NH₂+離子注入的多壁碳納米管及其制備方法與應(yīng)用的制作方法

專利名稱：NH₂+離子注入的多壁碳納米管及其制備方法與應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米材料在生物醫(yī)用材料中應(yīng)用的新興學(xué)科領(lǐng)域。涉及使用化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)(CVD)生長(zhǎng)多壁碳納米管(MWCNTs);特別是利用M EVVA源離子注入機(jī)制備的NH2+離子注入MWCNTs提高碳納米管的親水性和生物相容性的新技術(shù)。
背景技術(shù)：
碳元素是組成人體的重要元素，約占人體總重量的18%左右，碳在自然界中能以不同的成鍵方式形成結(jié)構(gòu)性質(zhì)迥異的同素異形體(如石墨和金剛石)。碳材料的一維形式一碳納米管發(fā)現(xiàn)至今僅有十余年的時(shí)間。但是，碳納米科技已經(jīng)發(fā)展成為一門多學(xué)科交叉的、基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究緊密聯(lián)系的新興學(xué)科，主要包括納米物理學(xué)、納米化學(xué)、納米材料學(xué)、納米電子學(xué)、納米生物學(xué)、納米加工學(xué)以及納米力學(xué)等等。自然界中，生物體從開始就可以在納米尺度合成各種材料。生物體的基本組成單位包括脂類、多肽和核酸，其尺寸都在納米級(jí)，這些生物體基本單元通過有序組裝，構(gòu)成機(jī)體有功能的結(jié)構(gòu)單位。但是自然界不能自發(fā)地利用設(shè)計(jì)好的納米材料來合成新的生物分子。因此，將納米材料與生物系統(tǒng)聯(lián)系起來是由重大意義的。一方面，生物體可以為納米科技提供一定的方法和借鑒，另一方面，利用納米科技可以為生物研究提供新的手段和方法。原始狀態(tài)下碳納米管是成千上萬個(gè)處于芳香不定域系統(tǒng)中的碳原子組成的大分子，以團(tuán)聚的方式存在，化學(xué)穩(wěn)定性高，一般不溶于任何溶劑，且在溶液中“已聚集成團(tuán)”，妨礙了對(duì)其進(jìn)行分子水平研究及操作應(yīng)用，也難于將它納入生物體系，大大限制了碳納米管在生物學(xué)方面的應(yīng)用。為充分利用碳納米管的優(yōu)異性能，對(duì)碳納米管進(jìn)行表面修飾是非常必要的。，通過表面修飾后，碳納米管獲得較好的親水性，對(duì)于進(jìn)一步的生物學(xué)應(yīng)用具有重要的意義。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，再合成過程中可以捕獲多個(gè)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(yīng)活性官能團(tuán)，達(dá)到對(duì)碳納米管進(jìn)行化學(xué)修飾的目的。表面處理技術(shù)(如氣相沉積、電鍍、等離子噴涂、離子注入等)代價(jià)小、耗時(shí)少，在制備和修飾綜合性能良好的生物醫(yī)用材料方面優(yōu)勢(shì)顯著。離子注入技術(shù)用能量為40keV量級(jí)的離子束入射到材料中去，離子束與材料中的原子或分子將發(fā)生一系列物理的和化學(xué)的相互作用，入射離子逐漸損失能量，最后停留在材料中，并引起材料表面成分、結(jié)構(gòu)和性能發(fā)生變化，從而優(yōu)化材料表面性能，或獲得某些新的優(yōu)異性能。NH2+是蛋白質(zhì)的重要組成部分，具有良好的親水性和細(xì)胞相容性，為碳納米管表面修飾提供了有利條件。目前，將離子注入技術(shù)用于碳納米管材料表面改性，以達(dá)到改善納米管材料生物相容性的研究目前尚未文獻(xiàn)報(bào)道，這方面研究十分新穎。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明首先公開了使用NH2+離子注入的多壁碳納米管在提高多壁碳納米管材料的親水性方面的應(yīng)用和作為具有細(xì)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(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開了如下的技術(shù)內(nèi)容
