一种胶原蛋白-γ-MnO2复合纳米材料及其制备方法与流程

一种胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料及其制备方法
技术领域
1.本发明属于生物无机材料制备技术领域，具体涉及一种胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料及其制备方法。


背景技术：

2.电池、超级电容器等电化学储能与转换系统是可再生能源的关键技术，在智能电网、电动汽车、可穿戴设备等多个行业广泛应用。活性电极材料的研发，对发展先进的储能和转换装置至关重要。在众多可能的电极材料中，二氧化锰具有高天然丰度、低成本以及独特的结构和形貌等优势，而备受关注。二氧化锰应用非常广泛，包括离子筛、催化剂，特别是li/mno2电池中的电极材料。
3.mno2可以形成包括α
‑
、β
‑
、γ
‑
和δ
‑
型的多晶型物，每种类型都具有独特的电化学特征。与其他mno2结构相比，γ
‑
mno2在放电过程中，其放电容量降低更加缓慢，因此，γ
‑
mno2是最常用的原电池锰基氧化物正极材料。电沉积和水热技术是合成γ
‑
mno2纳米结构的常用方法，但它们在合成过程中需要添加有毒有害的化学试剂，造成环境污染。同时，这些合成方法经常需要后处理过程去除溶剂或摸板，制备工艺复杂，能耗高。并且，现有已知的γ
‑
mno2纳米结构，包括纳米线、纳米薄片、纳米棒和纳米管等，它们在锂离子电池的应用过程中容易发生不良副反应，导致体积能量密度低，影响了它们的使用效果。
4.本发明意外发现，以胶原蛋白为生物模板，利用胶原蛋白与硫酸锰、过硫酸铵的混合溶液为原料，通过一步生物矿化反应，可以制备新型的胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料。所述胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料具有精致的空心纳米球结构，胶原蛋白作为一个优异的生物模板，可以调控γ
‑
mno2的纳米形貌。所述胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料表现出优良的电化学性能，在锂离子电池的充放电过程中保持高稳定的电容量，100次以上循环后仍能保持高放电容量。
5.并且，所述胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料具有优异的生物相容性和生物功能，可以作为一种良好的锂电池负极材料，在可穿戴、可植入的健康医疗电子产品中有很大的应用潜力。


技术实现要素：

6.本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料及其制备方法；所述胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料具有精致的空心纳米球结构，良好的电化学性能，以及优异的生物相容性和生物功能。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：
8.第一方面，本发明提供了一种胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料，所述胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料为空心纳米微球结构，由含有胶原蛋白、mn
2
、s2o
82
‑
的混合溶液经水热反应法制备获得。
9.优选地，所述胶原蛋白为动物胶原蛋白、重组胶原蛋白或类胶原蛋白多肽。
10.优选地，所述胶原蛋白为重组胶原蛋白。
11.优选地，所述混合溶液中mn
2
、胶原蛋白和s2o
82
‑
的浓度比为0.05
‑
0.2mol/l：0.01
‑
0.5wt％：0.0125
‑
0.25mol/l。
12.优选地，所述混合溶液中mn
2
、重组胶原蛋白和s2o
82
‑
的浓度比为0.1mol/l：0.05
‑
0.2wt％：0.125mol/l。
13.优选地，所述混合溶液中mn
2
、重组胶原蛋白和s2o
82
‑
的浓度比为0.1mol/l：0.1wt％：0.125mol/l。
14.优选地，所述mn
2
溶液为无水硫酸锰溶液。
15.优选地，所述s2o
82
‑
溶液为过硫酸铵溶液。
16.第二方面，本发明提供了一种上述第一方面所述胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料的制备方法，优选地，所述制备方法为：配置含有胶原蛋白、mn
2
、s2o
82
‑
的混合溶液，通过水热反应法制备获得胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料。
17.优选地，所述方法包括以下步骤：
18.(1)配置mn
2
溶液和胶原蛋白溶液的水溶液，混合反应5
‑
120min后，滴加s2o
82
‑
溶液，得混合溶液；
19.(2)将步骤(1)所述混合溶液在20
‑
250℃下，反应1
‑
72hrs；
20.(3)离心纯化、干燥获得复合纳米材料。
21.优选地，所述步骤(1)中混合反应的时间为20
‑
120min。
22.优选地，所述步骤(2)中反应温度为20
‑
120℃。
23.优选地，所述步骤(2)中反应温度为80℃。
24.优选地，所述步骤(2)中反应时间为2
‑
36hrs。
25.优选地，所述步骤(2)中反应时间为12hrs。
26.优选地，所述步骤(3)为：将步骤(2)反应后的产物于12000rpm离心，留取固体，并用水分散固体，离心纯化3
‑
5次，最后于20
‑
60℃恒温干燥即得胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料。
27.第三方面，本发明提供了一种上述第一方面所述的胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料在制备电池材料中的应用。
