近年来,随着生物材料的不断发展,具有促进伤口愈合、抗菌及良好生物相容性的生物高分子材料的研制已成为生物医学工程的前沿课题;医用敷料是针对伤口的实际情况,为伤口的愈合提供特殊功能的材料,其在伤口愈合过程中,可以替代受损的皮肤起到暂时性的屏障作用,避免或控制伤口感染,提供有利于创面愈合的环境。其研发涉及了生物、生理、生化及医学、高分子材料等众多领域的专业技术。随着对医用敷料的深入研究,人们认识到医用敷料的功能不仅仅是作为覆盖物遮盖于伤口表面,还必须具有良好的润湿性能、能控制伤口感染及并发症的发生以及促进伤口愈合的能力。但在临床研究中,伤口的细菌感染仍然是非常普遍的问题。因此,开发一种具有抗伤口感染、良好生物相容性、促进伤口愈合能力的医用敷料是必然趋势。氧化石墨烯(GeneO)是一种具有优越生物相容性的生物材料,能够促进人类及哺乳类动物细胞的生长,其优异的生物相容性使得氧化石墨烯材料能够广泛应用于组织工程、组织植入、伤口治疗以及药物释放等应用之中,而其易于功能化的特性使得氧化石墨烯基材料能够成为合成各种功能材料的理想的候选材料。L-氨基酸是一种天然的两性离子,其与生物体具有良好的兼容性,是最理想的合成生物材料的基材,而其表面具有的羧基及氨基基团使其具有较强的化学反应活性和附载生物功能化官能团的能力、较高的载药能力及生物可降解性。而且L-氨基酸能够在伤口愈合过程中提供主要的蛋白质及胶原蛋白来合成细胞壁、酶及细胞生长因子,而蛋白质的消耗能够影响伤口愈合的速率及质量。聚乙烯醇(PVA)则是一种无毒无刺激性的具有良好生物相容性的水溶性的高分子材料。由于其生物可降解性、良好的机械性能以及易加工等特性,被广泛作为制备医用敷料的基材。鉴于此,本课题选用具有良好生物相容性的羧基化氧化石墨烯作为基体材料,将具有优良生物相容性的L-酪氨酸(L-Tyrosine,L-Tyr)及L-精氨酸(L-Arginine,L-Arg)和具有抗菌功能的稀土镧离子(La3+)协同改性羧基化氧化石墨烯(GeneO-COOH),再与具有良好亲水性、生物可降解、环境友好型的聚乙烯醇(Polyvinyl alcohol,PVA)反应,设计合成了一系列聚乙烯醇/功能化氧化石墨烯纳米复合材料(纳米医用敷料)。(1)首先针对氧化石墨烯对于细胞,尤其是人类血红细胞及皮肤成纤维细胞生长有一定的抑制作用这一缺点,利用氯乙酸对GO进行修饰,通过官能团改性制备了羧基化氧化石墨烯(GeneO-COOH),为了进一步提高GeneO-COOH的生物相容性以及促进细胞生长的能力,通过控制反应时的pH值将L-Tyr接枝到GeneO-COOH片层上,设计合成了新型的羧基化氧化石墨烯-L-酪氨酸(GeneO-Tyr)纳米复合物,通过实验证明,在pH=2条件下合成的GeneO-Tyr-2为物理吸附,而在pH=7、10条件下合成的GeneO-Tyr-7及GeneO-Tyr-10为化学键合,静态水接触角测试表明,经过L-Tyr修饰后的GeneO-Tyr复合物的亲水性有所下降,GeneO-COOH、GeneO-Tyr-2、7、10 的接触角分别为 35.8 °、63.5°、60.5°、54.3°,但改性后复合物仍然是亲水的,可为伤口愈合提供润湿的环境。而细胞毒性实验、细胞形态变化实验及Hoechst 33342核染色实验均表明GeneO-Tyr-7及GeneO-Tyr-10对老鼠胚胎成纤维细胞(NIH3T3)生长有促进作用,是作为具有促进伤口愈合的医用敷料材料的潜在基材。(2)虽然GeneO-Tyr复合物相比GeneO-COOH具有更好的生物相容性及促进细胞生长能力,但却没有抗菌功能。为了使合成的纳米复合物兼具抗菌和良好的生物学性能,以期能够促进伤口愈合、防止伤口炎症发生,满足新型医用敷料的功能需求,我们利用La3+与GeneO-Tyr的配位作用设计合成了新型的羧基化氧化石墨烯-L-酪氨酸-镧(GeneO-Tyr-La)纳米复合物。通过FTIR、TGA、XRD等实验证明,由于La3+易与氧、氮发生配位作用,所以GeneO-Tyr吸附La3+是一种化学吸附。而细胞毒性实验评价、细胞形态变化实验及Hoechst 33342核染色实验均表明La3+的加入并没有降低GeneO-Tyr-La对NIH3T3细胞生长的促进作用;通过抑菌环、菌落数、最小抑菌浓度实验表明,GeneO-Tyr-La复合物对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌生长有明显的抑制作用,而相比GeneO-La,其抑菌效果更明显,使其能够作为具有促进伤口愈合及防止伤口感染功能的医用敷料材料的潜在基材。