羧基化氧化石墨烯的血液相容性

探究石墨烯及其衍生物在中医药中的应用钟鹏发布时间：2021-09-08T01:46:39.858Z 来源：《中国科技人才》2021年第14期作者：钟鹏[导读] 分析了石墨烯及其衍生物对中医药科研和临床应用的巨大推动作用，并对其在中医药领域的应用发展前景进行了展望。

陕西国际商贸学院摘要：本文对石墨烯及其衍生物在中医药领域中诊疗、药剂等方向的应用概况，分析了石墨烯及其衍生物对中医药科研和临床应用的巨大推动作用，并对其在中医药领域的应用发展前景进行了展望。

关键词：石墨烯；衍生物；中医药；应用生物医用材料是一类用于诊断、治疗、修复或替换人体组织和器官的新材料。

其与药物结合后有助于实现药物的功能，既是研究医疗器械和人工器官的基础，也是捍卫人类健康的必用之物。

石墨烯及其衍生物具有优异的性能，成为当前倍受医药研究者关注的生物医用材料。

这里，石墨烯是指单层石墨烯和多层石墨烯，而石墨烯衍生物是指氧化石墨烯和功能化石墨烯。

石墨烯及其衍生物具有很高的比表面积、较高的亲水性、优良的表面特性、殊的光学性能、较高的生物相容性、较低的细胞毒性，在电化学传感器和光学生物传感器、药物递送、光动力疗法和光热疗法、生物成像、组织工程材料和抗菌剂等方面均被广泛应用。

一、在中医诊疗中的应用1、在四诊之脉诊中的应用有效治疗的关键是探究疾病的症结，精准医疗与智能化医疗技术的发展，使现代西医能够借助精密仪器透视病灶、量化病症。

但是由于条件不具备，中医的先祖们只能对此憧憬，这在古代中国的史料和传说中常有体现。

在关于扁鹊的传说中就有“透视”的故事，称其身怀特异功能，可透视人的五脏六腑，借此对症下药。

迄今为止，中医已初步实现了诊疗智能化。

四诊——望、闻、问、切——是中医最主要的诊疗技术，注重对人体的微妙变化进行感知和收集。

而人工智能的应用，促使四诊向精细化、多元化和智能化方向发展。

面诊仪和舌诊仪之于望诊，空气动力学方法、频谱分析方法、声图仪方法、红外光谱和气相色谱法之于闻诊，中医专家系统之于问诊，B超、多普勒技术及相关技术集成和远程脉诊技术之于切诊。

氧化石墨烯作为抗肿瘤药物纳米载体的性能研究进展钟余特;赵立春;唐农;冷静;宋策;王雪;于培良【摘要】氧化石墨烯由于其特殊的理化性质现已在各种领域得到了广泛的应用.在肿瘤治疗方面,其常被用作抗肿瘤药物的载体.鉴于其表面丰富的修饰位点,可有目的性地对其表面结构进行改造与修饰以更好地发挥其载药与释药作用.本文综述了部分国内外对其结构改造方面的研究以及将其作为抗肿瘤药物载体的研究,旨在为今后进一步开发其在抗肿瘤方面的应用提供理论依据.【期刊名称】《世界中医药》【年(卷),期】2019(014)001【总页数】6页(P239-244)【关键词】氧化石墨烯;抗肿瘤;结构改造;分散性;血液相容性;细胞粘附性;细胞毒性;纳米载体【作者】钟余特;赵立春;唐农;冷静;宋策;王雪;于培良【作者单位】广西中医药大学药学院,南宁,530200;广西中医药大学药学院,南宁,530200;广西壮瑶药工程技术研究中心,南宁,530200;广西中医药大学药学院,南宁,530200;广西中医药大学药学院,南宁,530200;石墨烯生物医药技术研究院,南宁,530200;广西中医药大学药学院,南宁,530200;广西中医药大学药学院,南宁,530200【正文语种】中文【中图分类】R2-03石墨烯(Graphene)是一种由碳原子以Sp2杂化方式连接形成的蜂窝状碳结构物质，是目前世界上发现的最薄的新型纳米材料。

由于其具有良好的电学、力学、热学、光学及等特性而成为“新材料之王”，被誉为“黑金”[1]。

石墨烯性能优异、成本低廉，经过数十年的研究与发展，现已在新能源、复合材料以及生物医学等领域得到了应用[2]。

1 分类综述1.1 氧化石墨烯氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)是石墨烯的氧化物，不同原材料及不同方法制备所得的GO结构存在一定差异，故现今对其结构研究尚未很明确，但确定其同石墨烯一样具有六角形蜂巢层状结构，边缘多含有羧基，平面上主要有环氧基、酚羟基、内酯等含氧基团[3]。

