碳基纳米多功能材料的制备及生物医药应用

发布时间：2020-11-16 00:17

　　 随着对碳纳米材料的开发与应用,二维碳纳米材料—氧化石墨烯(GO)和零维的碳点(CDs)因具有优良的生物安全性和水溶性而被用在生物医药领域。其中,在碳纳米药物传输体系中抗癌药已被列入研究中,而抗炎药在治疗一些疾病方面也有重要作用,但将碳纳米材料与抗炎药结合起来进行药物负载的研究不多;另一方面,一些具有抗菌性能的金属及其氧化物与二维碳纳米材料形成的复合物也逐渐在抗菌领域中被重视;此外,抗生素用于治疗一些疾病确实有着显著的功效,但过度使用抗生素给水体带来的危害不容忽视,CDs因其优越的荧光性能在检测分子、离子等方面已取得了一些研究成果,而检测水体中残留的抗生素也是非常值得研究的。因此,本论文以GO和CDs为基础,制备了GO、GO负载甲硝唑、GO负载ZnO纳米复合物、掺氮碳点、掺硼碳量子点作为功能碳纳米材料,并用SEM、TEM、XRD、XPS、N_2吸附-脱附及Raman光谱、FTIR及UV-vis光谱等表征,并研究了这些材料在载药、抗菌以及检测方面的性能。论文的主要内容和研究结果如下:首先综述了GO和CDs的基本结构和性质,总结了二者在生物医药领域中的应用现状,为本论文铺垫研究基础。鉴于GO负载抗炎药的研究较少、GO-ZnO纳米复合物的多种制备和抗菌应用以及简单快速制备掺杂CDs及在载药和检测应用中的可能性,指明本论文的研究方向。第二章以Hummers法为基础,对比了单独H_2SO_4和H_2SO_4-H_3PO_4混酸氧化体系制备GO,并负载甲硝唑(MTR)。结果表明混酸能更充分地氧化鳞片石墨粉,得到的GO非常薄、层间距为0.800 nm、具有石墨烯(001)晶面,连有羧基、羟基、环氧基、羰基等,比表面积为541.8 m~2·g~(-1),并且结构中存在更多无序度碳;GO负载MTR时,碱性条件、升高温度和增大甲硝唑的浓度都有利于GO-MTR载药体系的制备,药物负载量和载药率分别为494 mg·g~(-1)和98.8%,二者主要以π-π堆积、氢键和静电作用方式结合,吸附动力学更符合准二级,吸附等温线较符合Langmuir型;MTR的体外释放具有pH依赖性,酸性条件有利于药物释放。第三章采用三种方法分别制备了GO-ZnO纳米复合物,评价了不同材料对大肠杆菌(E.coli)和金黄色葡萄球菌(S.aureus)的抗菌性能。表明一步法制备的GO-ZnO结构较优,负载在GO上的ZnO是由众多粒径小于20 nm的六方纤锌矿结构的晶体组成的尺寸在200 nm以内的近似球状结构;复合物比单独ZnO有着更大的比表面积,说明GO能有效分散ZnO纳米粒子而减少其团聚;抗菌研究表明复合物对E.coli在0.5 h时的抗菌率达到99.9%以上,对S.aureus在持续抗菌4 h其抗菌率约为90%;GO-ZnO纳米复合物通过协同作用复合物产生的抗菌性能更强。第四章以最简单的氨基酸—甘氨酸为碳源、PEG-2000为修饰剂,采用一步水热法制备了掺氮碳点(N-CDs)并用于负载盐酸阿霉素(DOX)。结果表明N-CDs是由高度无序碳原子构成的纳米晶,粒径在5~21 nm的近似球状结构,具有366 nm的激发波长和442 nm的最大发射波长,水溶性和分散较好、发射蓝光的荧光碳点,量子产率为30%;N-CDs负载DOX的研究表明初始pH为9.00时,载药量和包封率分别是24.25mg·g~(-1)和77.23%,N-CDs以氢键、静电作用和π-π堆积作用负载DOX;药物释放具有pH依赖性,微酸性环境有利于DOX的释放,pH为5.50时,经23小时累积释药率达76.67%。第五章以柠檬酸为碳源、硼酸为硼源制备掺硼碳量子点(B-CQDs)作为荧光探针用于检测水中阿莫西林(AMX)。表明柠檬酸和硼酸在适当条件下反应可得到碳、硼原子摩尔比为5:1、pH约为3的B-CQDs,粒径小于5 nm、具有石墨相结构,量子产率为30.85%;作为探针检测AMX时,药物浓度、探针的pH以及温度都影响检测体系的荧光信号,AMX在1.43~429.12μmol·g~(-1)时体系荧光强度的增加量与AMX的浓度成线性关系,检测限为0.82μmol/L;机理研究表明AMX能有效分离B-CQDs,使其非辐射跃迁减少、改善其结构缺陷,从而提高了B-CQDs的荧光性能,二者主要以分子间氢键和可能存在的静电作用相结合,在288~313 K范围内两者的结合能力随温度升高而增强。本论文将为碳基纳米多功能材料用于生物医药领域奠定研究基础。
【学位单位】：西北大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB383.1;TQ127.11
【部分图文】：

常见的碳纳米材料2D氧化石墨烯2D还原氧化石墨烯0D石墨烯量子点

对磺胺类药物和青霉素、红霉素、土霉素、新霉素等，另外有报道在光照下超细 TiO2可快速杀灭 S. aureus如 1/100000 的龙胆紫液可抑制其生长[28]。因此寻找合项很有意义的研究。烯phite）存在于自然界中，是由一层层蜂窝状有序排列的平如图 1-1 和 1-5 所示。将石墨层层剥离成片状后，形成墨烯（Graphene），是当前已知最薄的 2D 碳纳米材料e Geim 和 Konstantin Novoselov 在 2004 年从石墨中用微获得 2010年诺贝尔物理学奖[29]。单层石墨烯的结构如图2D (Graphene)

图 1-6 不同结构模型的 GO[34]Figure 1-6 The different structure models of GO 氧化石墨烯的制备氧化石墨烯是石墨经氧化而生成的产物，1859 年牛津大学 Brodie 教授最先3和 KClO3的混合溶液处理石墨时得到氧化石墨[40]；接着 Staudenmaier 在 18Nakajima-Matsuo Hofmann Ruess Scholz-Boehm
【参考文献】

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本文编号：2885384