(3)为了进一步提高GeneO-COOH的生物相容性以及期望直接利用氨基酸改性赋予其良好的抗菌能力,我们选用L-Arg这一特殊的碱性氨基酸,利用其侧链上胍基的抗菌能力,通过控制反应时的pH值将L-Arg接枝到GeneO-COOH片层上,设计合成了新型的羧基化氧化石墨烯-L-精氨酸(GeneO-Arg)复合物,通过实验证明,当pH=2时GeneO-COOH与L-Arg发生酯化反应,而pH=7、12时GeneO-COOH与L-Arg为酰胺化反应。静态水接触角测试表明,化学键合的GeneO-Arg纳米复合物的亲水性有所下降,GeneO-COOH、GeneO-Arg-2、7、12的接触角分别为35.8 °、83.1°、57.7°、65.1°。但改性后复合物仍然是亲水的,可为伤口愈合提供润湿的环境。而细胞毒性实验、细胞形态变化实验及Hoechst 33342核染色实验均表明GeneO-Arg-12于2×10-2mg/mL及2×10-4mg/mL浓度下对NIH3T3生长有促进作用,是作为具有促进伤口愈合功能的医用敷料材料的潜在基材。通过菌落数及最小抑菌浓度实验对GeneO-Arg-12的抗菌性能进行了初步的研究,实验表明,GeneO-Arg-12复合物因其表面拥有的较高的正电荷密度和阳离子特性,更易于与带负电的细菌的表面产生相互作用,从而抑制细菌生长,但效果不显著,需要对其进行进一步改性。(4)GeneO-Arg复合物相比GeneO-COOH具有更好的生物相容性及促进细胞生长能力,还具有一定的抗菌能力,但抗菌能力不显著。为了使合成的纳米复合物兼具良好的抗菌性能以及优良的生物相容性,以期达到能够抑制伤口细菌生长、促进细胞增长,从而促进伤口愈合,满足新型医用敷料的功能需求的目的,我们利用La3+与GeneO-Arg的配位作用设计合成了新型羧基化氧化石墨烯-L-精氨酸—镧(GeneO-Arg-La)纳米复合物。通过FTIR、TGA、XRD等实验证明,由于La3+易与氧、氮发生配位作用,所以GeneO-Arg吸附La3+是一种化学吸附。而细胞毒性实验评价、细胞形态变化实验及Hoechst 33342核染色实验均表明La3+的加入并没有降低GeneO-Arg-La对NIH3T3细胞生长的促进作用,通过抑菌环、菌落数、最小抑菌浓度实验表明,GeneO-Arg-La复合物对大肠杆菌及金黄色葡萄球菌生长有明显的抑制作用,而相比GeneO-La,其抑菌效果更明显,使其能够作为具有促进伤口愈合及防止伤口感染功能的医用敷料材料的潜在基材。(5)在上述工作基础上,我们采用具有良好生物物理化学性能的PVA与前面所合成的 GeneO-Tyr、GeneO-Tyr-La、GeneO-Arg 以及 GeneO-Arg-La 复合物进行溶液共混反应,合成了一系列具有优良力学性能,兼具良好抗菌性能及生物相容性的复合膜材料,以期作为一种能够促进伤口愈合、防止伤口感染的新型医用敷料材料基材。通过SCA及吸水率实验证明了随着GeneO-Tyr、GeneO-Tyr-La、GeneO-Arg以及GeneO-Arg-La复合物的加入,PVA/功能化氧化石墨烯复合材料的亲水性能得到提高,从而赋予PVA复合材料更强的吸收伤口渗出液的能力,为伤口愈合提供一个润湿的环境。力学性能实验表明,随着GeneO-Tyr、GeneO-Tyr-La、GeneO-Arg和GeneO-Arg-La复合物的加入,PVA复合膜的拉伸强度及杨氏模量比未加填料的空白体系大幅度提高。当GeneO-Tyr-La的含量为0.05 ωt%时,其拉伸强度及杨氏模量分别达到59.3 Mpa和443.0%,比PVA空白提高了 31.5%和43.8%,可见少量的功能化氧化石墨烯复合物能够对PVA基体有良好的补强作用。细胞毒性实验以及Hoechst 33342核染色实验均表明PVA/功能化氧化石墨烯复合材料均无细胞毒性,而且GeneO-Tyr、GeneO-Tyr-La、GeneO-Arg和GeneO-Arg-La的加入增强了 NIH3T3于PVA复合膜表面的生长能力。蛋白吸附及血小板粘附实验表明,随着GeneO-Tyr、GeneO-Tyr-La、GeneO-Arg和GeneO-Arg-La复合物的加入,PVA/功能化氧化石墨烯复合材料表面对牛血清白蛋白吸附能力与血小板粘附能力均得到提高,从而能够加快凝血过程,促进伤口愈合。细菌粘附实验表明,GeneO-Tyr-La、GeneO-Arg和GeneO-Arg-La复合物的加入使得PVA/功能化氧化石墨烯复合物表面拥有更高的正电荷密度和阳离子特性,更易于与细菌带负电的表面产生相互作用,从而抑制细菌生长,使粘附的细菌明显少于空白PVA表面,且细菌出现死亡现象,说明PVA/功能化氧化石墨烯复合物对大肠杆菌(E.coli)及金黄色葡萄球菌(S.aureus)有一定抑制作用,将其作为医用敷料能有效防止伤口感染,从而提高伤口愈合的速度。这种新型的,兼具促进伤口愈合、抑制细菌生长以及良好力学性能的PVA/功能化氧化石墨烯纳米复合材料是一种能够制备新型功能化医用敷料的潜在基材。