一种润滑添加剂的制备方法和应用

1.本发明属于机械工程、材料和生物医药技术及其交叉领域，具体涉及一种润滑添加剂的制备方法和应用。


背景技术：

2.人体关节部位润滑不充分引起的软骨摩擦和磨损是导致关节炎症产生的重要原因。注射透明质酸可以改善关节的润滑，但是存在易降解、需要频繁注射补充的问题，增加了细菌感染的几率和患者的痛苦。氟化石墨烯量子点(fgqds)是一种新型的零维碳纳米材料，具有超小的尺寸和丰富的氟官能团，既能诱导积极的生物响应性又可降低表面能。特别是fgqds不仅继承了氟化石墨烯高表面积、高机械强度、良好的生物相容性和自润滑等优异性能，而且通过引入含氧官能团可大幅度提高其在水中的分散性和稳定性。氟原子和氧原子的共存进一步增大了fgqds的层间距，有利于剪切滑动，进一步减少摩擦从而提高润滑性能。此外，fgqds相对尺寸较小且形状均匀。这使得它很容易嵌入摩擦界面上的凹凸区域，并加速润滑膜的形成。这些优越的特性使fgqds在生物摩擦学和润滑领域具有广阔的应用前景。
3.另一方面，炎症的治疗对于提高关节炎的最终治疗效果具有重要影响。目前关节炎等消炎药物的递送研究主要集中在新型纳米载体的开发上，而在不使用大型分析仪器或复杂程序的情况下提高载药效率的技术和方法相对较少。fgqds具有芳香的共轭结构和良好的水溶性，是一种很有前景的药物载体，许多药物可以通过它们之间的强π-π堆积、氢键和疏水相互作用而被负载。同时，有效的微观结构和表面化学设计可以赋予fgqds独特的光致发光性能。因此，如果能发明一种新的方法制备fgqds，并利用fgqds的荧光性能与药物分子之间的相互作用，实现药物的可视化负载，将会大大提高药物负载的效率，填补该领域在这方面的不足。然而，就我们所知，目前尚无fgqds用来作为关节润滑添加剂并同时可视化负载药物的研究，有关制备技术也尚未建立。