㊀第41卷㊀第7期2022年7月中国材料进展MATERIALS CHINAVol.41㊀No.7Jul.2022收稿日期:2020-11-22㊀㊀修回日期:2021-02-21基金项目:国家重点研发计划项目(2017YFC0404001);国家自然科学基金资助项目(21978217,21706189,21676201)第一作者:叶㊀卉,女,1984年生,副教授,硕士生导师通讯作者:张玉忠,男,1963年生,教授,博士生导师,Email:zhangyz2004cn@DOI :10.7502/j.issn.1674-3962.202011030血液透析膜在血液相容性和毒素强化清除方面的研究进展叶㊀卉,侯笑洋,黄莉兰,安㊀珂,李㊀泓,张玉忠(天津工业大学材料科学与工程学院省部共建分离膜与膜过程国家重点实验室,天津300387)摘㊀要:慢性肾脏疾病患者体内内源性㊁外源性毒素的积累会加重肾脏负担甚至导致尿毒症,这些致病毒素被称为尿毒症毒素㊂血液透析是一种常见的终末期肾病治疗手段,可以清除血液中游离的小分子尿毒症毒素,但对中分子毒素和蛋白质结合化合物毒素的清除能力有限㊂血液透析膜材料的血液不相容往往会对患者健康造成影响,严重的会造成患者的病变甚至死亡㊂因此,改善血液透析膜的血液相容性和尿毒症毒素的强化清除成为了该领域的研究热点㊂传统改性方法中,通过膜表面亲水改性和表面带负电可以改善其血液相容性,在扩散基础上引入对流或吸附机制可以强化尿毒症毒素的清除㊂除传统改性方法外,一些新型血液透析膜也被开发用于改善血液透析膜的血液相容性以及尿毒症毒素的强化清除,如蛋白质仿生膜㊁纳米通道定向传输膜㊁三维模板多层纤维膜㊁抗凝生物膜以及自抗凝膜㊂介绍了血液透析膜在血液相容性和毒素强化清除方面的研究进展,为血液透析膜改性工作提供参考㊂关键词:血液透析膜;血液相容性;尿毒症毒素;中分子毒素;蛋白质结合化合物毒素中图分类号:R318.08㊀㊀文献标识码:A㊀㊀文章编号:1674-3962(2022)07-0520-05引用格式:叶卉,侯笑洋,黄莉兰,等.血液透析膜在血液相容性和毒素强化清除方面的研究进展[J].中国材料进展,2022,41(7):520-524.YE H,HOU X Y,HUANG L L,et al .A State of Art of Hemodialysis Membranes in Hemocompatibility and Enhanced Removal of Toxins[J].Materials China,2022,41(7):520-524.A State of Art of Hemodialysis Membranes in Hemocompatibility and Enhanced Removal of ToxinsYE Hui,HOU Xiaoyang,HUANG Lilan,AN Ke,LI Hong,ZHANG Yuzhong(State Key Laboratory of Separation Membranes and Membrane Processes,School of Material Science andEngineering,Tiangong University,Tianjin 300387,China)Abstract :Accumulation of endogenous and exogenous toxins in patients with chronic kidney disease will increase the bur-den on the kidneys and even lead to uremia.These substances are called uremic toxins.Hemodialysis is a common treatment for end-stage renal disease.This treatment can remove free small molecule uremic toxins in the blood,but it is limited to re-move middle molecular toxins and protein-binding compound toxins.Moreover,the blood incompatibility of hemodialysis mem-brane materials often affects the health of patients,and even cause disease or even death.Therefore,improving the hemocom-patibility of hemodialysis membranes and strengthening their elimination performance have become hotspots in this field.In tra-ditional modification methods,the hemocompatibility of hemodialysis membranes can be improved by hydrophilic modification and negative charge on the membrane surface,and the removal of uremia toxin can be enhanced by adding convection or ad-sorption mechanism on the basis of diffusion.Moreover,several novel hemodialysis membranes have also been developed to im-prove the biocompatibility and enhance removal of uremic toxins,such as protein bionic membranes,nanochannel directional transport membranes,3D template multilayer fiber membranes,anticoagulant membranes and self-anticoagulation membranes.This article introduces the research progress of hemodialysis membranes in terms of hemocompatibility and enhanced removal of toxins,which provides references for the modifi-cation of hemodialysis membranes.Key words :hemodialysis membrane;hemocompatibili-ty;uremic toxins;middle molecular toxin;protein-binding compound toxin㊀第7期叶㊀卉等:血液透析膜在血液相容性和毒素强化清除方面的研究进展1㊀前㊀言慢性肾脏疾病(chronic kidney disease,CKD)患者随着肾功能的下降,体内内源性和外源性毒素无法正常排出而在血液中积累,这些积累的毒素会影响各个组织或器官的功能,从而导致尿毒症综合症[1,2]㊂血液透析(hemodialysis,HD)是一种体外血液净化技术,是以半透膜分隔血液和透析液,以膜两侧毒素物质浓度差作为驱动力,通过扩散作用使小分子毒素(如尿素㊁肌酐等)进入透析液中,从而实现血液中毒素清除和多余水分过滤,其原理示意图如图1所示㊂血液透析膜是血液透析器的核心组件,在商用血液透析器中,由于纤维素膜血液相容性较低,已经被聚合物材料所取代,如聚砜(polysul-fone,PSF)㊁聚醚砜(polyethersulfone,PES)㊁聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA)㊁乙烯乙烯醇共聚物(ethylene vinyl alcohol,EVOH)和聚丙烯腈(polyacrylo-nitrile,PAN)[3-5]㊂目前,血液透析膜材料使用的合成聚合物中有93%来自聚砜家族,其中71%为PSF㊁22%为PES [6]㊂图1㊀血液透析原理示意图Fig.1㊀Schematic diagram of hemodialysis principle目前,血液透析膜材料主要存在两大问题:①血液透析膜与血液接触时发生一系列反应从而引起氧化应激,导致血液不相容;②透析膜对中分子毒素(如β2-微球蛋白)和蛋白质结合化合物毒素(如对甲酚㊁马尿酸等)的清除能力有限㊂现有的综述文章主要对血液透析膜生物相容性改性方法进行介绍,并未对其毒素强化清除改性工作进行介绍㊂本文主要综述血液透析膜在改善血液相容性及中分子㊁蛋白质结合化合物毒素强化清除方面的研究进展,并介绍了一些新型血液透析膜,为血液透析膜的改性工作提供参考㊂2㊀改善血液相容性血液相容性是血液透析膜的重要评价指标之一㊂当血液与外源性材料接触时,蛋白质在材料表面的粘附㊁凝血因子的激活会引起一系列不良反应,从而引起凝血㊁炎症和血栓等[7]㊂因此,提升血液透析膜表面的亲水性㊁使膜表面带适量的负电荷是改善血液透析膜血液相容性的关键㊂目前,血液透析膜表面改性的方法主要有接枝㊁共混㊁自由基聚合等,改性物质主要有肝素㊁维生素E㊁氧化石墨烯和聚丙烯酰吗啉(PACMO)等㊂2.1㊀肝素改性肝素作为抗凝剂,可以在血小板因子Ⅲ协同作用下作用于凝血酶,抑制纤维蛋白原向纤维蛋白转化,起到抗凝血作用㊂肝素自身带负电荷,通过静电排斥原理也可以抑制带负电的血小板在材料表面粘附㊁聚集㊂Gao 等[8]利用聚多巴胺将肝素固定在聚乳酸(polylactic acid,PLA)膜上,制备了肝素固定化的PLA 血液透析平板膜㊂结果表明,肝素固定化的PLA 膜可以抑制血小板粘附,延长血浆复钙时间,降低溶血率㊂Santous 等[9]用聚乙烯亚胺作为连接剂,将肝素固定在聚醚酰亚胺(polyetherim-ide,PEI)表面,制备了肝素固定化的PEI 血液透析膜㊂肝素固定化的PEI 膜表面更亲水,带有更多的负电荷,可以减少蛋白质吸附和血小板粘附㊂此外,膜表面的肝素延迟了活化部分凝血活酶的时间,有较好的抗血栓特性㊂2.2㊀维生素E 改性维生素E 是广泛使用的抗氧化剂,临床实验表明维生素E 可以有效降低炎症反应[10]和氧化应激[11]㊂由于材料的疏水性会引起蛋白质的粘附,进一步导致凝血级联和补体激活,Teotia 等[12]将维生素E 聚乙二醇琥珀酸酯(一种水溶性的维生素E 衍生物)接枝在PSF 膜表面提高膜的亲水性㊂与纯PSF 膜相比,维生素E 改性的PSF膜表面结构呈网状多孔结构,孔隙率和亲水性均有所提高,可以延长凝血时间,降低补体激活㊂Verma 等[13]以纳米沸石作为填充物㊁维生素E 聚乙二醇琥珀酸酯作为添加剂制备了PES 维生素E 聚乙二醇琥珀酸酯-沸石中空纤维膜,由于维生素E 聚乙二醇琥珀酸酯的加入可以降低溶血率㊁减少血小板粘附和活化㊁延长凝血时间,从而降低血液透析过程中产生的副作用㊂2.3㊀氧化石墨烯改性氧化石墨烯表面富含丰富的羧基㊁羟基和环氧基团,可以为膜表面提供负电荷,提高膜的亲水性,增强血液透析膜的血液相容性㊂Fahmi 等[14]将氧化石墨烯与PES 共混,通过沉浸相转化法制备了氧化石墨烯/PES 混合基质膜,提高了PES 膜表面的亲水性㊂Ma 等[15]将多巴胺接枝在羧基化氧化石墨烯(GOCOOH)上,制备了多巴胺改性的羧基化氧化石墨烯(DA-g -GOCOOH)纳米片,然后将纳米片沉积在PLA 膜表面,得到PLA /(DA-g -GO-COOH)复合血液透析膜㊂DA-g -GOCOOH 纳米片带有大量亲水基团,如 COOH ㊁ OH㊁ NH 2,可以提高膜表面的亲水性㊂另外,羧基化氧化石墨烯上的 COOH 