一种碳纳米材料-透明质酸钠复合物及其制备方法

技术领域

本发明属于碳纳米材料技术领域，具体涉及一种碳纳米材料-透明质酸钠复合物及其制备方法。

背景技术

常见的一些碳材料包括富勒烯，竹炭等等。富勒烯是一种非极性分子，具有强烈的疏水性，不溶于水，仅能够溶于对生物体有害的非极性有机溶剂如甲苯。富勒烯因其独特的结构和理化性质，使其具有较强的接受电子的能力，具有优异的清除自由基性能，被称为“自由基海绵”，同时还表现出了优异的抗氧化性能，能够持久淬灭自由基的性能，已被应用到化妆品行业中。竹炭具有疏松多孔的结构，其分子细密多孔，质地坚硬，有很强的吸附能力，目前已广泛应用于日常生活中，尤其是在医药卫生方面，长期使用竹炭牙膏、香皂、洗面奶、美容霜和竹炭浴，能促进皮肤角质软化，使皮肤增白清爽，光滑柔润，起到护理皮肤的作用。且对皮肤病有一定的预防和治疗效果。然而富勒烯，竹炭等碳材料难溶于水从而限制了其应用。

现在已有一些文献报道了水溶化碳材料的相关产品，然而这些产品大多使用的是聚乙烯吡咯烷酮(pvp)为表面活性剂来实现碳材料在水溶液中稳定存在，然而该方法中使用的pvp已被美国卫生及公共服务部列为致癌物，且富勒烯的浓度极低，不到1％。又如201810871219.7中以各种表面活性剂与富勒烯球磨或研磨，其重量比高达50-200：1；表面活性剂用量太高，很多表面活性剂都具有较高的生物毒性从而会限制富勒烯的用量，富勒烯浓度太低又会影响产品效果，此外其分散体粒径分布高达690-700nm，会大大影响细胞对产品的吸收和利用；而其球磨或研磨的时间过长，转速过高极易破坏富勒烯的碳笼结构从而影响其清除自由基的能力。

富勒烯，竹炭等碳材料的疏水性性质极大地限制了其在水溶性条件下的作用。

发明内容

鉴于上述分析，本发明旨在提供一种碳纳米材料-透明质酸钠复合物及其制备方法，至少能够解决以下技术问题之一：(1)碳材料的水溶性差，限制了其应用；(2)现有方法通过加入大量PVP等表面活性剂提高富勒烯的水溶性，PVP等增溶剂会对人体产生一定的毒性，甚至有致癌风险；(3)现有的方法要么使用大量强酸强碱，要么产率极低，难实现大规模产业化且稳定性差。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种碳纳米材料-透明质酸钠复合物的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、将碳材料、透明质酸钠球磨混合，得到第一混合物；

步骤2、在上述第一混合物中加入H

步骤3、在第二混合物中加入水，超声得到悬浊液；

步骤4、将悬浊液离心去掉沉淀得到碳纳米材料-透明质酸钠复合物溶液。

进一步的，步骤1中，透明质酸钠是酶切寡聚透明质酸钠、超活透明质酸钠、水解透明质酸钠或大分子透明质酸钠。

进一步的，步骤1中，透明质酸钠的分子量为1kDa～100kDa。

进一步的，步骤1中，碳材料为富勒烯，竹炭，石墨烯，石墨炔，碳纳米管或碳量子点。

进一步的，步骤1中，球磨球体的直径不得大于100微米。

进一步的，步骤2中，碳材料、透明质酸钠和双氧水的比例为1～10g:1～10g:1～20ml。

进一步的，步骤2中，碳材料、透明质酸钠的质量比为1：0.8～2。

进一步的，步骤2中，球磨转速为200～600r/min，球磨时间0.5～9h。

进一步的，还包括：

步骤5、将碳纳米材料-透明质酸钠复合物溶液用喷雾干燥器干燥得干粉。

本发明还提供了一种碳纳米材料-透明质酸钠复合物，采用上述制备方法制备得到。

与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：

a)本发明的方法通过先将碳材料和透明质酸钠球磨混合，借助球磨的机械能使反应物充分接触混合；随后加入双氧水使得透明质酸钠在球磨和双氧水的作用下降解，当透明质酸钠降解到一定程度后，可以在包裹碳材料的同时与碳材料形成很稳定的共轭结构的水溶性好的碳纳米材料-透明质酸钠复合物，并且本发明的制备方法得到的碳纳米材料-透明质酸钠复合物的稳定性好。