28.第四方面，本发明提供了一种含有上述第一方面所述胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料的电池材料，其特征在于，所述池材料包括如下组分：胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料40
‑
80wt％，超级p碳20
‑
40wt％，粘合剂聚丙烯酸10
‑
20wt％。
29.第五方面，本发明提供了一种胶原蛋白在调控γ
‑
mno2纳米材料结构形貌中的应用。
30.本发明的有益效果是：
31.(1)本发明提供了一种一步生物矿化的方法，制备胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料，不需要添加有害的化学试剂，绿色环保，步骤简单，易于操作，能耗低；
32.(2)本发明制备的胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料，具有精致的空心纳米球结构，相比其它形貌的γ
‑
mno2，它表现出更好的电化学性能，在锂离子电池的充放电过程中保持高稳定的电容量，100次以上循环后仍能保持高放电容量；
33.(3)本发明所述胶原蛋白，可以作为一个优异的生物模板，精密调控γ
‑
mno2的纳
米形貌；
34.(4)本发明制备的胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料，具有优异的生物相容性和生物功能；
35.(5)本发明制备的高生物相容性、高电化学性能的胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料，可以作为一种良好的锂电池负极材料，在可穿戴、可植入的健康医疗电子产品中有很大的应用潜力。
附图说明
36.图1胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料的扫描电镜、透射电镜、电子衍射以及能量散射x射线分析的表征图；
37.图2胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料的粉末x射线多晶衍射(xrd)图；
38.图3胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料的红外光谱图；
39.图4胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料的热重分析(tga)图；
40.图5不同浓度的重组胶原蛋白对γ
‑
mno2纳米材料形貌的影响；
41.图6不同形貌胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料的电化学性能；
42.图7胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料的生物相容性和生物功能。
具体实施方式
43.下面将结合说明书附图对本发明实施例中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的一部分，而不是发明的全部。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
44.以下实施中所述的重组胶原蛋白是利用转基因技术和基因重组技术在动物、植物或者微生物表达体系中获得的胶原蛋白。
45.以下实施例中所述的重组胶原蛋白为大肠杆菌发酵获得的重组胶原蛋白，但不局限于上述方法，也可以为其他方法制备的重组胶原蛋白，包括毕赤酵母发酵的重组胶原蛋白、重组源胶原蛋白等。
46.以下实施例所述重组胶原蛋白参照文献(he m,zhang y,munyemana j c,et al.tuning the hierarchical nanostructure of hematite mesocrystals via collagen
‑
templated biomineralization[j].journal of materials chemistry b,2017,5(7):1423
‑
1429.)制备获得。但是本发明并不局限于上述方法制备获得的重组胶原蛋白，其他任何方法制备获得的重组胶原蛋白均适用本发明所述用于制备重组胶原蛋白冻干球的技术方案，因此，任何方法制备获得的重组胶原蛋白均在本发明的保护范围之内。
[0047]
以下实施例中所述的水热反应法为：水热反应是指在特制的密闭反应器(如高压釜)中，采用水作为反应体系，通过对反应体系加热加压(或自生蒸气压)，创造一个相对高温、高压的反应坏境，使通常难溶或不溶的物质溶解并且反应或重结晶，从而合成纳米材料的一种方法。
[0048]
实施例1胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料的制备与表征
[0049]
1.胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料的制备
[0050]
配置0.1mol/l硫酸锰、0.1wt％重组胶原蛋白和0.125mol/l过硫酸铵的混合溶液。将混合溶液倒入100ml水热反应釜中，反应釜的温度为80℃，反应时间为12hrs。将反应后的产物12000rpm离心，弃去上清液，收集固体。用去离子水分散固体，再离心纯化3
‑
5次，在60℃恒温干燥箱中干燥即得。
[0051]
2.胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料的扫描电镜、透射电镜、电子衍射以及能量散射x射线分析的表征
[0052]
对所述混合溶液中mn
2
的浓度为0.1mol/l，重组胶原蛋白的浓度为0.1wt％，s2o
82
‑
的浓度为0.125mol/l条件下，制备的胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料，进行扫描电镜、透射电镜、电子衍射以及能量散射x射线表征。结果如图1所示，其中a为γ
‑
