一种石墨烯载药抗菌复合织物及其制备方法
技术领域
本发明属于生物医学领域，特别是指一种石墨烯载药抗菌复合织物及其制备方法。
背景技术
纳米材料因其优良的性质，越来越多的被应用在生物医药领域。石墨烯纳米材料由碳原子以sp2杂化轨道组成，其优异的力学、电学、光学性能被广泛研究。石墨烯分子特有的芳香结构，使其化学稳定性好。氧化石墨烯（GO）呈二维蜂窝状晶格结构，氧化石墨烯表面不仅含有许多含氧官能团，同时还具有较多亲水分子，使其具备优良的生物相容性，同时这些官能团容易吸引可反应的官能团，为含有相对应官能团的药物提供了附着载点。氧化石墨烯的载药机理是将石墨烯进行羧基化、加成酰化、叠氮化、环加成、氟化等反应，通过这些反应在氧化石墨烯表面形成的丰富官能团，可以为石墨烯的进一步应用提供无限可能。利用此特性，氧化石墨烯可通过接枝聚乙酰亚胺材料，使其发生酰胺化反应，进行功能化改性，改善其在溶液介质中的分散性能，从而更好的负载药物，发挥其功能性。
自然界中的致病微生物生长发育迅猛，通过各种途径传播疾病，使人们受到疾病的折磨。尤其在医药敷料领域，探究抑菌性能必不可少，另外服用纺织品易于滋养细菌，这些细菌不仅对身体健康造成威胁，同时会对织物的力学性能、外观等造成一定的影响。因此，如何制备出性能优异的抗菌织物、载药敷料引发探究。
诺氟沙星（NFX）别称氟哌酸，是我们日常被用来消除体内细菌感染的特效药，诺氟沙星作为抗菌药物，在抑制细菌生长繁殖等方面发挥着着巨大的作用，诺氟沙星抑制细菌DNA旋转酶，阻止细菌的生长繁殖，从而达到灭菌的效果。尤其是对革兰氏阳性菌，如大肠杆菌、肺炎杆菌等等。同时诺氟沙星对金黄色葡萄球菌等革兰氏阴性菌也有较强的抑菌作用。诺氟沙星由于生物相容性好，外用对身体毒害小，目前常见的诺氟沙星作为抗菌材料主要应用在抗菌敷料上，抑制细菌生长从而促进伤口的愈合。诺氟沙星在水溶液或生理溶液中分散性能较差，但将其负载在改性过后的氧化石墨烯载体上，赋予其良好的分散性能，从而更好的发挥抗菌性。通过以上特性，考虑将诺氟沙星应用在织物或敷料上，制备出具有抗菌效果可穿戴的抗菌衣物或医用敷料，从而对人体起到一定的保护作用。
近年来，静电纺丝技术快速发展，尤其在生物医药领域，静电纺技术日趋成熟，静电纺形成的纳米纤维直径在几纳米到几百纳米，使其具备有足够细的尺度、超高的比表面积、较为稳定的尺寸以及较好的机械稳定性，同时纤维间空隙较小，发挥优异的性能。利用混纺的方式，将氧化石墨烯载药复合材料与聚丙烯腈（PAN）纺丝液或聚乙烯醇（PVA）混合制备出抗菌纳米纱线，或采用四针头对喷模式，将含有氧化石墨烯复合材料的溶液直接喷在聚丙烯腈纳米纤维上，从而集束成纱，赋予纱线更好的抗菌效果，利用传统机织技术，将纱线编织成具有抗菌效果的织物，在可穿戴纺织品或医用敷料领域上具有巨大的应用前景。
发明内容
本发明的目的是制备一种具有抗菌性能的负载药物石墨烯复合织物。氧化石墨烯具有特殊的二维结构，作为纳米复合材料的载体。可负载药物发挥其抗菌性能，诺氟沙星在水溶液介质中分散性能较差，影响诺氟沙星与氧化石墨烯的结合，在氧化石墨烯表面接枝聚乙烯亚胺，有效的避免了材料在水溶液中的聚集沉淀现象。利用静电纺丝技术，将石墨烯复合材料与纺丝高聚物混合或喷在纳米纤维上，集聚成纱，赋予纳米纱线优异的抗菌性能，进而编织成为抗菌织物。
本发明的技术方案是这样实现的：
一种石墨烯载药抗菌复合织物的制备方法，步骤如下：
（1）GO溶于超纯水中，超声条件下形成GO分散液，然后加入PEI溶液共混，调pH为6-10，再加入催化剂继续超声，然后室温搅拌20-30h，得GO-PEI分散液，经冷冻干燥得GO-PEI粉末；