b)碳材料为富勒烯时，富勒烯的抗氧化性又可以保护透明质酸钠，防止透明质酸钠在水解过程中被氧化；水解后的小分子透明质酸钠可以将富勒烯分子包裹起来，起到物理增溶的作用，解决了富勒烯水溶性问题。同时大分子透明质酸钠边包裹富勒烯边降解缩短大分子透明质酸钠长链条的形式进行，与直接用PVP包裹的富勒烯相比，包裹的更小，更均匀，大大增加了富勒烯与自由基的接触几率从而提高自由基的清除率。

c)本发明的方法制备得到的碳纳米材料-透明质酸钠复合物中不含PVP等会对人体产生一定的毒性，甚至有致癌风险的物质，安全有效，效果好。

d)本发明的制备方法简单，引入杂质少，全链条时间短，能适用于大规模工业化生产，并且采用本发明的制备方法碳纳米材料的水溶率高。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体发明的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1是本发明的实施例1的碳纳米材料-透明质酸钠复合物溶液的实物图；

图2是本发明的实施例1中不同富勒烯与酶切寡聚透明质酸钠(酶切HA)用量配比下的紫外吸收曲线；

图3是本发明的实施例1中不同球磨条件下的紫外吸收曲线；

图4是本发明的实施例1与对比例1的紫外吸收曲线；

图5是本发明的对比例2的稳定性测试结果；

图6是本发明的实施例1中6#样品的稳定性测试结果；

图7是本发明的实施例1的6#样品的稳定性测试后的紫外吸收曲线；

图8是本发明的实施例1的碳纳米材料-透明质酸钠复合物的粒径分布；

图9是本发明的实施例2的碳纳米材料-透明质酸钠复合物溶液的实物图；

图10a是对比例4的样品的细胞毒性实验结果示意图；

图10b是本发明的实施例1的样品的细胞毒性实验结果示意图；

图11是本发明的实施例1的样品的质谱检测结果示意图；

图12是本发明的实施例1的样品和酶切寡聚透明质酸钠的FTIR表征示意图；

图13是本发明的实施例1的碳纳米材料-透明质酸钠复合物干粉的实物图；

图14a是本发明的碳材料-透明质酸钠复合物在100℃下放置一周后不产生沉淀的实物图；

图14b是本发明的碳材料-透明质酸钠复合物在-80℃下反复冻融后不产生沉淀的实物图。

具体实施方式

以下结合具体实施例对一种碳纳米材料-透明质酸钠复合物及其制备方法作进一步的详细描述，这些实施例只用于比较和解释的目的，本发明不限定于这些实施例中。

富勒烯，竹炭等碳材料的疏水性性质极大地限制了其在水溶性条件下的作用，一般需要添加增溶剂，现有的碳材料水溶化技术多是通过利用加入大量PVP等表面活性剂提高富勒烯的水溶性，此种方法存在三个缺点：1、皮肤长期接触PVP等增溶剂会对人体产生一定的毒性，甚至有致癌风险；2、生物利用率差，PVP直接增溶会增加富勒烯与自由基之间的左右距离，大大降低了富勒烯自由基清除效率；3、现有的方法要么使用大量强酸强碱，要么产率极低，难实现大规模产业化且稳定性差。

本发明提供了一种碳纳米材料-透明质酸钠复合物的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、将碳材料、透明质酸钠球磨混合，得到第一混合物；

步骤2、在上述第一混合物中加入H

步骤3、在第二混合物中加入水，超声得到悬浊液；

步骤4、将悬浊液离心去掉沉淀得到碳纳米材料-透明质酸钠复合物溶液；

步骤5、将碳纳米材料-透明质酸钠复合物溶液采用180℃喷雾干燥器去掉多余H

具体的，上述步骤1中，碳材料可以是富勒烯，例如C

具体的，上述步骤1中，碳材料的平均粒径为1nm～1μm。

具体的，上述步骤1中，碳材料优选富勒烯。

具体的，上述步骤1中，透明质酸钠的分子量为1kDa～100kDa。

具体的，上述步骤1中，透明质酸钠可以是酶切寡聚透明质酸钠、超活透明质酸钠、水解透明质酸钠或大分子透明质酸钠等，优选酶切寡聚透明质酸钠。

具体的，上述步骤1中，酶切寡聚透明质酸钠的分子量为3000～10000Da。

具体的，上述步骤1，主要作用是：球磨使透明质酸钠与碳材料充分接触混合均匀，同时细化一些结块的碳材料使碳材料颗粒的尺寸充分细化有利于水溶化；且优选球磨球体的直径不得大于100微米；当球磨球体的直径大于100微米时，对纳米材料的分散起不到作用。更优选球磨球体的直径15～30微米。