mno2材料扫描电镜图像fesem，表明本发明所制备的胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料为直径约为4μm的均匀微球；b为放大的fesem，表明本发明所制备的胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料为由纳米针状单元组成蒲公英状微球；c为tem图像，表明本发明所制备的胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料由初级纳米颗粒定向生长形成的类蒲公英γ
‑
mno2材料；d为选定区域γ
‑
mno2材料的电子衍射(saed)的单晶点状图，点状图上的点状图略长，说明了初级γ
‑
mno2纳米粒子的组装具有高度的定向性；e
‑
f为高分辨率tem图像(hrtem)，显示了γ
‑
mno2的104晶格间距0.16nm和110晶格间距0.20nm的特征，再次证实了γ
‑
mno2材料的纳米颗粒排列有序；h为高角度环形暗场扫描tem(haadf
‑
stem)图，表明mno2纳米颗粒逐渐聚集形成层次性的介晶结构；i为能量色散x射线能谱(eds)的元素映射结果，表明c、o和mn元素在介晶中均匀分布；g为电子衍射(edx)图像，表明在介晶中存在胶原蛋白和mno2中的c、o和mn元素，且均匀分布。
[0053]
3.胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料的粉末x射线多晶衍射(xrd)表征
[0054]
对所述混合溶液中mn
2
的浓度为0.1mol/l，重组胶原蛋白的浓度为0.1wt％，s2o
82
‑
的浓度为0.125mol/l条件下，制备的胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料，进行粉末x射线多晶衍射(xrd)表征。结果如图2所示，该图谱中衍射峰与γ
‑
mno2(jcpds no.14
‑
0644)的标准衍射峰完全一致，表明以胶原蛋白为生物模板通过生物矿化的方法可获得纯γ
‑
mno2。
[0055]
4.胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料的红外表征
[0056]
对所述混合溶液中mn
2
的浓度为0.1mol/l，重组胶原蛋白的浓度为0.1wt％，s2o
82
‑
的浓度为0.125mol/l条件下，制备的胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料，进行红外表征。结果如图3所示，该图谱中o
‑
h、n
‑
h、c
‑
h和c＝o键的振动峰，表明重组胶原蛋白包含在该复合纳米材料中。
[0057]
5.胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料的热重分析
[0058]
对所述混合溶液中mn
2
的浓度为0.1mol/l，重组胶原蛋白的浓度为0.1wt％，s2o
82
‑
的浓度为0.125mol/l条件下，制备的胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料，进行热重分析(tga)。结果如图4所示，热重曲线图表明存在两个质量减少阶段：第一阶段是200℃以下，对应材料中的水分损失；第二阶段是200
‑
600℃之间，对应胶原蛋白的分解。结果表明，当加入胶原蛋白的浓度为0.01wt％，该复合纳米材料中胶原蛋白的热重损失为1.75wt％；当加入胶原蛋白的浓度为0.05wt％，该复合纳米材料中胶原蛋白的热重损失为3.57wt％。这些数据表明，该复合纳米材料中存在显著的胶原蛋白成分，胶原蛋白作为生物模板，制备得到形貌良好的γ
‑
mno2复合纳米材料。
[0059]
实施例2不同浓度的重组胶原蛋白对γ
‑
mno2纳米材料形貌的影响
[0060]
在所述混合溶液中mn
2
的浓度为0.1mol/l，s2o
82
‑
的浓度为0.125mol/l，以及不同浓度的重组胶原蛋白的条件下，制备得到胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料，并进行形貌表征。结果如图5所示，其中a
‑
d中重组胶原蛋白的浓度依次为0wt％、0.02wt％、0.05wt％和0.2wt％。在没有胶原蛋白的情况下，形成棒状纳米颗粒(a所示)；当加入0.02wt％的胶原蛋白，形成均匀的γ
‑
mno2微球(b所示)；当胶原蛋白浓度进一步增加到0.05wt％或0.2wt％时，可以得到有序的蒲公英样微球(c
‑
d所示)。上述结果表明，通过改变重组胶原蛋白的浓度，可以很好的调控γ
‑
mno2的形貌。
[0061]
实施例3胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料的电化学性能
[0062]
1.胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料和锂离子电池材料混合物的制备
[0063]
将40
‑
80wt％的活性材料(实施例1制备的胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料)、40
‑
20wt％的超级p碳和10
‑
20wt％的粘合剂聚丙烯酸(paa)混合，以形成均匀的浆料材料。
[0064]
2.在电流密度为0.2c时检测γ
‑
mno2材料的循环放电能力
[0065]
为了测量电化学性能，采用γ
‑
mno2作为工作电极组装了2016
‑
coin电池，而li箔作为参比电极和对电极。所有电池均安装在装有水的手套箱中，氧含量低于1ppm。
[0066]
结果如图6所示，不同形貌的胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料的电化学性质存在显著差异。胶原蛋白含量为0wt％条件下制备的类纳米棒γ
‑
mno2介晶，在第一次循环中具有较高的初始放电容量2318.1mah/g，但在第二次循环中立即降低到886.4mah/g，经40次循环后，放电容量降为280mah/g(a所示)。胶原蛋白含量为0.05wt％条件下制备的微球状γ
‑