（2）配制步骤（1）制得的GO-PEI粉末的水溶液，然后加入NFX，超声分散，调pH为3-5，继续超声后磁力搅拌，得反应液，经冷冻干燥得GO-PEI-NFX复合材料粉末；
（3）制备含有步骤（2）的GO-PEI-NFX复合材料粉末的纳米纤维纱线；
（4）利用机织方法将步骤（3）的纳米纤维纱线编织成纳米纤维织物，即为石墨烯载药抗菌复合织物。
所述步骤（1）中GO分散液的浓度为0.3-0.8mg/mL，PEI溶液的浓度为8-15 mg/mL，催化剂为EDC·HCl。
所述GO、PEI和催化剂的质量比为1:10:2:4。
所述步骤（2）中GO-PEI粉末的水溶液的浓度为0.2-0.5 mg/mL，GO-PEI粉末与NFX在反应液中的终浓度比例为1:5。
所述步骤（3）中纳米纤维纱线的制备方法为：将步骤（2）的GO-PEI-NFX复合材料粉末与高分子聚合物按1:（2-5）的质量比例混合溶于溶剂中配置成质量分数为10-15wt%纺丝液，经静电纺丝法制备纳米纤维纱线。
所述步骤（3）中纳米纤维纱线的制备方法为：将高分子聚合物溶于溶剂中配制质量分数为10-15wt%纺丝液，经静电纺丝制备高分子聚合物纳米纤维，然后将步骤（2）的GO-PEI-NFX复合材料粉末经静电喷涂至高分子聚合物纳米纤维上，得到纳米纤维纱线。
高分子聚合物为PAN或PVA，溶剂为DMF或水，高分子聚合物纳米纤维的直径为100-500nm。
静电纺丝的参数为：电压为14-22kv，纺丝溶液总流量为0.5-0.9mL/h ，金属喇叭的直径为10-20cm，金属喇叭与卷绕装置的垂直距离为40-60cm，喷头与金属喇叭的垂直距离为4-8cm，喷头与金属喇叭的水平距离为3-5cm，喷头的数目为2-16个，喷头内径0.26-0.86mm，正负喷头溶液流量比1:0.5-1，正负喷头间的距离13-17.5cm，卷绕速度40-53mm/min。
所述步骤（4）中纳米纤维纱线的直径为60-500μm，纳米纤维织物的层数大于等于1，织物结构为平纹织物，经密10-150根/5cm，纬密10-300根/5cm。
利用上述制备方法所制备的石墨烯载药抗菌复合织物。
本发明具有以下有益效果：
（1）本发明将通过乙二胺封端的聚乙烯亚胺（PEI）接枝到氧化石墨烯（GO）上，改善石墨烯的分散性和生物相容性，利用诺氟沙星的-OH与氧化石墨烯表面的-COOH的酯化反应，将诺氟沙星负载到复合材料上，制备具有高效抗菌性能的氧化石墨烯载药材料。通过直接混纺和静电喷涂的方法将石墨烯/诺氟沙星复合材料与聚丙烯腈/N,N-二甲基甲酰胺（PAN/DMF）、聚乙烯醇（PVA）/水静电纺纳米纤维纱线，得到基于石墨烯载药的抗菌纱线，编织成抗菌纳米纤维织物。本发明将传统纺织和静电纺丝技术相结合，将纳米复合材料纺入纤维，赋予织物高效抗菌性能。
（2）本发明利用氧化石墨烯的结构特性，负载药物，协同发挥二者性能，合成具有高效的抗菌性能和好的生物相容性得复合抗菌材料，解决了氧化石墨烯、诺氟沙星在水溶液中分散性不好的问题，使其具备在水介质下稳定分散的性能，提高实际应用潜能。
（3）本发明将静电纺丝技术与传统纺织技术相结合，制备纳米纤维织物，赋予纺织品抗菌性能，扩大了纳米纤维应用，使其在服用纺织品、生物敷料领域具有应用潜能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为静电纺丝装置示意图；1高压发生器、2金属喇叭、3喷头、4推注泵、5 纳米纤维纱线、6卷绕装置。