在溶125中国材料进展第41卷液中易发生电离,使得复合膜表面带有更多的负电荷,抑制了带负电的血小板在膜表面的吸附㊂膜表面亲水性和电负性的共同作用,提高了PLA/(DA-g-GOCOOH)膜的血液相容性㊂2.4㊀聚丙烯酰吗啉改性血液透析膜表面亲水性的提高可以降低蛋白质在膜表面的吸附,获得良好的抗血栓性能㊂An等[16]将亲水性的PACMO作为侧链接枝在聚偏氟乙烯(PVDF)主链上,制备了聚偏氟乙烯聚合物(PVDF-g-PACMO),然后将PVDF-g-PACMO与PVDF共混,制备了PVDF/ (PVDF-g-PACMO)中空纤维膜㊂利用偏析效应使亲水性的PVDF-g-PACMO聚集在中空纤维膜的表面,提高膜表面的亲水性,使蛋白质吸附减少,凝血时间延长,改善了血液相容性㊂3㊀尿毒症毒素强化清除欧洲尿毒症毒素工作组(EUTox)曾对尿毒症毒素进行研究[17],并将其分为3类:①游离水溶性小分子化合物,②中分子物质,③蛋白质结合化合物㊂血液透析膜可以清除游离的小分子化合物,对中分子物质和蛋白质结合化合物的清除有限,所以很长一段时间人们都在寻求一种新的机制来清除这些难以清除的化合物㊂通过构建超薄功能层降低传质阻力㊁调控膜表面孔径可使中分子物质透过,或在膜中引入吸附剂以强化蛋白质结合化合物毒素的清除,本节主要介绍对流㊁吸附机制在尿毒症毒素强化清除中起到的作用㊂3.1㊀中分子毒素强化清除通过构建超薄的功能层,结合孔隙弯曲度更低的纳米纤维层可以降低毒素传质阻力,提高中分子毒素的清除率㊂薄膜纳米纤维复合膜(thin-film nanofibrous compos-ite membrane,TFNC)是由超薄功能层和纳米纤维微滤支撑层组成的复合膜㊂Yu等[18]利用静电纺丝制备了具有PAN纳米纤维支撑层和化学交联聚乙烯醇(polyvinyl alco-hol,PVA)超薄分离层的薄膜纳米纤维复合膜(PVA/PAN TFNC)㊂超薄的PVA亲水层和开孔结构的PAN纳米纤维支撑层有更小的传质阻力,超薄的选择层使得PVA/PAN TFNC对水㊁小分子尿素和中分子毒素的透过率更高㊂实验表明,PVA/PAN TFNC可以清除82.6%的尿素(一种典型的小分子毒素)㊁45.8%的溶菌酶(一种典型的中分子模拟物),保留98.8%的牛血清白蛋白㊂Zhu等[19]在PAN纳米纤维膜表面涂覆了一层磺化聚乙烯醇/聚乙烯醇(s-PVA/PVA)的混合水凝胶隔层制备了一种s-PVA/ PVA TFNC㊂通过控制s-PVA/PVA混合比例可调节膜表面凝胶层的网格大小,使得更多的中分子毒素得到清除㊂在4h透析实验中,84.2%的尿素和60.9%的溶菌酶被清除,95.0%以上的牛血清白蛋白得到保留㊂无机纳米材料填充在高分子基质膜中可以提高膜的渗透性和选择性㊂Said等[20]将无机纳米粒子氧化铁(Fe2O3)掺入PSF中制备了中空纤维式的Fe2O3/PSF混合基质膜㊂由于Fe2O3的掺入使PSF膜表面的孔径增大,提高了PSF 膜对水的渗透性,纯水通量达到110.47L㊃m-2㊃h-1㊂膜表面孔径的提高使分子尺寸较大的中分子毒素可以通过透析膜,提高血液透析膜对中分子毒素的清除能力㊂实验结果表明,该膜对尿素的清除率为82%㊁对溶菌酶的清除率达到46.7%,牛血清白蛋白保留率为99.9%㊂3.2㊀蛋白质结合化合物毒素强化清除用于血液净化的吸附剂材料众多,利用纳米孔结构的吸附材料可以将蛋白质结合化合物毒素从血浆中吸附分离出来㊂因此,将吸附剂与透析膜的优势相结合,制备具有吸附功能的血液透析膜,可以提高其对蛋白质结合化合物毒素的清除[21],这种膜通常被称为混合基质膜(mixed matrix membranes,MMMs)㊂Tijink等[22]将活性炭吸附剂与PES共混制备了双层MMMs㊂在吸附剂/PES共混层利用 吸附+对流 的方式可以清除蛋白质结合化合物毒素,而无吸附剂层又可防止吸附剂颗粒泄露㊂与PES膜相比,加入活性炭吸附剂的血液透析膜对肌酸酐和马尿酸(2种蛋白质结合化合物毒素)有更高的清除率㊂随后,他们又将活性炭与PES共混制备了中空纤维MMMs,该膜在4h静态吸附条件下,从人血浆中吸附了57.0%的对甲氧基硫酸盐㊁82.0%的吲哚氧基硫酸盐和94.0%的马尿酸(3种蛋白质结合化合物毒素)[23]㊂4㊀新型血液透析膜除传统改性方法外,蛋白质仿生膜㊁纳米通道定向传输膜㊁三维模板多层纤维膜㊁抗凝生物大分子层层自组装膜和自抗凝膜等也被应用于开发新型血液透析膜㊂新型血液透析膜致力于通过构建独特的膜结构来改善血液透析膜的生物相容性并强化尿毒症毒素的清除㊂本节主要介绍这些新材料㊁新技术㊁新方法在血液透析膜中的应用㊂4.1㊀蛋白质仿生膜生物膜能够使生命系统正常工作,为细胞的生命活动创造稳定的内环境,蛋白质仿生膜的灵感就来源于自然界中的生物膜㊂Yang等[24]制备的蛋白质自支撑膜具有非常好的中分子毒素清除能力㊂这种蛋白质自组装薄膜是由α-螺旋结构的溶菌酶在还原剂作用下快速伸展㊁聚合形成β-层状堆叠低聚物,随后在水/空气界面上团聚,形成的自支撑蛋白质薄膜㊂该膜的厚度在30~250nm范围225㊀第7期叶㊀卉等:血液透析膜在血液相容性和毒素强化清除方面的研究进展内可控,平均孔径可根据蛋白质浓度在1.8~3.2nm范围内调控㊂溶菌酶颗粒间形成大小可控的纳米级通道,可以保留粒径大于3nm的分子和粒子,允许小分子的快速迁移和中分子毒素的清除㊂模拟透析实验表明,所制备的蛋白质膜可以清除(81.3ʃ2.3)%的肌酸酐,(50.3ʃ3.7)%的溶菌酶,牛血清白蛋白保留率为99.7%㊂4.2㊀纳米通道定向传输膜纳米通道的概念提供了一种调控物质转运的新策略,近年来引起了学者的广泛关注㊂这一概念的灵感来自于自然界中的水通道蛋白,纳米材料的发展使这一灵感能够应用于各个领域,包括过滤㊁能源利用和生物医学等㊂Xu等[25]将肝素固定在多层碳纳米管(Hep-g-pMWCNTs)上,将其填充在化学交联的PVA上,然后将混有Hep-g-pMWCNTs的PVA涂覆在PAN纤维上,制备了Hep-g-pMWCNTs/PVA/PAN TFNC㊂Hep-g-pMWCNTs与PVA在界面处形成的间隙为毒素的运输提供了定向纳米通道,缩短了传质路径的长度,开孔结构的PAN纤维层有更小的传质阻力,二者共同作用加快了小分子毒素和中分子毒素的传输㊂在4h模拟透析中,88.2%的尿素和58.6%的溶菌酶得到清除,98.4%的牛血清白蛋白得到保留㊂4.3㊀三维模板多层纤维膜对于肾病患者,家庭护理血液透析仪是必要的,而便携式设备需要高比表面积㊁高效率的血液透析膜㊂3D打印技术可以制作三维图形,通过3D打印技术制备的具有三维压纹的血液透析膜有更大的表面积,可用于便携式和可穿戴血液透析仪㊂Koh等[26]利用3D打印技术开发了具有菱形孔的三维立体结构的聚对苯二甲酸二乙酯(polyethylene terephathalate,PET)支撑模板,然后分别将聚酰胺(PA6)㊁聚酰胺和Y型沸石混合物㊁聚甲基丙烯酸甲酯-接枝-聚二甲基硅氧烷(PMMA-g-PDNA)纳米纤维丝缠绕在三维PET模板上制成印花结构的纳米纤维层,将这3种纳米纤维层复合在一起制备了具有3层结构的印花纳米纤维复合血液透析膜㊂底层PA6纳米纤维层增强了纳米纤维复合膜的机械性能和渗透性;中间层具有纳米孔结构的沸石的填充提高了纳米纤维复合膜对肌酸酐的吸附;海藻酸钠(sodium alginate,SA)与聚乙二醇(polyethylene glycol,PEG)改性的PMMA-g-PDMA纳米纤维层由于发生酯化反应,使膜表面呈现电负性,使其与带负电的血细胞㊁血小板产生静电互斥,减少血细胞㊁血小板在膜表面的粘附,改善了血液相容性㊂3D打印印花结构纳米纤维层最大的优势是具有凹凸的三维立体结构,使其具有更高的比表面积,约为平面膜的2.5倍㊂这种具有高比表面积㊁高效能的血液透析膜可适用于便携式和可穿戴血液透析仪㊂4.4㊀抗凝生物大分子层层自组装膜新型㊁低成本㊁高效的抗血栓形成生物大分子的合成及其在生物界面修饰中的应用已成为接触血液生物材料研究的热点㊂层层自组装是一种简便实现膜表面功能化的修饰方法㊂Deng等[27]利用原子转移自由基聚合法以环糊精为核心分别制备了星状超支化水溶性阳离子聚合物和和阴离子聚合物㊂通过静电作用将阴离子聚合物和阳离子聚合物交替沉积在聚乙烯亚胺(polyethylenimine, PEI)膜表面形成三维多孔状3层功能层,这种功能层是以星状超分子中心核延伸出来的线性壁连接而成,立体结构大大增加了生物活性基团或功能化基团的密度,使得环糊精改性的超分子基团可以更大地发挥抗凝血功能㊂与纯PEI膜相比,改性膜静态水接触角更低㊁亲水性更高,减少了蛋白质吸附,抑制血小板粘附,延长凝血时间,且星形超分子层沉积的三维多孔多层膜对内皮细胞的粘附和生长具有积极作用㊂4.5㊀自抗凝膜由于注射肝素代谢困难,长期使用会造成血小板减少等不良反应,人工合成的仿肝素化合物促进了自抗凝血液透析膜的发展㊂Nie等[28]利用苯乙烯磺酸钠和聚乙二醇甲基丙烯酸酯制备了仿肝素的功能聚合物,然后通过自由基聚合将这种仿肝素聚合物接枝在碳纳米管上,最后通过液-液相转化法制备了仿肝素的高分子刷接枝碳纳米管/PES复合膜㊂血液相容性评价实验表明,与纯PES膜相比,所制备的复合膜减少了蛋白吸附,延长了凝血时间,血小板粘附率更低㊂Liu等[29]还利用SA与丙烯酸(acrylic acid,AA)制备了水凝胶网络皮层用于修饰PSF血液透析膜表面㊂SA和AA的抗凝机理是通过二者交联生成一种具有丰富羧酸基团的聚合物(P(SA-AA)),羧酸基团与血液中的Ca2+发生螯合反应,从而抑制血小板粘附和蛋白激活,通过内在和外在的级联有效地抑制了凝血㊂与纯PSF膜相比,改性膜溶血率更低,凝血时间(活化部分凝血活酶时间APTT和凝血酶时间TT)长,降低了补体活化(C3a和C5a)㊂Liu等[30]采用自由基聚合的方法合成了一种两性的带长烷基疏水侧链的聚(甲基丙烯酸月桂酯-对苯乙烯磺酸钠-丙烯酸)的仿肝素聚合物,并通过疏水-疏水相互作用将这种两性仿肝素聚合物固定在PLA的表面㊂合成的两性聚合物代替肝素的作用,抑制血小板粘附,降低补体激活(C3a和C5a),延长凝血时间,降低溶血率㊂APTT和TT的延长(APTT>600s, TT>140s)表明其具有良好的自抗凝特性㊂5㊀结㊀语血液透析是终末期肾病的有效治疗手段,血液透析325中国材料进展第41卷膜是血液透析器的核心组件㊂高分子聚合物膜是目前广泛使用的血液透析膜材料,高分子血液透析膜材料的改性也成为了该领域的研究热点㊂传统改性方法中,通过在膜表面固定亲水性基团或带负电荷的基团可以提高膜表面亲水性,改善膜血液相容性;通过构建超薄功能层或调节孔径使传质阻力降低㊁引入吸附功能粒子可实现毒素的强化清除㊂针对新型透析膜,开发蛋白质自支撑膜为仿生材料设计提供了新思路,纳米通道定向传输更有利于毒素的强化清除,三维模板多层纤维膜的高比表面积则更适用于可穿戴式血液透析仪,人工合成生物大分子有望取代传统抗凝物在材料改性方面的应用㊂未来,无论传统高分子血液透析膜的改性还是新型血液透析膜的开发都将围绕血液相容性的改善和毒素的强化清除进行,以实现血液透析治疗过程的优化㊂参考文献㊀References[1]㊀VANHOLDER R,PLETINCK A,SCHEPERS E,et al.Toxins[J],2018,10(1):33.[2]㊀BIKBOV B,PURCELL C,LEVEY A,et al.The Lancet[J],2020,395(10225):709-733.[3]㊀王丹丹,杨宁,贾雪梦,等.膜科学与技术[J],2018,38(2):22-28.WANG D D,YANG N,JIA X M,et al.Membrane Science and Technology[J],2018,38(2):22-28.[4]㊀IRFAN M,IDRIS A.Materials Science and Engineering C[J],2015,56:574-592.[5]㊀MICHAELA K,GOMES A,ALBERTO A,et al.Journal of Artifi-cial Organs[J],2019,22(1):14-28.[6]㊀MOLLAHOSSEINI A,ABDELRASOUL A,SHOKER A.MaterialsChemistry and Physics[J],2020,248:122911.[7]㊀王志刚.血液净化学[M].