1.2X10_2-1.3X10_2 1 之間，轟擊能量為200 eV ；通過控制輔助槍束流(5-25mA)在多壁碳納米管(MWCNTS)上注入N元素。
本發明的氮轟擊方法，是利用高真空離子束輔助沉積系統(IBAD)，將樣品9放置在真空室內可旋轉水冷樣品臺8上。泵抽系統由機械泵和分子泵1完成，氣壓值由電離規管來測量，本底真空1.9X10—4 2.0X10—4 Pa，轟擊氣體選用純N2 (純度為99. 99%)，N2經進氣口 6 (5.低能輔助轟擊源)進入真空室，用質量流量控制器控制其流量保持在4.0 sccm;轟擊過程中總的工作氣壓保持1.2X10—2 Pa 1.3X10-2 1 之間。轟擊能量為200 eV。通過改變輔助槍的束流(5 25 mA)在MWCNTs上注入N元素(詳見

圖11)。本發明對低能氮離子束轟擊製備的多壁碳納米管和未經低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管樣品進行了掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)和X射線衍射(XPS)結構分析及比較。採用CAM KSV021733接觸角測量儀對表面改性前後的多壁碳納米管材料的親水性進行測量。圖1為低能氮離子束轟擊製備的多壁碳納米管和未經低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管SEM照片，通過此圖可以直觀觀察到材料的表面形貌，經低能氮離子束轟擊後材料表面更加平整；圖2是低能氮離子束轟擊製備的多壁碳納米管和未經低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管HRTEM圖片，該圖顯示了多壁碳納米管典型的中空管狀結構，以及低能氮離子束轟擊後多壁碳納米管的形態；圖3和表1揭示了低能氮離子束轟擊製備的多壁碳納米管和未經低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管C、N元素的含量以及鍵價結構；圖4顯示了低能氮離子束轟擊製備的多壁碳納米管和未經低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管樣品的水接觸角，證明經低能氮離子束轟擊後，多壁碳納米管材料的親水性能有明顯改善。表1低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管和未經低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管中C、N原子百分含量(％)和結合能(eV)
材料Cu未經低能氮離子束$擊的多壁碳納米管99.44% 288.16 e￥0.56% 400.10 e 低能氮寓子束轟擊的多壁碓納米管92.19% 288.16 eV7.81% 399.38 eV91.84% 288.16 e 8.16% 399.79 eV90.72% 288.16 eV9.28% 399.81 eV
本發明進一步公開了低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管在製備提高MWCNTs材料親水
性方面的應用。同時也公開了低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管在製備作為具有細胞相容性的組織支架材料以及與血液相接觸的材料方面的應用。成纖維細胞株和血管內皮細胞株常用於材料細胞相容性的檢測。因此，我們採用小鼠的成纖維細胞(L929)和人的內皮細胞(EAHY926)做細胞粘附和生長實驗。從圖4中可以看出，對照組和樣品組在第1到5天之間，粘附於材料(轟擊後的MWCNTs)表面的小鼠成纖維細胞數目逐漸增加，雖然5天後材料表面的細胞數目逐漸減少，說明成纖維細胞密度達到一定程度後進入了衰退期，但是整個培養周期內，成纖維細胞在低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管表面的生長情況明顯好於在未經低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管表面。且含氮量最高(9.觀％)的低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管表面成纖維細胞數目從第3天起就遠超過了對照組。圖5中可以看出，5天後對照組表面的人血管內皮細胞數目逐漸減少， 但低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管表面的內皮細胞仍表現出旺盛的增長趨勢，在整個培養過程中低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管都顯示出遠超於未經低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管材料的細胞粘附與生長能力，並且隨著氮含量的升高細胞相容性越好。圖7和圖8的SEM結果顯示低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管比未經低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管材料相比，與小鼠成纖維細胞、人內皮細胞具有更好的結合能力，呈現出典型的三角狀細胞形態、偽足伸長、貼壁情況更好。這進一步證明了由於N元素的存在，促使低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管具有更好的細胞相容性。