一種NH2+離子注入的多壁碳納米管，其特征在于使用離子注入法將NH2+離子束注入到多壁碳納米管碳上；其中注入NH2+離子的劑量為5 X IO14 ions/cm2—IXlO16 ions/cm2,離子速能量為40 keV;所制備材料的N元素含量為O. 99% — O. 56%。優(yōu)選注入NH2+離子的劑量為5 X IO14 ions/cm2或IXlO16 ions/cm2，使用離子注入法將NH2+離子束注入到多壁碳納米管碳上；其中注入NH2+離子的劑量分別為5 X IO14 ions/cm2,1 X IO16 ions/cm2，離子速能量為40 keV ;所制備材料的N元素含量分別為0. 99%，0. 56%。本發(fā)明所述的多壁碳納米管為粉末狀，噴涂在基片上。其中的基片指的是以二氧化硅或碳片為襯底的基片。本發(fā)明所述的多壁碳納米管(純度90%，直徑10—20nm，長(zhǎng)度5—15μπι)，按比例與十二烷基硫酸鈉(SDS)混合后溶解在蒸餾水中，噴涂于二氧化硅(SiO2)基片上，基片直徑 15mm,厚度 O. 5mm。本發(fā)明進(jìn)一步公開了 NH2+離子注入的多壁碳納米管的制備方法，其特征在于使用M EVVA源離子注入機(jī)對(duì)預(yù)先噴涂多壁碳納米管的基片，采用速流分別為2μΑ、6 μΑ的NH2+離子束進(jìn)行注入；其中本底真空1X10_7 Torr，磁場(chǎng)電流為2. 27Α，NH2+離子束的能量為40KeV，通過控制NH2+離子的注入劑量(分別為5 X IO14 ions/cm2、I X IO16 ions/cm2)在多壁碳納米管上注入NH2+離子。本發(fā)明的離子注入方法，是利用金屬蒸汽真空弧離子源(M EVVA)源離子注入機(jī)，將樣品放置在真空室內(nèi)的工作臺(tái)上，真空泵將室內(nèi)抽成高真空，本底真空能達(dá)到丄父^^化^注入粒子選用純冊(cè)^+離子’采用金屬蒸汽真空弧放電⑶EVVA)的方法產(chǎn)生彌漫在整個(gè)真空室內(nèi)等離子體基離子注入(PB II)所需的NH2+等離子體，這樣樣品就直接湮沒在等離子體中。然后以樣品為陰極，真空室壁為陽極加一高電壓脈沖防止電子和正離子分別聚集而產(chǎn)生的Langmuir鞘層。樣品表面電子被瞬間逐出，而NH2+離子在電場(chǎng)作用下被加速，射向樣品表面并注入到樣品表面。(詳見圖9)。本發(fā)明對(duì)NH2+離子注入的多壁碳納米管和未經(jīng)NH2+離子注入的多壁碳納米管樣品進(jìn)行了掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)和X射線衍射(XPS)結(jié)構(gòu)分析及比較。采用CAMKSV021733接觸角測(cè)量?jī)x對(duì)表面改性前后的多壁碳納米管材料的親水性進(jìn)行測(cè)試。
圖I為NH2+離子注入的多壁碳納米管和未經(jīng)NH2+離子注入的多壁碳納米管SEM照片，通過此圖可以直觀地觀察到材料的表面形貌，離子注入后的碳納米管有明顯的折斷跡象。圖2為NH2+離子注入的多壁碳納米管和未經(jīng)NH2+離子注入的多壁碳納米管的HRTEM圖，圖中明顯可以看出碳納米管的中空管狀結(jié)構(gòu)，注入后碳納米管內(nèi)的竹節(jié)結(jié)構(gòu)更為明顯。圖3為NH2+離子注入的多壁碳納米管和未經(jīng)NH2+離子注入的多壁碳納米管XPS譜圖，揭示了微觀結(jié)構(gòu)中的C、N元素含量以及價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。圖4為NH2+離子注入的多壁碳納米管和未經(jīng)NH2+離子注入的多壁碳納米管接觸角圖，證明經(jīng)氨基離子注入后的多壁碳納米管材料的親水性有顯著的改善。表I多壁碳納米管注入前后的接觸角