北京:北京科学技术出版社,2016.WANG Z G.Blood 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Vol.33高等学校化学学报No.112012年11月 CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES 2378~2384羧基化氧化石墨烯的可控合成及血液相容性汤毅达1,2,周宁琳1,2,3,陆春燕1,2,金素星1,2,吴　悦1,2,3,沈　健1,2,3(1.南京师范大学化学与材料科学学院,江苏省生物医药功能材料工程研究中心,南京210046;2.江苏省生物功能材料重点实验室,南京210046;3.南京大学江苏省表面与界面工程技术研究中心,南京210093)摘要　采用自由基引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)作为功能改性剂,通过AIBN 分解产生的异丁腈自由基进攻氧化石墨烯上五元环与七元环的缺陷点,形成氰基改性氧化石墨烯中间体,再通过水解反应制得羧基化氧化石墨烯[GeneO C(CH 3)2 COOH]纳米材料.采用傅里叶变换红外光谱(FTIR),X 射线衍射(XRD),热重分析(TGA)和原子力显微镜(AFM)等方法对合成的材料进行了表征,并采用复钙时间测试考察了材料的血液相容性.研究结果表明,氧化石墨烯中羧基的含量可以通过调整AIBN 和GeneO 的投料比来控制.本方法不但可提高氧化石墨烯的羧基含量,而且可使其具有良好的血液相容性.关键词　羧基化氧化石墨烯;偶氮二异丁腈;血液相容性中图分类号　O613.71 文献标识码　A doi :10.7503/cjcu20120342收稿日期:2012⁃04⁃13.基金项目:江苏省自然科学基金(批准号:BK2009408)㊁国家自然科学基金(批准号:20874047)㊁江苏高校优势学科建设工程资助项目和江苏省产学研前瞻性联合研究项目(批准号:BY2011109)资助.联系人简介:周宁琳,女,博士,教授,博士生导师,主要从事生物医用功能材料的制备与研究.E⁃mail:zhouninglin@ 自从2004年Firsov 等[1]发现石墨烯以来,石墨烯以其优良的性能成为科学研究的一个热点[2~6].氧化石墨烯(GeneO)与石墨烯的结构相似,也是碳原子在一维平面的无限延伸,只是在其表面含有羟基㊁环氧基和羧基等基团[7].由于氧化石墨上键连了大量的羟基㊁羧基和环氧基以及层间水的支撑作用,更利于实现氧化石墨烯的单片剥离及连续化制备.同时,各种官能团还赋予氧化石墨烯片优良的化学活性和浸润性能,并使其表面带负电,能够在水中(或碱水中)形成纳米级分散,从而为氧化石墨烯的复合应用或纳米有序组装奠定良好的基础[8,9].石墨通过氧化得到氧化石墨,再通过超声分散得到氧化石墨烯,目前比较常用的氧化石墨的合成方法是化学氧化法,包括Brodie 法[10]㊁Standenmaier 法[11]和Hummers 法[12].近年来,随着石墨烯的开发,关于氧化石墨烯的功能化改进与开发也成为研究热点,氧化石墨的表面富含大量的含氧功能团,剥离后的氧化石墨片层具有很大的比表面积.氧化石墨烯的表面化学组成对材料的力学性能和生物学性能有很大影响.氧化石墨烯在溶剂中的分散性能不佳,在溶剂中的溶解性也有待提高,在高分子基体中存在分散不均匀等问题,因此需要对氧化石墨烯进行改性.Paredes 等[13]研究了氧化石墨烯在不同有机溶剂中的溶解性能;Dai 等[14]利用氯乙酸法合成了一种羧基改性的氧化石墨烯,并将氧化石墨烯聚乙二醇化形成NGO⁃PEG 复合物用于药物载体和细胞成像等方面的研究.羧基改性的氧化石墨烯在功能化氧化石墨烯的制备中占有重要地位,通过氧化石墨烯表面活泼羧基的酰胺化或酯化反应,可使各种有机小分子㊁高分子㊁生物大分子以及含有活泼基团的功能材料被共价键合到氧化石墨烯上.目前,主要是利用氯乙酸对氧化石墨烯进行羧基功能化,以活化氧化石墨烯表面的环氧基和羟基,使其转变成为羧基,从而提高其溶解性和生物学性能[14~16].然而,氯乙酸是一种有毒试剂,使其在应用中受到了限制,因此开发一种绿色环保且羧基含量可控的羧基化氧化石墨烯的方法具有重要意义.本文采用一种新的功能改性剂对氧化石墨烯进行羧基化改性.将氧化石墨烯均匀分散在有机溶剂中,加入改性剂偶氮二异丁腈(AIBN),在惰性气体中反应形成氰基改性氧化石墨烯中间体,再经过水解反应制得羧基化氧化石墨烯;并对其结构和血液相容性进行了研究.1　实验部分1.1　试剂与仪器石墨(国药集团化学试剂有限公司,粒度≤30μm);发烟硝酸(A.R.级,上海化学试剂有限公司);氯酸钾(A.R.级)和偶氮二异丁腈(C.P.级)(上海试四赫维化工有限公司);N ,N′⁃二甲基甲酰胺(A.R.级)和甲醇(A.R.级,国药集团化学试剂有限公司);氢氧化钠(A.R.级,西陇化工有限公司);成人全血由江苏省血液中心提供;其它试剂均为分析纯;实验用水为二次蒸馏水.KQ⁃400KDE 型高功率数控超声波清洗仪(昆山市超声仪器有限公司);透析袋(透过分子量:8000~10000,中号).1.2　羧基功能化氧化石墨烯的制备1.2.1　氰基改性氧化石墨烯的制备　氧化石墨采用改良的Brodie 法[17]进行制备.GeneO 胶状溶液参照文献[15]方法制备.将偶氮二异丁腈进行重结晶,储存在阴凉干燥处待用.将0.1g 合成的GeneO 溶于40mL DMF 中,超声分散均匀,搅拌下加入不同质量比的AIBN [m (GeneO)∶m (AIBN)=1∶10~1∶60],抽真空,通入氮气,于70℃搅拌反应5h.将反应产物抽滤,用DMF 洗涤3次,于40℃真空干燥过夜,得到中间体GeneO C(CH 3)2 CN.1.2.2　羧基化氧化石墨烯的制备　将上述氰基改性氧化石墨烯0.1g 溶于10mol /L 的NaOH /CH 3OH溶液中,于90℃搅拌回流反应48h.反应结束后,用HCl 调节pH 至3.0,抽滤,用二次水洗涤产物至中性,得羧基化改性氧化石墨烯[GeneO C(CH 3)2 COOH].1.3　分析测试1.3.1　红外光谱分析　红外光谱分析采用FTIR Nexus670型(Nicolet)红外光谱仪,KBr 压片,分辨率4cm -1,扫描次数64次,扫描范围4000~400cm -1.1.3.2　X 射线衍射分析　X 射线衍射分析采用日本理学D /MAX_rC 型转靶X 射线衍射仪,Cu 靶,Kα射线,管电压40kV,管电流100mA,扫描速度2°/min.1.3.3　热重分析　热重分析采用美国Perkin⁃Elmer 公司的7系列热重分析仪,测试条件:高纯氮气氛围,升温速率为10℃/min,气流量为50mL /min.1.3.4　原子力显微镜表征　考察了GeneO C(CH 3)2 COOH 材料在疏水性溶剂(N ,N′⁃二甲基甲酰胺)与亲水性溶剂(水)中的分散情况.配置适宜浓度的GeneO C(CH 3)2 COOH 溶液,将样品溶液滴加在新鲜剥离的云母片层上,自然晾干.用Aglient Series 5100AFM /STM 仪器在轻敲模式下观测,针尖为硅针尖(Olympus ACT160TS,Japan),图像通过Flatten 软件处理.1.3.5　羧基官能团含量的测定　采用透析法与返滴定法相结合,测定了GeneO C(CH 3)2 COOH 中酸性官能团的含量.配制HCl 标准溶液,标定备用.称取一定量的GeneO C(CH 3)2 COOH 溶解于水中,加入过量的NaOH 固体,将上述液体加入到透析袋中,将透析袋浸入到水中,每隔12h 换一次水,收集换取后的水.向所收集的水样中滴入甲基橙试剂2滴,用HCl 标液进行滴定,当溶液由黄色变成橙色时即为滴定终点.记录所用HCl 的体积,通过返滴定法公式计算 COOH 的含量.返滴定法公式如下:Content of COOH =m (NaOH)M r (NaOH)×1000-c (HCl)×V (HCl)m (Sample)1.4　血液相容性评价采用复钙实验评价了羟基化氧化石墨烯的血液相容性.取10mL 血液,以1000r /min 转速离心分离10min,取上清液及血浆备用.取不同浓度的样品溶液㊁离心后的血液上清液和CaCl 2各100μL 加入到96孔板中,用BioTek synergy2型酶标仪在405nm 下测定复钙时间动力学曲线.9732　No.11　汤毅达等:羧基化氧化石墨烯的可控合成及血液相容性2　结果与讨论2.1　氧化石墨烯的羧基功能化采用自由基引发剂偶氮二异丁腈作为功能改性剂,利用其在一定温度下分解形成的异丁腈自由基进攻氧化石墨烯上五元环和七元环的缺陷点,形成氰基改性氧化石墨烯中间体,再通过水解反应形成羧基改性氧化石墨烯纳米材料(见Scheme 1).其羧基含量可通过调整偶氮二异丁腈的加入量来控制,且接枝在氧化石墨烯上的长链基团的空间位阻作用及极性基团间的相互作用能有效避免氧化石墨烯片层的聚集作用,形成分散性良好的羧基化氧化石墨烯片层.Scheme 1　Reaction process of carboxyl graphene oxide2.2　FTIR 分析图1为合成的氰基改性氧化石墨烯中间体的红外光谱图.可见,随着AIBN 含量的增加,2250cm -1处的氰基特征峰逐渐增强,表明已经形成氰基改性的氧化石墨烯(低含量时由于检测仪器所限,氰基特征峰不明显).Fig.1　FTIR spectra of GeneO (a ),GeneO AIBN withdifferent mass ratios of GeneO to AIBN (b g )and AIBN (h )m (GeneO)∶m (AIBN):b .1∶10;c .1∶20;d .1∶30;e .1∶40;f .1∶50;g .1∶60. Fig.2　FTIR spectra of synthesized GeneO C (CH 3)2 COOH with different mass ratios of GeneO to AIBN m (GeneO)∶m (AIBN):a .1∶10;b .1∶20;c .1∶30;d .1∶40;e .1∶50;f .1∶60.将合成的氰基改性氧化石墨烯进行水解反应即可制得羧基改性氧化石墨烯.图2为合成的GeneO C(CH 3)2 COOH 的红外光谱图.可见,水解产物的羧基吸收峰比较明显(1740和1630cm -1),3440cm -1附近具有强的羟基特征吸收峰,这可能是由于改性氧化石墨烯表面吸附的水分子所致.当m (GeneO)∶m (AIBN)=1∶50时,GeneO C(CH 3)2 COOH 的羟基吸收峰明显增强,同时峰宽也增大,可以认定m (GeneO)∶m (AIBN)=1∶50为较好的反应比例.由图2可见,2250cm -1附近的CN 特征吸收峰基本消失,表明水解反应后GeneO C(CH 3)2 CN 接枝的 CN 已基本水解为羧基.2.3　XRD 分析图3为GeneO,GeneO C(CH 3)2 CN 和GeneO C(CH 3)2 COOH 的X 射线衍射图.可见,氧0832高等学校化学学报 Vol.33　化石墨烯的层间距为0.84nm,经过偶氮二异丁腈改性后的层间距为0.90nm,表明改性使大片层间的距离变大;经过进一步的水解后,GeneO 的d (001)级衍射峰消失(图3谱线c ),表明GeneO C(CH 3)2 COOH 得到了完全剥离.Fig.3　XRDpatterns of GeneO (a ),GeneO C (CH 3)2 CN (b )and GeneO C (CH 3)2 COOH (c )Fig.4　TGA curves of GeneO (a ),GeneO C (CH 3)2 CN (b )and GeneO C (CH 3)2 COOH (c )2.4　TGA 分析图4为GeneO,GeneO C(CH 3)2 CN 和GeneO C(CH 3)2 COOH 的热重曲线.对于GeneO,120℃以前表观水的失重为3%,初始分解温度为382℃;382~450℃时GeneO 片层上的极性基团失重约18%.对于GeneO C(CH 3)2 CN,120℃以前表观水的失重约为3%,初始分解温度为194℃;194~220℃时氧化石墨烯表面接枝的极性基团失重约为26%.