蘇州大學呂強教授課題組在大規模製備生物相容性良好的石墨烯上取得新進展

石墨烯由於其優異的力學、光電性能和高的比表面積，在組織工程、藥物傳遞、生物成像等領域得到了廣泛的關注。在生物良性條件下簡單地進行石墨烯的大規模製備是這些生物應用的首要條件。目前，研究者們通過液相剪切剝離石墨的方法成功進行了石墨烯的規模化生產。並且一些生物大分子如蛋白質、多肽等已被成功用於製備石墨烯分散體系，但是這些生物分子的稀有來源和昂貴的價格限制了石墨烯的大規模生產。因此如何通過簡單、經濟的方法製備石墨烯並且得到較高的濃度和產量需要進一步研究。

為了提高剝離體系的優越性，呂強教授團隊通過對絲蛋白納米結構的設計，引入絲蛋白納米纖維作為石墨烯剝離的穩定劑，製備了濃度可達8mg mL-1的石墨烯分散液。同時由於絲蛋白納米纖維的高負電性以及良好的生物相容性，使石墨烯分散液保持長時間穩定性以及低的細胞毒性。圖1展示了用絲蛋白納米纖維（SNFs）剝離石墨烯的示意圖。在液相環境下，高速剪切作用將石墨剪切成石墨烯片層，絲蛋白納米纖維通過疏水作用附著在石墨烯表面，高的負電性使得分散體系保持穩定而不聚集。並且，高速離心可去除大部分絲蛋白納米纖維，得到純的石墨烯分散液。

圖1. 用絲蛋白納米纖維剝離石墨烯的製備流程

該團隊進一步優化了不同條件（SNF濃度、石墨濃度、溶液體積、剝離時間以及攪拌速率）以得到高濃度的穩定分散的液相石墨烯(圖2)。 最終在石墨濃度20 mg mL-1, SNF 5 mg mL-1，剝離時間1 h，攪拌速率45 krpm的條件下得到了濃度大於8 mg mL-1、產率大於30%的石墨烯分散液，為大規模生產石墨烯提供了有希望的途徑。

圖2. 石墨烯濃度與不同影響因素之間的關係：（A）絲蛋白納米線的濃度（B）石墨的濃度（C）轉速（D）剝離時間（E）體積

圖3.石墨烯片層微觀形態的分析：(A)石墨烯的TEM圖像；(B)石墨烯片層橫向尺寸的統計；（C）石墨烯的AFM圖像；（D）石墨烯片層的高度統計

接下來，研究團隊通過TEM和AFM表徵了石墨烯的微觀形態（圖3）。石墨烯的橫向尺寸在100-800 nm分布，高度在1-4 nm，為少層的石墨烯。

圖4. (A)與石墨烯共培養24h後的細胞熒光圖像，標尺=150μm；(B)細胞與石墨烯共培養24h的CCK-8結果；（C）石墨烯塗覆的紙的截面和表面SEM圖像；（D）通過發光二極體驗證的石墨烯的導電性

優質的大規模生產，生物友好的製備方式以及低缺陷的的少層結構使得石墨烯在生物醫學中具有良好的應用前景。結合絲蛋白納米纖維優異的生物相容性，該研究用石墨烯分散液培養骨髓間充質幹細胞（BMSCs），評價體外細胞相容性。CCK-8測試結果表明，在與石墨烯共培養24h之後，細胞仍保持良好的活性（80%）。該團隊製備的石墨烯的導電性為 1100 S m ?1 ，以及通過發光二極體、電池、石墨烯塗覆紙驗證了它的高導電性。

以上相關成果發表在ACS Appl.Mater.Interfaces(DOI:10.1021/acsami.8b04777)上。論文的第一作者為蘇州大學紡織學院碩士研究生生張筱旖，通訊作者為蘇州大學的呂強教授。

論文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021%2Facsami.8b04777

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