具体的，步骤1中，球磨可以在玛瑙球磨罐中进行，球磨时间过短，球磨转速过小发挥不了球磨物理搅拌，分散细化碳材料的效果，然而球磨时间过长，球磨转速过大会破坏富勒烯的碳笼结构从而影响清除自由基的效果；因此，控制球磨转速为350～600r/min，球磨时间1～3h。例如，球磨转速为400r/min、430r/min、450r/min、500r/min、530r/min、550r/min、600r/min；球磨时间为2h、3h。

具体的，步骤2中涉及的反应如下：机械力导致透明质酸钠大分子链中间的共价键断裂，且球磨产生的高温使得分子链断裂。

具体的，步骤2中，H

具体的，步骤2中控制碳材料、透明质酸钠和双氧水的比例为1～10g:1～10g:1～20ml。

优选的，步骤2中控制碳材料和透明质酸钠的质量比为1：0.8～2。

具体的，步骤2中，加入H

具体的，步骤2中，球磨转速过小发挥不了球磨物理搅拌混合，分散碳材料的效果，然而球磨时间过长，球磨转速过大会破坏富勒烯的碳笼结构从而影响清除自由基的效果；因此，控制球磨转速为200～600r/min，球磨时间0.5～9h。例如，球磨转速为250r/min、300r/min、330r/min、350r/min、400r/min、450r/min、500r/min、530r/min、550r/min、600r/min；球磨时间为1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h、5h、5.5h、6h、6.5h、7h、7.5h、8h、8.5h。优选3～5h。

具体的，步骤3中，为了减少杂质污染，水可以采用超纯水。

步骤3加超纯水的目的是将玛瑙罐和玛瑙珠上的溶液清洗下来，超纯水的量约100～500ml为宜。超声的作用是为了降低纳米颗粒的团聚，优选超声时间15min，频率45kHz。超声时间太短，频率太低，发挥不了超声破除纳米颗粒间软团聚的作用，而超声时间太长，频率太高，会使体系的温度升高，纳米颗粒的布朗运动增强，更易碰撞使得纳米颗粒重新团聚。所以超声时间控制在0～30min，例如5～30min；频率20～100kHz。

具体的，步骤3中，悬浊液中主要包括超纯水，降解后小分子透明质酸钠，小分子透明质酸钠包裹的碳纳米材料，少量未成功包裹形成共轭体系的碳纳米材料。

具体的，步骤4中，为去除少量未成功包裹形成共轭体系的碳纳米材料，采用离心的方式去掉沉淀。

具体的，步骤4中，离心转速为4000～10000rpm，离心时间1～10min；为更好的去除少量未成功包裹形成共轭体系的碳纳米材料，重复离心2～3次取上层溶液。

具体的，步骤5中，将溶液喷雾干燥得到碳纳米材料-透明质酸钠复合物干粉。

考虑到步骤5中，喷雾干燥的其中一个作用是去掉多余的H

具体的，步骤5中得到的碳纳米材料-透明质酸钠复合物干粉的粒径为90～140nm，例如100～140nm。

具体的，步骤5中得到的碳纳米材料-透明质酸钠复合物中的透明质酸钠包裹碳材料的同时与碳材料形成很稳定的共轭结构。

具体的，步骤5中得到的碳纳米材料-透明质酸钠复合物干粉水溶性好，稳定性好，安全有效。所得的碳材料-透明质酸钠复合物即便在100℃下放置一周或在-80℃下反复冻融仍然能够在水中稳定存在，不产生沉淀，如图14a、14b所示。

本发明的制备方法中，步骤4中，碳纳米材料的水溶率(即产率)为1.83％～61.8％，优选方案中，碳纳米材料的水溶率为31.93％～61.8％。

与现有技术相比，本发明的方法通过先将碳材料和透明质酸钠球磨混合，借助球磨的机械能使反应物充分接触混合；随后加入双氧水使得透明质酸钠在球磨和双氧水的作用下降解，当透明质酸钠降解到一定程度后，可以在包裹碳材料的同时与碳材料形成很稳定的共轭结构的到水溶性好的碳纳米材料-透明质酸钠复合物。