而对于GeneO C(CH 3)2 COOH,120℃以前表观水的失重约为4%,初始分解温度为380℃;120~380℃时失重约为9%;380~690℃时GeneO C (CH 3)2 COOH 片层上的极性基团失重约为43%.由表观失水比例可见,GeneO C(CH 3)2 COOH 的吸水率高于GeneO 和GeneO C(CH 3)2 CN.由极性基团失重比例可见,GeneO C(CH 3)2 COOH 片层上极性基团的数量明显高于GeneO 片层上极性基团的数量,表明经过改性后GeneO C(CH 3)2 COOH 片层接枝了更多的极性基团.Fig.5　AFM images of GeneO C (CH 3)2 COOH dispersed in different solutions (A)DMF solution,5mg /mL;(B)aqueous solution,0.4mg /mL;(C)aqueous solution,2mg /mL.2.5　AFM 分析图5的AFM 照片示出了GeneO C(CH 3)2 COOH 在不同分散液中的分散状态.由图5(A)可见,在DMF 溶液中,GeneO C(CH 3)2 COOH 主要呈小片层状分布,宽约0.5μm,长约0.8μm,片层厚度约0.8nm,表明GeneO C(CH 3)2 COOH 基本剥离成单片层状态.虽然表面有接枝基团,但根据相似相容原理, C(CH 3)2 COOH 作为亲水性基团与DMF 存在一定的排斥作用,使GeneO 表面亲水1832　No.11　汤毅达等:羧基化氧化石墨烯的可控合成及血液相容性性链段 C(CH3)2 COOH并未完全地展开,导致片层厚度小于1nm.由图5(B)和(C)示出了GeneO C(CH3)2 COOH分散于水溶液中的形貌,在低浓度(0.4mg/mL)时, GeneO C(CH3)2 COOH主要呈小片层状分散,片层的长和宽均约为0.5μm,片层厚度约1.2nm.通常,越是亲水的表面,水与表面的相互作用越大,在界面易形成水化层[15],使GeneO表面接枝的 C(CH3)2 COOH基团能充分伸展,因此GeneO C(CH3)2 COOH在亲水性溶液中片层厚度比疏水性溶液中的大.在高浓度(2mg/mL)时,GeneO C(CH3)2 COOH主要呈现大片层分散形貌,可能是由于溶液中GeneO C(CH3)2 COOH片层上接枝的 C(CH3)2 COOH基团之间具有一定的氢键作用,使小片层趋于团聚,形成的大片层团聚长约4μm,宽约3.5μm,厚度约1.2nm,与低浓度下的片层厚度基本一致.2.6　羧基官能团的含量所合成的GeneO C(CH3)2 COOH表面羧基的含量决定了后续反应中通过酰胺化或酯化反应接枝的有机小分子㊁高分子或生物大分子的数量.采用透析法与返滴定法相结合测定了GeneO C(CH3)2 COOH中的 COOH含量.图6为AIBN与GeneO以不同配比合成的GeneO C(CH3)2 COOH中羧基的含量曲线.可见,随着AIBN与GeneO反应比例的增大,水解后的产物GeneO C(CH3)2 COOH中的羧基含量逐步增加,当GeneO与AIBN反应比例为1∶50时,羧基含量的增速逐步减缓;继续增加二者的比例,羧基含量变化不大,基本趋于平缓.结合粒径分析及考虑到反应的优化性,实验选取GeneO与AIBN的质量比为1∶50作为改性反应的最佳比例.Fig.6　Carboxyl content curve of GeneO C(CH3)2 COOH synthesized with different ratios of AIBN to GeneO Fig.7　Solubility of GeneO C(CH3)2 COOH in H2O(A)and DMF(B)The concentrations are2mg/mL.将合成的GeneO C(CH3)2 COOH分别溶于水和DMF中(浓度均为2mg/mL),在室温下超声10min后,静置5min拍摄其照片(图7).可见,GeneO C(CH3)2 COOH在水和DMF中均能均匀分散,有利于后续的改性反应.2.7　血液相容性分析表面亲水性被认为是具有良好的血液相容性的特征之一[18].前文[19,20]利用计算机模拟初步探讨了材料表面不同官能团与血液蛋白片断相互作用的分子动力学原理,表明亲水性表面通常具有良好的生物相容性.羧基化氧化石墨烯作为潜在的生物应用材料,需要考察其血液相容性.因此利用复钙实验评价了GeneO C(CH3)2 COOH材料的血液相容性.复钙时间实验是一种评价内源性凝血系统功能的方法,其原理是在去Ca2+的血浆中重新加入适量的Ca2+,使可溶性的纤维蛋白原转化为可溶性纤维蛋白,进而使可溶性纤维蛋白交联成不溶物 血栓,其内源性凝血过程得以重新恢复所需要的时间即为复钙时间.当血液中纤维蛋白原及凝血酶原等凝血因子缺乏或有抗凝物质存在时,复钙时间会有所延长.通常血浆凝固时间越长,其血液相容性越好.由图8可见,不同浓度的GeneO C(CH3)2 COOH样品的复钙时间均比纯血浆(Platelet⁃Poor Plasma,PPP)明显延长,且呈现一种先增大后下降的趋势,总体复钙时间均大于纯血浆的复钙时间.在1,5和10μg/mL的低浓度下,其复钙时间分别为69,126和139min,比纯血浆复钙时间分别增加2832高等学校化学学报 Vol.33　了200%,447%和504%.在50和100μg /mL 的高浓度下,溶液的复钙时间有所降低,但也达到了96和63min,比纯血浆复钙时间分别增加了317%和173%.正常人体血管壁内皮细胞的电位值为负值,血液中的红细胞㊁白细胞及血小板等均为负电性,在水溶液中羧基修饰材料的 COOH 可以部分电离而带负电,带负电的 COO -不易与血液中的物质发生黏附及其它相互作用[15].在低浓度下,GeneO C(CH 3)2 COOH 可较好地分散,与血液接触充分,易于发挥其表面羧基的特性,不易发生黏附;而在高浓度下,GeneO C(CH 3)2 COOH 本身趋于集中,使表面的 COOH 官能团被包裹,反而不利于其与血浆进行作用,导致复钙时间有所降低.Fig.8　Plasma recalcification time of different concentrations of GeneO C (CH 3)2 COOH samples(A)a .1μg /mL;b .5μg /mL;c .10μg /mL;d .50μg /mL;e .100μg /mL;f .positive control;g .negative control.(B)a.1μg /mL;b.5μg /mL;c.10μg /mL;d.50μg /mL;e.100μg /mL;f.PPP+CaCl 2.3　结 论采用自由基引发剂偶氮二异丁腈作为功能改性剂,合成了新型的羧基化氧化石墨烯GeneO C(CH 3)2 COOH,其在H 2O 和DMF 中呈现单片层或多片层分散.通过FTIR,XRD,TGA 和AFM 等对该化合物的结构进行了表征.采用透析法与反滴定法相结合,考察了改性氧化石墨烯的羧基含量,结果表明,通过调控AIBN 和GeneO 的配比,能可控合成具有不同羧基含量的改性氧化石墨烯,为后续的功能化改性奠定了基础,实现了可控合成羧基化氧化石墨烯.采用复钙时间实验对合成的GeneO C(CH 3)2 COOH 进行血液相容性表征.结果表明,不同浓度下GeneO C(CH 3)2 COOH 悬浊液的复钙时间比纯血浆空白样明显延长,其最高值也明显低于纯血浆空白样,表明材料具有良好的血液相容性,在生物医用领域具有潜在的应用价值.参　考　文　献[1]　Novoselov K.S.,Geim A.K.,Morozov S.V.,Jiang D.,Zhang Y.,Dubonos S.V.,Grigorieva I.V.,Firsov A.A..Science[J],2004,306(5696):666 669[2]　Geim A.K.,Novoselov K.S..Nature Materials[J],2007,6:183 191[3]　FU Qiang(傅强),BAO Xin⁃He(包信和).Chin.Sci.Bull.(科学通报)[J],2009,54:2657 2666[4]　YUAN Xiao⁃Ya(袁小亚).J.Inorg.Mater.(无机材料学报)[J],2011,26(6):561 570[5]　HE Wei(何卫),ZOU Liang⁃Liang(邹亮亮),ZHOU Yi(周毅),LU Xiang⁃Jun(卢向军),LI Yuan(李媛),ZHANG Xiao⁃Gang(张校刚),YANG Hui(杨辉).Chem.J.Chinese 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Science,Nanjing Normal University,Nanjing210046,China;3.Jiangsu Technological Research Center for Interfacial Chemistry and Chemical Engineering,Nanjing University,Nanjing210093,China)Abstract　Carboxyl modifiedgraphene oxide is important in the preparation of functionalized graphene oxide (GeneO).In this work,the free radical initiator agent azobisisobutyronitrile(AIBN)was functioned as a modifier.AIBN could be separated into isobutyronitrile radicals to attack the five⁃membered ring and seven⁃membered ring defects in the graphene oxide.Then the cyanogroup⁃modified graphene oxide intermediates were formed,and the carboxyl graphene oxide[GeneO C(CH3)2 COOH]could be obtained through the hydrolysis reaction.The structure and properties of GeneO C(CH3)2 COOH were characterized by Fourier transform infrared spectroscope(FTIR),X⁃ray diffraction(XRD),thermo gravimetric analyzer(TGA)and atomic force microscope(AFM).And the blood compatibility of GeneO C(CH3)2 COOH was evaluated by recalcification time test.It was showed that the recalcification time gradually decreased as the increasing con⁃centration of GeneO C(CH3)2 COOH,indicating that the material had good blood compatibility.Carboxyl group content could be controlled by the mass ratio of AIBN to GeneO.This method not only could increase the carboxyl content of oxidized graphene,but also made the material have a good blood compatibility. Keywords　Carboxyl graphene oxide;Azobisisobutyronitrile;Blood compatibility(Ed.:H,Z,K)。