图2为抗菌织物抗菌性能测试结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例的石墨烯载药抗菌复合织物的制备方法，步骤如下：
（1）将氧化石墨烯溶于超纯水，将溶液转移至恒温超声仪中25℃恒温超声30min，形成浓度为0.5mg/ml GO均匀分散液；
（2）超声下加入10 mg/ml支链PEI共混调节反应液PH≈8，持续超声下加入催化剂EDC·HCl，继续超声后转移至磁力搅拌器上室温搅拌24h；
（3）将石墨烯与聚乙烯亚胺（PEI）通过超声共混方式合成的溶液冷冻，通过冷冻干燥机冻干出GO-PEI粉末；
（4）取0.25mg/ml GO-PEI粉末溶解于水中，加入诺氟沙星粉末，使得GO：NFX的浓度比为1：5，超声分散，调节反应液PH≈4，继续超声后在磁力搅拌器上搅拌；
（5）将反应液冷冻，置于冷冻干燥机制备GO-PEI-NFX复合材料粉末；
（6）将样品和高分子聚合物聚丙烯腈（PAN）溶解于N,N二甲基甲酰胺（DMF）中，于40℃下搅拌6h得到质量分数为15%的聚合物溶液，即为纺丝液；
（7）按照图示1搭建静电纺丝装置，将步骤（6）中的纺丝溶液加入到注射泵中制备连续的纳米纤维纱线，静电纺丝电压为22kv，纺丝溶液总流量为0.6mL/h，金属喇叭的直径为10cm，金属喇叭与卷绕装置的垂直距离为50 cm，喷头与金属喇叭的垂直距离为4cm，喷头与金属喇叭的水平距离为3cm，喷头的数目为4个，喷头内径0.4mm，正负喷头溶液流量比1:1，正负喷头间的距离17cm，卷绕速度50mm/min；
（8）利用机织的方法将步骤（7）中的纳米纤维纱线编织成纳米纤维织物，纳米纤维织物的层数为1，经密100根/5cm，纬密100根/5cm，得到纳米纤维织物。
实施例2
本实施例的石墨烯载药抗菌复合织物的制备方法，步骤如下：
（1）将氧化石墨烯溶于超纯水，将溶液转移至恒温超声仪中25℃恒温超声30min，形成浓度为0.5mg/ml GO 均匀分散液；
（2）超声下加入10 mg/ml支链 PEI共混调节反应液PH≈10，持续超声下加入催化剂EDC·HCl，继续超声后转移至磁力搅拌器上室温搅拌24h；
（3）将石墨烯与聚乙烯亚胺（PEI）通过超声共混方式合成的溶液冷冻，通过冷冻干燥机制备GO-PEI粉末；
（4）取0.25mg/ml GO-PEI粉末溶解于水中，加入诺氟沙星粉末，使得GO：NFX的浓度比为1：5，超声分散，调节反应液PH≈3，继续超声后在磁力搅拌器上搅拌，得GO-PEI-NFX抗菌溶液；
（5）将高分子聚合物聚丙烯腈PAN溶解于N,N二甲基甲酰胺（DMF）中，于40℃下搅拌6h得到质量分数为15%的聚合物溶液，即为纺丝液；
（6）按照图示1搭建静电纺丝装置，将步骤（4）的GO-PEI-NFX抗菌溶液与步骤（5）中的纺丝液分别加入到两个注射泵中，在纺纳米纤维纱线的过程中喷涂GO-PEI-NFX抗菌溶液，静电纺丝电压为23kv，纺丝溶液流量控制在0.06mL/h，材料溶液流量控制在0.6ml/h，金属喇叭的直径为10cm，金属喇叭与卷绕装置的垂直距离为50cm，喷头与金属喇叭的垂直距离为4cm，喷头与金属喇叭的水平距离为3 cm，喷头的数目为4个，喷头内径0.4mm，正负喷头溶液流量比2:1，正负喷头间的距离17 cm，卷绕速度50 mm/min；
（7）利用机织的方法将步骤（6）中的纳米纤维纱线编织成纳米纤维织物，纳米纤维织物的层数为1，经密100根/5cm，纬密100根/5cm，得到纳米纤维织物。
实施例3
本实施例的石墨烯载药抗菌复合织物的制备方法，步骤如下：