材料jMWCNTs I劑量為5 X IO14NH2"離子注入MffCNTs|劑量為I X IO16NH2"離子注入MWCNTs
接觸角(° ) |l28.89|l26.89\75.42
本發(fā)明進(jìn)一步公布了 NH2+離子注入的多壁碳納米管在制備作為具有細(xì)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(yīng)用。成纖維細(xì)胞株和血管內(nèi)皮細(xì)胞株常用于材料細(xì)胞相容性的檢測(cè)。因此，我們采用小鼠的成纖維細(xì)胞(L929)和人的內(nèi)皮細(xì)胞(EAHY926)做細(xì)胞粘附和生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)。從圖5中可以看出，對(duì)照組和樣品組在第I到5天之間，粘附于材料表面的小鼠成纖維細(xì)胞數(shù)目逐漸增力口，而且成纖維細(xì)胞在NH2+離子注入的多壁碳納米管表面的生長(zhǎng)情況略好于在未NH2+離子注入的多壁碳納米管表面。在5天后對(duì)照組和劑量為5X IO14 ions/cm2的NH2+離子注入的多壁碳納米管細(xì)胞數(shù)目逐漸減少，說明成纖維細(xì)胞密度達(dá)到一定程度后進(jìn)入了衰退期；而劑量為lX1016ionS/cm2的NH2+離子注入的多壁碳納米管材料上的細(xì)胞數(shù)目仍逐漸增多，說明細(xì)胞的增長(zhǎng)趨勢(shì)與材料的氨基劑量有關(guān)。對(duì)照組使用的是專門用于細(xì)胞培養(yǎng)的24孔板，其本身特性就非常適于細(xì)胞在其上的粘附與生長(zhǎng)，因此在整個(gè)試驗(yàn)周期細(xì)胞數(shù)量是最多的。圖6和圖7的SEM結(jié)果顯示=NH2+離子注入的多壁碳納米管和未NH2+離子注入的多壁碳納米管材料相比，更適合與小鼠成纖維細(xì)胞、人內(nèi)皮細(xì)胞結(jié)合，細(xì)胞呈現(xiàn)出典型的三角狀細(xì)胞形態(tài)、偽足伸長(zhǎng)、貼壁情況更好。結(jié)果預(yù)示著NH2+離子注入的多壁碳納米管具有較普通納米管更好的細(xì)胞相容性，可作為組織支架的備選材料，在生物材料領(lǐng)域有廣泛的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。本發(fā)明更進(jìn)一步公開了 NH2+離子注入的多壁碳納米管的血液相容性，其中包括溶血、血小板粘附實(shí)驗(yàn)。顯示出該材料在與血液相接觸的材料領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景。材料的血液相容性評(píng)價(jià)是材料生物學(xué)評(píng)價(jià)的重要組成部分，是最常用的粗篩試驗(yàn)，也被認(rèn)為是細(xì)胞毒性評(píng)價(jià)的一個(gè)補(bǔ)充試驗(yàn)。溶血實(shí)驗(yàn)的機(jī)理在于紅細(xì)胞破壞之后會(huì)造成血紅蛋白的釋放，血紅蛋白釋放量的多少能通過分光光度計(jì)測(cè)定的OD值反應(yīng)出來，材料溶血率在5%以下為符合要求，可以認(rèn)為沒有溶血作用。本發(fā)明的溶血試驗(yàn)使用NH2+離子注入制備的多壁碳納米管和未經(jīng)NH2+離子注入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(duì)照和陽性對(duì)照。作為陰性對(duì)照組的生理鹽水和新鮮的抗凝血作用后，在離心管底部是完好的紅細(xì)胞，上部是澄清的液體，而陽性對(duì)照組的紅細(xì)胞由于受到破壞而通過破損的細(xì)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(cè)試結(jié)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
材料 jMWCNTs I劑量為5 X IO14NH2+離子注入MWCNTs 丨劑量為I X IO16NH2+離子注入MffCNTs [NS IH2O "OD 值_ 0.012 O. 047 O. 046 O. 013 I. 161溶血率 0%_2. 96%_2. 87%-----