两亲性高分子功能化氧化石墨烯的制备与生物相容性评价王欢欢;胡祥龙【摘要】二维的氧化石墨烯(GO)的细胞毒性低,且有良好的生物相容性,是良好的光热与成像材料,同时还可以作为纳米载体,用来输运化疗药物、基因等.由于氧化石墨烯的片层之间有较强的范德华力,极易团聚,从而影响其在生物医学方面的进一步应用.本文通过二硬脂酰磷脂酰乙醇胺-聚乙二醇-氨基(DSPE-PEG-NH2)功能化修饰氧化石墨烯,改善了石墨烯在水相中的稳定性、低毒性及生物相容性.功能化氧化石墨烯在水相中放置两周以上仍然具有良好的分散性,且对细胞没有明显的毒副作用,有望在生物医学领域发挥巨大作用.%Two-dimensional graphene oxide ( GO) has low cytotoxicity and good biocompatibility, which can be employed as good photothermal/imaging agents as well as nanocarriers for the delivery of chemotherapeutic drugs/genes. However, there are strong Vander Waals forces among the layer of GO, which can cause deteriorating effects of the ag-glomeration of GO, and is unfavorable for biological applications. In this work, 1, 2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoeth-anolamine-peg-amine ( DSPE-PEG-NH2 ) was employed to decorate GO, affording hybrid GO nanoparticles, DSPE-PEG-GO. The well-dispersed DSPE-PEG-GO was kept stable in aqueous solution for even more than two weeks, and it had no obvious cytotoxicity, which is promising in biomedicine.【期刊名称】《激光生物学报》【年(卷),期】2017(026)006【总页数】4页(P540-543)【关键词】氧化石墨烯;稳定性;生物相容性;生物医学【作者】王欢欢;胡祥龙【作者单位】华南师范大学激光生命科学研究所, 激光生命科学教育部重点实验室, 生物光子学研究院, 广东广州510631;华南师范大学激光生命科学研究所, 激光生命科学教育部重点实验室, 生物光子学研究院, 广东广州510631【正文语种】中文【中图分类】Q225石墨烯是一种二维碳纳米材料[1-2]，于2004年首次报道[3]，英国曼切斯特大学德烈·盖姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫两位科学家共同发现并制备出单层的石墨烯。