碳材料为富勒烯时，富勒烯的抗氧化性又可以保护透明质酸钠，防止透明质酸钠在水解过程中被氧化；水解后的小分子透明质酸钠可以将富勒烯分子包裹起来，起到物理增溶的作用，解决了富勒烯水溶性问题。同时大分子透明质酸钠边包裹富勒烯边降解，缩短大分子透明质酸钠长链条的形式进行，与直接用PVP包裹的富勒烯相比，包裹的更小，更均匀，大大增加了富勒烯与自由基的接触几率从而提高自由基的清除率。

本发明的方法制备得到的碳纳米材料-透明质酸钠复合物中不含PVP等会对人体产生一定的毒性，甚至有致癌风险的物质，安全有效，效果好。

本发明的制备方法简单，引入杂质少，全链条时间短，能适用于大规模工业化生产，并且采用本发明的制备方法碳纳米材料的水溶率高。

实施例1

本实施例提供了一种碳纳米材料-透明质酸钠复合物的制备方法，包括：

步骤1、称取0.5g富勒烯(C60)，0.5g酶切寡聚透明质酸钠(分子量8550Da，简称酶切HA)，放入250ml玛瑙球磨罐，球磨3h，转速600r/min；其中，球磨球体的直径为20～30微米；

步骤2、再加入1.68ml浓度30％的H

步骤3、用100ml超纯水将玛瑙球磨罐中的样品洗出，超声15min；

步骤4、将混合物进行10000rpm，离心10min；取上层液体，去掉不溶物沉淀；重复2次，得到碳纳米材料-透明质酸钠复合物溶液；

步骤5、将步骤4获得的溶液180℃喷雾干燥得到碳纳米材料-透明质酸钠复合物干粉。干粉如图13所示。

本实施例制备得到的碳纳米材料-透明质酸钠复合物水溶性好，如图1所示；并测试了其粒径分布如图8所示，大部分粒径分布在100～140nm。

为了探索富勒烯与酶切寡聚透明质酸钠用量的最佳配比，在只改变酶切寡聚透明质酸钠用量的条件下，其他条件都不变进行试验；如下表1：

表1不同富勒烯与酶切寡聚透明质酸钠用量比的实验结果

由上表可以看出在单一变量的情况下，富勒烯与酶切寡聚透明质酸钠用量的最佳配比为1:1。图2为不同富勒烯与酶切寡聚透明质酸钠(酶切HA)用量配比下的紫外吸收曲线。

为了探索加入双氧水后最佳球磨时间，在只改变加入双氧水后球磨时间的条件下，其他条件都不变进行试验；结果如图3和下表2所示：

表2不同球磨条件的实验结果

由上表可以看出在富勒烯与酶切寡聚透明质酸钠用量配比为1:1时，加入双氧水后最佳球磨时间为5h，此时水溶率最高为61.8％，此外随着球磨时间的延长富勒烯特征峰的位置由343nm(这是由于透明质酸钠的影响使得富勒烯特征峰发生了位移)变为340nm，随着球磨时间延长，透明质酸钠对富勒烯特征峰位移的影响变小使得富勒烯特征峰又回到了原本的位置，也说明了球磨时间延长促进透明质酸钠降解。

对比例1

称取0.5g富勒烯(C60)，0.5g透明质酸钠(分子量1M-1.8M Da)，放入250ml玛瑙球磨罐，球磨3h，转速600r/min；再加入1.68ml浓度30％的H

对比例2

称取0.5g富勒烯(C60)，0.5g酶切寡聚透明质酸钠，分子量8550Da，放入250ml玛瑙球磨罐，球磨3h，转速600r/min；再加入1.68ml超纯水继续球磨5h，转速600r/min；用100ml超纯水将玛瑙球磨罐中的样品洗出。将混合物进行10000rpm，离心10min；取上层液体，去掉不溶物沉淀；重复2次，获得的溶液180℃喷雾干燥得到干粉。

对比例3

对比例3的实验步骤和条件与实施例1的8#的相同，不同之处在于球磨球体的直径为105～120微米。

对比例4

直接称取0.5g富勒烯(C60)和0.5g pvp(pvp的分子量为58000Da)，放入250ml玛瑙球磨罐，球磨3h，转速600r/min；再加入1.68ml超纯水继续球磨5h，转速600r/min；用100ml超纯水将玛瑙球磨罐中的样品洗出。将混合物进行10000rpm，离心10min；取上层液体，去掉不溶物沉淀；重复2次。