mno2介晶，则在第一次循环时略有下降，但放电容量开始从1212.0mah/g(第二次循环)增加到1640.9mah/g(第100次循环)，并且在160次循环后仍保持高放电容量(1597.5mah/g)(b所示)。胶原蛋白含量为0.1wt％条件下制备的空心微球状γ
‑
mno2介晶，显示出更好的循环性能，其放电容量从第2次循环(1532.6mah/g)到第80次循环(1919.9mah/g)持续增加，并在140次循环后仍保持高放电容量(1800mah/g)(c所示)。这些结果表明，胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料的形貌是其电化学性能的关键调控因素。即，以本发明所述的空心微球状胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料制备的锂离子电池材料具有良好的电化学性能，在100次循环内保持高稳定的放电容量。
[0067]
实施例4胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料的生物相容性和生物功能
[0068]
1.胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料的细胞毒性
[0069]
采用cck
‑
8法来评估制备的胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料的细胞毒性。在含有15％牛血清溶液的dmem培养基中孵育hff
‑
1细胞(5％co2、37℃)。将100ul hff
‑
1细胞悬浮液，以每孔5
×
103个细胞的密度置于96孔细胞培养板中，孵育24小时后，吸走细胞培养液。然后加入100μl不同浓度的胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料悬浮液(0.1，1，10和50μg/ml)。其他孔加入dmem培养液作为对照组。培育24小时后，每孔中加入100μl 10％的cck
‑
8溶液(2
‑
(2
‑
甲氧基
‑4‑
硝苯基)
‑3‑
(4
‑
硝苯基)
‑5‑
(2,4
‑
二磺基苯)
‑
2h
‑
四唑单钠盐)，再置于细胞培养箱中孵育2hrs。用tecan infinite f200/m200多功能酶标仪测量450nm处的吸光度。细胞存活率为每种条件4次测量的平均吸收值除以dmem对照组的平均吸收值。
[0070]
结果如图7中a所示，该胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料在不同浓度(0.1，1，10和50μg/ml)条件下，均表现出很高的细胞生存能力，表明该复合纳米材料具有良好的生物相容性。
[0071]
2.胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料的细胞粘附能力
[0072]
nunclon delta tc微孔板涂一层薄薄的胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料，用加热变性的bsa和体系中不包含胶原蛋白的棒状γ
‑
mno2作为空白对照组。然后在无血清的dmem培养基中的加入100微升hff
‑
1细胞悬液(1
×
105cell/ml)，在37℃下孵育24hrs。用pbs缓冲液(10mm)洗去未附着的细胞。通过使用总脱氧核糖核酸(dna)定量测定法(hoechst 33258，solarbio)来测量粘附的细胞。在超纯水中通过三次反复冻融，使细胞裂解。将终浓度为5μg/ml的hoechst 33258加入细胞裂解液中，并将混合物在黑暗中孵育1小时。使用酶标仪(tecan infinite m200)在360nm激发波长和465nm发射波长下读取吸收值。每个样品平行测定三次，并且数据表示为平均值
±
标准差(sd)。
[0073]
结果如图7中b所示，该胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料涂敷的孔板，相比变性bsa涂敷的孔板和棒状γ
‑
mno2涂敷的孔板，表现出显著更强的荧光(12440vs 5686和8010)。结果表明，大量hff
‑
1细胞黏附到该胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料上，该复合纳米材料具有良好的细胞黏附能力。
[0074]
3.胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料的荧光免疫成像
[0075]
胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料用pbs溶液悬浮，将悬浮液滴加到用组织培养处理过的盖玻片上。然后将hff
‑
1细胞以密度500cells/mm2加入到无血清的dmem培养基中，37℃孵育24小时。pbs洗涤三次，然后，将细胞用4％的多聚甲醛在4℃下固定10分钟，并用pbs洗涤两次。细胞用0.1％triton x
‑
100通透5min，然后用1％牛血清白蛋白(bsa)封闭30min。将细胞与鬼笔环肽
‑
四甲基罗丹明异硫氰酸酯，37℃孵育1小时后，加入dapi在37℃下孵育10分钟，用于细胞肌动蛋白细胞骨架和细胞核染色。用尼康a1r荧光共聚焦显微镜记录图像。
[0076]
结果如图7中c
‑
d所示，与附着在棒状γ
‑
mno2材料上的细胞相比，胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料涂层基底上的hff
‑
1细胞，具有良好的肌动蛋白和细胞骨架结构。结果表明，该胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料具有良好的细胞活性，以所述胶原蛋白
‑
γ
‑
mno2复合纳米材料制备的电池可用于制备可穿戴、可植入的健康医疗电子产品。
[0077]
综上所述，本发明发现胶原蛋白不仅可以作为生物模板调控γ
‑
mno2纳米材料的形貌，而且可以功能化该纳米材料，赋予其良好的生物功能。