羧基化氧化石墨烯－镧复合物抗凝血性能的研究＊王晓丹１，２，周宁琳１，２，３，汪炜燕１，２，汤毅达１，２，章　峻１，２，３，莫　宏１，２，３，沈　健１，２，３（１．南京师范大学江苏省生物医药功能材料工程研究中心，江苏南京２１００９７；２．南京师范大学江苏省生物功能材料重点实验室，江苏南京２１００９７；３．南京大学江苏省表面与界面工程技术研究中心，江苏南京２１００９３）摘　要：　将稀土Ｌａ３＋离子接枝到羧基化的氧化石墨烯片层上，制备了一种功能化的氧化石墨烯（ＧｅｎｅＯ－Ｌａ）。

利用红外光谱和透射电镜等手段对所合成的ＧｅｎｅＯ－Ｌａ复合物进行了表征；将功能化的氧化石墨烯应用到抗凝血体系中，研究其抗凝血性能。

结果表明，Ｌａ３＋已经通过配位作用吸附在羧基化的氧化石墨烯片层上。

通过溶血实验和血浆复钙时间实验可以看出随着复合物浓度的增加，复钙时间逐渐缩短，同时复合物的溶血率在浓度低时都＜５％，符合稀土元素的Ｈｏｒｍｅｓｉｓ效应，即ＧｅｎｅＯ－Ｌａ复合物在低浓度时表现出优良的抗凝血性能。

关键词：　氧化石墨烯；三氯化镧；溶血实验；复钙时间实验中图分类号：　Ｏ６１３．７２文献标识码：Ａ文章编号：１００１－９７３１（２０１１）０１－０１０４－０４１　引　言在近２０年中，碳元素引起了世界各国研究人员的极大兴趣。