如图4，根据实施例1的8#与对比例1可以看出：在其他条件都一致的情况下将酶切寡聚透明质酸钠(分子量8550Da)换为透明质酸钠(分子量1M-1.8M Da)后，随着透明质酸钠分子量的增大，富勒烯的特征峰越不明显；且特征峰的位置由343nm变为357nm。其中实施例1与对比例1种富勒烯的水溶率分别为61.8％和27.3％。

根据实施例1的8#与对比例2可以看出：在其他条件都一致的情况下，将双氧水换为同体积的水后，明显可以看出富勒烯的特征峰的位置由343nm变为348.5nm，证明了加入双氧水促进了酶切寡聚透明质酸钠的降解。其中实施例1与对比例2中富勒烯的水溶率分别为61.8％和6％。

实施例1与对比例3中富勒烯的水溶率分别为61.8％和44.4％。根据实施例1与对比例3可以看出：球磨球体的直径控制的精确能够促进透明质酸钠与碳材料充分接触混合均匀；进而提高富勒烯的水溶率。

可见，本发明的制备方法中，各个原料和参数的控制非常严格，如果不在本发明的参数控制范围内，碳纳米材料的水溶率低。

实施例2

步骤1、称取0.5g竹炭，0.5g酶切寡聚透明质酸钠，分子量8550Da，放入250ml玛瑙球磨罐，球磨3h，转速600r/min；球磨球体的直径15～30微米；

步骤2、再加入1.68ml浓度30％的H

步骤3、用100ml超纯水将玛瑙球磨罐中的样品洗出，超声15min。

步骤4、将混合物进行10000rpm，离心10min；取上层液体，去掉不溶物沉淀；重复2次。

步骤5、将步骤4获得的溶液180℃喷雾干燥得到干粉。

本实施例制备得到的竹炭-透明质酸钠复合物水溶性好，如图9所示。

稳定性测试

取对比例2的样品溶液20ml放入60摄氏度烘箱后5h，溶液底部出现沉淀，如图5所示。

取实施例中6#的样品溶液20ml，放入60℃烘箱，100℃烘箱一周，以及-20℃冰箱和-80℃冰箱反复冻融3次，样品溶液仍未见沉淀产生，如图6所示。并测试了紫外光谱如图7，富勒烯特征峰的峰形状和峰位置均未发生变化。

取实施例中3#、4#、7#、8#、9#、10#的样品溶液各20ml，放入60℃烘箱，100℃烘箱一周，以及-20℃冰箱和-80℃冰箱反复冻融3次，样品溶液均未见沉淀产生，可见，本发明的制备方法得到的碳纳米材料-透明质酸钠复合物的稳定性好。

细胞毒性实验：

将实施例1与对比例4的样品进行细胞毒性实验，可以看出对比例4的材料浓度为6μg/ml与角质形成细胞共同孵育24小时，细胞的存活率只有42％，当浓度为24ppm时细胞的存活率只有3.8％。而实施例1即使浓度高达400μg/ml时，细胞的存活率仍在95％以上，充分表明了本发明合成的复合物拥有良好的生物安全性。如图10。

质谱检测：

采用基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱(MALDI-TOF-MS)(BrukerUltrafleXtreme)来检测实施例1得到的富勒烯-透明质酸钠复合物中的富勒烯碳笼结构的完整性。证明了本发明在合成水溶性好的富勒烯-透明质酸钠复合物的同时并没有破坏富勒烯特有的碳笼结构。如图11所示。

FTIR表征：采用KBr压片法进行测试。采用傅里叶变换红外光谱仪对实施例1样品和酶切寡聚透明质酸钠进行分析，两种样品的红外特征峰对比无明显变化，说明富勒烯C60是稳定存在酶切寡聚透明质酸钠中，并未形成新物质。如图12。

ABTS清除实验

7mM ABTS水溶液＝0.0192g ABTS+5ml dd H

ABTS对照液：2ml ABTS溶液+2ml ddH

空白对照：5ml ddH

Control A液＝1ml dd ddH

不同浓度的材料对照：2ml系列浓度的实施例1材料液+2ml control A液；

反应：2ml ABTS溶液+2ml系列浓度材料溶液，避光反应10min，测量紫外。

数据处理：取734nm处波长进行处理

ABTS清除率＝{A

表3富勒烯-透明质酸钠复合物对自由基ABTS的清除效果

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。