這說明該材料在組織支架等領域有著廣闊的研究、應用前景。本發明更進一步公開了低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管的血液相容性，其中包括溶血、血小板粘附和動態凝血時間三個實驗。顯示出該材料在與血液相接觸的材料領域有著良好的應用前景。材料的血液相容性評價是材料生物學評價的重要組成部分，是最常用的粗篩試驗，也被認為是細胞毒性評價的一個補充試驗。溶血實驗的機理在於紅細胞破壞之後會造成血紅蛋白的釋放，血紅蛋白四方量的多少能通過分光光度計測定的OD值反應出來，材料溶血率在5%以下為符合要求，可以認為沒有溶血作用。本發明的溶血試驗中樣品組和對照組吸光度均取3支試管的平均值。使用低能氮離子束轟擊製備的多壁碳納米管和未經低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管作為樣品組。分別用生理鹽水和蒸餾水做陰性對照和陽性對照。作為陰性對照組的生理鹽水和新鮮的抗凝血作用後，在離心管底部是完好的紅細胞，上部是澄清的液體，而陽性對照組的紅細胞由於受到破壞而通過破損的細胞膜釋放出血紅蛋白形成了紅色的、半透明的液體。兩種樣品材料的溶血測試結果良好，和陰性組的情況基本一致，祥見表2。表2材料的溶血率表材料OD值1OD .爐 2OD值3平均OD值溶血率NS0.0130.0270.0300.023------HiO1.0201.1391.0251.061----MffCHTs0.0120.0040.0310.0160%氮含量為7.81%的MfClTs0.0220.0210.0270.0230%氮含量為8,6 的IWCITs0.0060.0210.0290.0190%氮含量為9. 2 的MCllTs0.0200.0120.0260.0190%
可以看出低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管樣品溶血率均小於標準值5%，則可認為材料良好，沒有溶血性，對紅細胞沒有破壞。
溶血率應桉下式計算式中A-樣品組的吸光度，B-陰性對照組的吸光度，C-陽性對照組的吸光度。血小板粘附於表面並聚集成血栓子以減少出血，過形成血小板栓抑制流血，通過催化凝血反應使血小板栓穩定，導致血栓，血小板粘附試驗是評價生物材料抗凝血性能的方法之一；
血小板黏附_%》-^^ χ 1130% A
式中A-抗凝血中的血小板數；B-與材料作用完之後的抗凝血中的血小板數。甲基矽油是一種抗凝血性能較好的材料，而玻璃球是抗凝血能力就很差，因此本發明就分別以它們作為陰、陽性參照物。與正常對照計數算出樣品血小板的粘附率。表3為樣品表面粘附血小板數及血小板粘附率的計算結果，可以看出經過低能氮離子束轟擊的多壁納米管材料的血小板粘附率雖較未經低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管材料略有升高，但均低於陽性對照組。並且隨著氮含量的升高血小板粘附率變低。說明多壁碳納米管材料經低能氮離子束轟擊後可以抑制了血小板在材料表面的粘附和血栓的形成。掃描電鏡結果(圖9)顯示血小板在低能氮離子束轟擊後的多壁碳納米管表面更為分散，紅細胞形態無變形，與實驗過程中看到納米管接觸血液初期基本不吸附的現象一致。表3材料表面的血小板粘附率
權利要求
1.低能氮離子束轟擊的有多壁碳納米管，其特徵在於它是由在預先噴塗的多壁碳納米管基片上轟擊低能氮離子束組成；其中轟擊氮離子的束流為5-25 mA，本底真空 1. 9X 10_4-2. OX 10_4 Pa ；轟擊能量為200 eV ；所述低能氮離子的原子百分數為7. 8%_9. 3%。
2.權利要求1所述低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管，其中的多壁碳納米管為粉末狀，可以噴塗在二氧化矽片或碳片為襯底的基片上。
3.低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管的製備方法，其特徵在於使用考夫曼離子槍對預先噴塗多壁碳納米管的基片，採用純度99. 99%氮源進行低能氮離子束轟擊；其中本底真空1. 9X 10_4-2. OX 10_4 Pa，氮氣流量保持在4. 0 sccm ；轟擊過程中總的工作氣壓保持在 1.2X10_2-1.3X10_2 1 之間，轟擊能量為200 eV ；通過控制輔助槍束流(5_25mA)在多壁碳納米管上注入N元素。
4.權利要求1所述低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管在提高多壁碳納米管材料親水性方面的應用。
5.權利要求1所述低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管作為具有細胞相容性的組織支架材料以及與血液相接觸的材料方面的應用。
全文摘要
本發明涉及低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管，它是由在預先噴塗的多壁碳納米管基片上轟擊低能氮離子束組成；其中轟擊氮離子的束流為5-25mA，本底真空1.9×10-4-2.0×10-4Pa；轟擊能量為200eV；所述低能氮離子的原子百分數為7.8%-9.3%。本發明進一步公開了低能氮離子束轟擊的多壁碳納米管在提高多壁碳納米管材料親水性方面的應用，以及作為具有細胞相容性的組織支架材料以及與血液相接觸的材料方面的應用。
文檔編號A61L33/02GK102424378SQ201110276298
公開日2012年4月25日 申請日期2011年9月19日 優先權日2011年9月19日
發明者劉孟寅, 嶽玉琛, 李德軍, 董磊, 趙夢鯉 申請人:天津師範大學