自富勒烯和碳纳米管被科学家发现以后，三维的金刚石、“二维”的石墨、一维的碳纳米管、零维的富勒球组成了完整的碳系家族［１－３］。

在碳系家族中，石墨以其特殊的片层结构一直以来是研究的一个热点。

自从２００４年石墨烯被发现以来，由于它特殊的单原子层结构，决定了它具有丰富而新奇的物理性质，它已经成为了备受瞩目的国际前沿和热点。

氧化石墨烯（Ｇｒａｐｈｅｎｅ　Ｏｘｉｄｅ，简称ＧｅｎｅＯ）是石墨烯重要的派生物［４］，它的结构与石墨烯大体相同，只是在六角环形片状体碳原子上连有羰基、羟基、羧基、环氧基等官能团［４－６］。

由于氧化石墨烯片表面带有这些大量亲水性官能团，因此具有一定的润湿性能和表面活性，和石墨烯相比，它在水中可以较好地分散，和聚合物的兼容性能也有所提高。

氧化石墨烯在生物医用材料中的应用研究宁夏晶体新能源材料有限公司摘要：氧化石墨烯是石墨烯与含氧的活性基团合成的化合物。

石墨烯除具有优异的物理、化学性能外，还可以提供大面积，促进干细胞增殖和成骨分离，具有独特性、生物相容性和抗菌特性。

文章全面概述其在生物医学中的应用，介绍氧化石墨烯的结构和性质，研究氧化石墨烯的细胞毒性和生物相容性等相关问题，并展望其在生物体中的应用前景，希望为相关工作者提供一些参考。

关键词：氧化石墨烯；胶原；细胞毒性生物相容性；创伤敷料引言石墨烯的发现使碳材料零维到三维结构得到完整，极大的推进了二维材料的发展。

石墨烯由于其良好的生物相容性、表面积大、光透明性好及机械强度高等独特的物理性质，使其具有广泛的应用前景。

而实际上石墨烯的疏水性以及不明朗的生物毒性阻碍了其在生物医学领域的应用。

为了解决这一问题，各种石墨烯衍生物如石墨烯薄片、氧化石墨烯（graphene oxide，GO）和还原氧化石墨烯（reduced graphene oxide，rGO）得到了广泛的关注研究。

由于疏水性和不能在溶液中形成稳定的均匀分散，石墨烯薄片远远不如GO和rGO具有优势。

GO和rGO均可以在水溶液中均匀分散形成稳定的悬浮液，而且易于操作性质稳定，受到了大量的关注。

1氧化石墨烯的生物相容性1.1氧化石墨烯（GO）细胞毒性的研究如果生物医学物质不用于临床环境，则应首先根据生物安全标准进行生物学测试，细胞毒性是一个重要的诊断指标。

因此，诊断程序之一对于评估物质的细胞毒性很重要。

在肺腺癌细胞（A549细胞）中研究了氧化石墨烯的体外毒性，并对其毒性进行了分析和评估，以确定A549细胞膜的形态、存活率、死亡率和完整性。

结果表明，少量氧化石墨烯（GO）实际上并没有进入细胞，没有明显的细胞毒性，具有良好的细胞亲和力。

GO导致细胞内氧化物的依赖性在高浓度下细胞功能轻微丧失。

分析结果总结，GO可被认为是细胞水平上最安全的东西。

氧化石墨烯表面功能化修饰氧化石墨烯表面功能化修饰石墨烯是由碳原子组成的二维薄片，具有优异的电子传输、热传导和机械性能等特点，因此在众多领域中受到广泛的关注与研究。

然而，在应用过程中，石墨烯往往会受到氧化物与杂质的污染，导致其性能下降。

为了提高石墨烯的性能和功能，研究人员开展了氧化石墨烯表面的功能化修饰研究。

本文将介绍氧化石墨烯表面功能化修饰的方法和应用。

一、氧化石墨烯表面功能化修饰的方法氧化石墨烯的表面功能化修饰主要有两种方法：物理方法和化学方法。

物理方法包括溶剂剥离法、热分解法和等离子体修饰法等；化学方法包括羧基化、还原等离子体修饰法和溶液法等。

1.物理方法溶剂剥离法是将氧化石墨烯与有机溶剂混合，并通过机械剥离或超声波处理等操作，将氧化石墨烯从基底上剥离得到。

热分解法是将氧化石墨烯加热至高温，通过石墨烯层与基底的热膨胀系数差异使其从基底上自行剥离。

等离子体修饰法是将氧化石墨烯暴露在等离子体中，利用等离子体的能量来修饰其表面。

2.化学方法羧基化是将氧化石墨烯与羧酸化合物反应，使得氧化石墨烯表面引入羧基官能团。

还原等离子体修饰法是将氧化石墨烯暴露在还原性溶液中，通过还原剂将氧化石墨烯表面的氧化物还原成石墨烯。

二、氧化石墨烯表面功能化修饰的应用氧化石墨烯表面功能化修饰可以改变其性质与应用领域，并拓宽其应用范围。

1.能源领域氧化石墨烯表面的功能化修饰可以提高其导电性，使其在能源领域的应用更为广泛。

例如，将氧化石墨烯进行还原等离子体修饰，可以提高其导电性能，并用于超级电容器和锂离子电池等能源存储装置的电极材料。

此外，功能化修饰后的氧化石墨烯还可以应用于太阳能电池、燃料电池等领域。

2.环境领域氧化石墨烯表面的功能化修饰可以使其具备吸附染料、重金属离子等污染物的能力，用于水处理、废气处理等环境净化领域。

例如，将氧化石墨烯进行羧基化修饰，可以增加其与污染物之间的作用力，并实现高效的吸附与去除。

3.生物医药领域氧化石墨烯表面的功能化修饰可以使其具备生物相容性，并实现在生物医药领域的应用。

功能化氧化石墨烯的制备及对PAN性能的影响摘要本文主要研究了功能化氧化石墨烯对PAN性能的影响。

利用AIBN对氧化石墨烯（GO）进行了改性，通过醇解反应获得了羧基改性氧化石墨烯（GO-COOH），羧基相对含量由5%提高到6.3%，改性前后氧化石墨烯碳结构变化不大。

研究了氧化石墨烯、羧基改性氧化石墨烯对PAN热性能以及预氧化的影响，结果表明氧化石墨烯对PAN热环化反应具有一定的抑制作用，但可在一定程度改善均聚PAN的放热集中现象。

GO对PAN预氧化反应影响不大，而GO-COOH可以显著提高PAN的环化率。

经过200-220-240-260℃梯度预氧化后，含1.0wt%的GO-COOH/PAN复合膜环化率达89.4%。

关键词：聚丙烯腈；氧化石墨烯；羧基功能化Preparation of functionalized graphene oxide and its effects on polyacrylonitrileABSTRACTThis document studies the effects of functionalized grapheme oxide on the performance of PAN. Grapheme oxide is modified by the AIBN to obtain carboxyl-modified grapheme oxide by a reaction solution with alcohol. The content of carboxyl is from 5% to 6.3% and the carbon net structure of grapheme oxide before an after modification changes little. We have studied the impact of pre-oxidation of the PAN and the PAN thermal performance from the grapheme oxide and the carboxyl-modified grapheme oxide. The results indicate that grapheme oxide restrain the cyclization of PAN in a certain extent,but to a certain degree, the grapheme oxide improves the PAN discharge heat concentration phenomenon. Graphene oxide makes a little effect on the pre-oxidation of the PAN, while the carboxyl-modified grapheme oxide can significantly increase the rate of the cyclization of the PAN. After 200-220-240-260℃gradient pre-oxidation, the GO-COOH/PAN composite membrane containing carboxyl-modified grapheme oxide 1.0wt% has a cyclization rate of 89.4%.Keywords：Polyacrylonitrile,Graphene Oxide, Carboxyl-modified第1章绪论第1.1节氧化石墨烯的功能化改性氧化石墨烯的制备一般采用直接氧化石墨的方法，改进的Hummers法以其污染及毒性较小的优点而被实验室广泛采用。