（1）将氧化石墨烯溶于超纯水，将溶液转移至恒温超声仪中25℃恒温超声30min，形成浓度为0.5mg/ml GO均匀分散液；
（2）超声下加入10 mg/ml支链 PEI共混调节反应液PH≈8，持续超声下加入催化剂EDC·HCl，继续超声后转移至磁力搅拌器上室温搅拌24h；
（3）将石墨烯与聚乙烯亚胺（PEI）通过超声共混方式合成的溶液冷冻，通过冷冻干燥机冻干出GO-PEI粉末；
（4）取0.25mg/ml GO-PEI粉末溶解于水中，加入诺氟沙星粉末，使得GO：NFX的浓度比为1：5，超声分散，调节反应液PH≈5，继续超声后在磁力搅拌器上搅拌；
（5）将反应液冷冻，置于冷冻干燥机冻干成为GO-PEI-NFX复合材料粉末；
（6）将GO-PEI-NFX复合材料粉末样品和高分子聚合物聚乙烯醇（PVA）溶解于超纯水中，于90℃下机械搅拌4h得到质量分数为10%的聚合物溶液；
（7）按照图示1搭建静电纺丝装置，将步骤（6）中的纺丝溶液加入到注射泵中制备连续的纳米纤维纱线，静电纺丝电压为23kv，纺丝溶液总流量为0.6mL/h ，金属喇叭的直径为10cm，金属喇叭与卷绕装置的垂直距离为50cm，喷头与金属喇叭的垂直距离为4cm，喷头与金属喇叭的水平距离为3 cm，喷头的数目为4个，喷头内径0.4mm，正负喷头溶液流量比1:1，正负喷头间的距离18cm，卷绕速度50mm/min；
（8）利用机织的方法将步骤（7）中的纳米纤维纱线编织成纳米纤维织物，纳米纤维织物的层数为1，经密100根/5cm，纬密100根/5cm，得到纳米纤维织物。
实施例4
本实施例的石墨烯载药抗菌复合织物的制备方法，步骤如下：
（1）将氧化石墨烯溶于超纯水，将溶液转移至恒温超声仪中25℃恒温超声30min，形成浓度为0.3mg/ml GO均匀分散液；
（2）超声下加入8 mg/ml支链 PEI共混调节反应液PH≈8，持续超声下加入催化剂EDC·HCl，继续超声后转移至磁力搅拌器上室温搅拌24h；
（3）将石墨烯与聚乙烯亚胺（PEI）通过超声共混方式合成的溶液冷冻，通过冷冻干燥机冻干出GO-PEI粉末；
（4）取0.5mg/ml GO-PEI粉末溶解于水中，加入诺氟沙星粉末，使得GO：NFX的浓度比为1：5，超声分散，调节反应液PH≈3，继续超声后在磁力搅拌器上搅拌；
（5）将反应液冷冻，置于冷冻干燥机冻干成为GO-PEI-NFX复合材料粉末；
（6）将GO-PEI-NFX复合材料粉末样品和高分子聚合物聚乙烯醇（PVA）按质量比1:2溶解于超纯水中，于90℃下机械搅拌4h得到质量分数为15%的聚合物溶液，即为纺丝液；
（7）按照图示1搭建静电纺丝装置，将步骤（6）中的纺丝溶液加入到注射泵中制备连续的纳米纤维纱线，静电纺丝电压为14kv，纺丝溶液总流量为0.5mL/h ，金属喇叭的直径为10cm，金属喇叭与卷绕装置的垂直距离为40cm，喷头与金属喇叭的垂直距离为4cm，喷头与金属喇叭的水平距离为3cm，喷头的数目为2个，喷头内径0.26mm，正负喷头溶液流量比1:0.5，正负喷头间的距离13cm，卷绕速度40mm/min；
（8）利用机织的方法将步骤（7）中的纳米纤维纱线编织成纳米纤维织物，纳米纤维织物的层数为大于等于1，经密10根/5cm，纬密10根/5cm，得到纳米纤维织物。
实施例5
本实施例的石墨烯载药抗菌复合织物的制备方法，步骤如下：
（1）将氧化石墨烯溶于超纯水，将溶液转移至恒温超声仪中25℃恒温超声30min，形成浓度为0.3mg/ml GO均匀分散液；