表中的數(shù)據(jù)顯示，雖然NH2+離子注入的多壁碳納米管樣品溶血率高于純多壁納米管，但遠(yuǎn)小于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值5%，可認(rèn)為材料對(duì)紅細(xì)胞沒有破壞，沒有溶血性。血小板粘附于表面并聚集成血栓以減少出血。它能通過形成血小板栓抑制流血，通過催化凝血反應(yīng)使血小板栓穩(wěn)定，導(dǎo)致血栓。血小板粘附試驗(yàn)是評(píng)價(jià)生物材料抗凝血性能的方法之一。血小板黏賴命￥xlw%式中A-抗凝血中的血小板數(shù)；B-與材料作用完之后的抗凝血中的血小板數(shù)。甲基硅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(fā)明就分別以它們作為陰、陽性參照物。與正常對(duì)照計(jì)數(shù)算出樣品血小板的粘附率。表3材料的血小板數(shù)及血小板粘附率
權(quán)利要求
1.NH2+離子注入的多壁碳納米管，其特征在于使用離子注入法將NH2+離子束注入到多壁碳納米管碳上；其中注入NH2+離子的劑量為5 X IO14 ions/cm2—IXlO16 ions/cm2,離子速能量為40 keV ;所制備材料的N元素含量為O. 99%—O. 56%。
2.權(quán)利要求I所述NH2+離子注入的多壁碳納米管，其中的多壁碳納米管為粉末狀，噴涂在基片上。
3.權(quán)利要求2所述NH2+離子注入的多壁碳納米管，其中的基片指的是以二氧化硅或碳片為襯底的基片。
4.NH2+離子注入的多壁碳納米管的制備方法，其特征在于使用M EVVA源離子注入機(jī)對(duì)預(yù)先噴涂多壁碳納米管的基片，采用速流為2 μ A— 6 μ A的NH2+離子束進(jìn)行注入；其中本底真空IX 10_7 Torr，磁場(chǎng)電流為2. 27Α，ΝΗ2+離子束的能量為40KeV，通過控制NH2+離子的注入劑量在多壁碳納米管上注入NH2'
5.權(quán)利要求4所述的制備方法，其中NH2+離子的注入劑量為5X IO14 ions/cm2—IXlO16ions/cm2 A。
6.權(quán)利要求I所述NH2+離子注入的多壁碳納米管在制備能夠提高多壁碳納米管材料親水性方面的應(yīng)用。
7.權(quán)利要求I所述NH2+離子注入的多壁碳納米管在制備作為具有細(xì)胞相容性組織支架材料方面的應(yīng)用。
8.權(quán)利要求I所述NH2+離子注入的多壁碳納米管在制備作為具有與血液相接觸材料方面的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及NH2+離子注入的多壁碳納米管，它使用離子注入法將NH2+離子注入到噴涂后的碳納米管上，其中注入NH2+離子的劑量為5×1014ions/cm2—1×1016ions/cm2；NH2+離子束的能量為40keV。本發(fā)明進(jìn)一步公開了經(jīng)過NH2+離子注入的多壁碳納米管的親水性顯著提高，通過小鼠肺部成纖維細(xì)胞和人臍帶靜脈血管內(nèi)皮細(xì)胞在材料上的粘附實(shí)驗(yàn)證實(shí)NH2+離子注入能夠提高多壁碳納米管的細(xì)胞相容性，一系列血液實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明NH2+離子注入的多壁碳納米管具有良好的血液相容性，說明該材料在諸如組織支架等領(lǐng)域具有良好的研究應(yīng)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)A61L31/02GK102626527SQ201210099980
公開日2012年8月8日 申請(qǐng)日期2012年4月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月9日
發(fā)明者張藝騰, 李德軍, 董雷, 趙夢(mèng)鯉, 郭美仙 申請(qǐng)人:天津師范大學(xué)