（2）超声下加入8 mg/ml支链 PEI共混调节反应液PH≈6，持续超声下加入催化剂EDC·HCl，继续超声后转移至磁力搅拌器上室温搅拌24h；
（3）将石墨烯与聚乙烯亚胺（PEI）通过超声共混方式合成的溶液冷冻，通过冷冻干燥机冻干出GO-PEI粉末；
（4）取0.5mg/ml GO-PEI粉末溶解于水中，加入诺氟沙星粉末，使得GO：NFX的浓度比为1：5，超声分散，调节反应液PH≈4，继续超声后在磁力搅拌器上搅拌；
（5）将反应液冷冻，置于冷冻干燥机冻干成为GO-PEI-NFX复合材料粉末；
（6）将GO-PEI-NFX复合材料粉末样品和高分子聚合物聚乙烯醇（PVA）按质量比1:2溶解于超纯水中，于90℃下机械搅拌4h得到质量分数为15%的聚合物溶液，即为纺丝液；
（7）按照图示1搭建静电纺丝装置，将步骤（6）中的纺丝溶液加入到注射泵中制备连续的纳米纤维纱线，静电纺丝电压为14kv，纺丝溶液总流量为0.5mL/h ，金属喇叭的直径为10cm，金属喇叭与卷绕装置的垂直距离为40cm，喷头与金属喇叭的垂直距离为4cm，喷头与金属喇叭的水平距离为3cm，喷头的数目为2个，喷头内径0.26mm，正负喷头溶液流量比1:0.5，正负喷头间的距离13cm，卷绕速度40mm/min；
（8）利用机织的方法将步骤（7）中的纳米纤维纱线编织成纳米纤维织物，纳米纤维织物的层数为大于等于1，经密10根/5cm，纬密10根/5cm，得到纳米纤维织物。
实施例6
本实施例的石墨烯载药抗菌复合织物的制备方法，步骤如下：
（1）将氧化石墨烯溶于超纯水，将溶液转移至恒温超声仪中25℃恒温超声30min，形成浓度为0.3mg/ml GO 均匀分散液；
（2）超声下加入15 mg/ml支链 PEI共混调节反应液PH≈10，持续超声下加入催化剂EDC·HCl，继续超声后转移至磁力搅拌器上室温搅拌24h；
（3）将石墨烯与聚乙烯亚胺（PEI）通过超声共混方式合成的溶液冷冻，通过冷冻干燥机制备GO-PEI粉末；
（4）取0.2mg/ml GO-PEI粉末溶解于水中，加入诺氟沙星粉末，使得GO：NFX的浓度比为1：5，超声分散，调节反应液PH≈4，继续超声后在磁力搅拌器上搅拌，得GO-PEI-NFX抗菌溶液；
（5）将高分子聚合物聚丙烯腈PAN溶解于N,N二甲基甲酰胺（DMF）中，于40℃下搅拌6h得到质量分数为10%的聚合物溶液，即为纺丝液；
（6）按照图示1搭建静电纺丝装置，将步骤（4）的GO-PEI-NFX抗菌溶液与步骤（5）中的纺丝液分别加入到两个注射泵中，在纺纳米纤维纱线的过程中喷涂GO-PEI-NFX抗菌溶液，静电纺丝电压为22kv，纺丝溶液总流量为0.9mL/h ，金属喇叭的直径为20cm，金属喇叭与卷绕装置的垂直距离为60cm，喷头与金属喇叭的垂直距离为8cm，喷头与金属喇叭的水平距离为5cm，喷头的数目为16个，喷头内径0.86mm，正负喷头溶液流量比1:1，正负喷头间的距离17.5cm，卷绕速度53mm/min；
（7）利用机织的方法将步骤（6）中的纳米纤维纱线编织成纳米纤维织物，纳米纤维织物的层数为1，经密100根/5cm，纬密100根/5cm，得到纳米纤维织物。
实施效果例
将实施例1制备的纳米纤维织物与金黄色葡萄球菌、大肠杆菌共同培养24h，GO-PEI-NPX抗菌剂发挥抗菌活性，利用琼脂扩散法测试其抗菌性，观察培养基均未显示菌斑见图2，织物具有高效抗菌活性，抗菌率均大于99.99%，具有实际应用潜能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