技术实现要素：

4.针对当前技术存在的问题，本发明提供一种润滑添加剂的制备方法，基于fgqds制备的新型关节润滑添加剂，该添加剂不仅可以极大地提高抗磨减摩性能，而且可以通过强的π-π共轭、氢键等作用来负载关节炎治疗药物。特别是与纯水比较，使用该润滑添加剂后摩擦系数降低60.72%，且提供的双氯芬酸钠的控释方式和途径，可显著减少口服药物带来的全身毒副作用，并具有良好的抗炎效果。
5.本发明提供了关节润滑添加剂在摩擦学和生物学等方面的应用。
6.本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：使用fgqds，可视化负载关节炎治疗药物。并以透明质酸钠的水溶液为基础液，研究在不同条件下（如：频率、载荷、浓度）fgqds作为润滑添加剂的摩擦学性能。此外，通过生物学实验评估了fgqds作为药物载体的生物相容性以及药物的炎症治疗效果。
7.上述润滑添加剂的制备方法，包括以下步骤：（1）采用含氧的氟化石墨烯量子点fgqds作为原料；（2）将治疗关节炎的药物负载到fgqds纳米药物载体上；（3）将fgqds纳米药物载体加入到水/透明质酸钠/15 mg/ml的透明质酸钠(naha)水溶液中，得到一系列fgqds基的润滑剂，分别在不同条件下（如：频率、载荷、浓度）进行摩擦学测试。
8.优选地，所述的氟化石墨烯量子点的含氧量约为50%，含氟量约为30%。
9.优选地，所述的透明质酸钠的分子量为200,000 da~400,000 da。
10.优选地，步骤（1）中fgqds的质量为0.5-10 mg，步骤（2）中药物的质量为0.1-10 mg；步骤（3）中透明质酸钠的质量为15 mg。
11.本发明提供了该润滑添加剂在药物负载中的应用。
12.优选地，润滑添加剂负载消炎药物。
13.本发明提供了该润滑添加剂负载消炎药物的方法。
14.本发明也提供了该润滑添加剂的生物学毒性、抗炎潜力及在润滑剂中的润滑减摩应用。
15.所述的消炎药物可以为具有消炎作用的一种或多种的混合物。
16.本发明的润滑添加剂作为药物载体可用于疾病的治疗。应用本发明药物载体的疾病可以为关节类的疾病，本发明的药物载体中所包含的药物活性成分的种类可根据所期望的应用而变化。也就是说，本发明的药物载体可用于多种医疗应用中。
17.本发明提供的润滑添加剂不仅可以用于关节滑液等水基润滑剂，也可用于工程学领域，例如分散到润滑油或润滑脂中使用，用量根据需要可以进行调节，也可以采用喷涂、涂抹、机械加压等方法将润滑添加剂与挥发性溶剂的混合物附着在摩擦副表面上。
18.有益效果（1）首次选用fgqds作为关节润滑添加剂，具有极高的力学强韧性和优异的润滑减磨性能，同时能够在高频率、高负载、强化学腐蚀等复杂条件下使用。fgqds在摩擦副之间起到“滚珠轴承”的作用，有利于滚动摩擦，降低摩擦、增强润滑。同时，fgqds相对较小且尺寸均匀，这使得它很容易填充在摩擦界面上的划痕区域之间，进一步降低摩擦，本发明中fgqds在较低浓度下仍能起到很好的润滑效果，可以使摩擦系数降低61.0%以上。
19.（2）fgqds具有明显的黄色荧光，在负载消炎药物（如双氯芬酸钠，ds）后，由于fgqds的激发光谱与ds的吸收光谱重叠导致的内滤波效应可以在紫外灯下实现可视化药物负载，避免大型仪器的使用，能够大大提高药物装载效率。
20.（3）负载消炎药物后的fgqds水溶性良好，氟元素的存在可显著提高其在细胞中的亲脂性，能够大幅度提高药物利用率，并且能够表现出保护软骨细胞免于降解的抗炎潜力。
附图说明
21.图1为fgqds的透射电镜图片；图2为fgqds的红外谱图；图3为fgqds的激发光谱和ds的吸收光谱图片；图4为fgqds负载ds的可视化图片（上：302 nm紫外灯；下：日光灯）；
图5为在载荷5 n、频率5 hz的条件下，各样品的的往复摩擦曲线图片；图6为添加不同浓度fgqds的基础液（naha-h2o）的平均摩擦系数图片；图7为mc3t3-e1成骨细胞对fgqds载体材料的存活率图片；图8为用h2o2处理并分别与fgqds、fgqds-ds和ds孵育24 h后，软骨细胞中col2α的mrna表达水平图片。
具体实施方式
22.为便于理解本发明的细节与实质，下面对具体实施例作进一步说明。
23.1、润滑剂的制备与摩擦学表征实施例1（1）润滑剂的制备：将15 mg透明质酸钠（naha）固体溶于1 ml水中，超声（200 w）至固体溶解完全。加入0.5 mg的氟化石墨烯量子点（fgqds）与0.1 mg的ds的混合溶液，超声（400 w）至分散均匀，得到0.5 mg/ml的fgqds-naha润滑剂（氟化石墨烯量子点的含氧量约为50%，含氟量约为30%；透明质酸钠的分子量为200,000 da~400,000 da）。
24.（2）润滑剂的摩擦学表征：对摩擦副（二氧化锆球和板）用乙醇进行超声（200 w）清洗两次，待无水乙醇挥发完毕。然后用trb-3往复摩擦测试仪对制备的0.5 mg/ml的fgqds-naha润滑剂进行摩擦系数的测试，条件为5 n，5 hz，25℃，往复距离2 mm，测试时间30 min。
25.实施例2（1）润滑剂的制备：将15 mg透明质酸钠（naha）固体溶于1 ml水中，超声（200 w）至固体溶解完全。加入1 mg的氟化石墨烯量子点（fgqds）与1 mg的ds的混合溶液，超声（400 w）至分散均匀，得到1 mg/ml的fgqds-naha润滑剂（氟化石墨烯量子点的含氧量约为50%，含氟量约为30%；透明质酸钠的分子量为200,000 da~400,000 da）。
26.（2）润滑剂的摩擦学表征：对摩擦副（二氧化锆球和板）用乙醇进行超声（200 w）清洗两次，待无水乙醇挥发完毕。然后用trb-3往复摩擦测试仪对制备的1 mg/ml的fgqds-naha润滑剂进行摩擦系数的测试，条件为5 n，5 hz，25℃，往复距离2 mm，测试时间30 min。
27.实施例3（1）润滑剂的制备：将15 mg透明质酸钠（naha）固体溶于1 ml水中，超声（200 w）至固体溶解完全。加入3 mg的氟化石墨烯量子点（fgqds）与2 mg的ds的混合溶液，超声（400 w）至分散均匀，得到3 mg/ml的fgqds-naha润滑剂（氟化石墨烯量子点的含氧量约为50%，含氟量约为30%；透明质酸钠的分子量为200,000 da~400,000 da）。
28.（2）润滑剂的摩擦学表征：对摩擦副（二氧化锆球和板）用乙醇进行超声（200 w）清洗两次，待无水乙醇挥发完毕。然后用trb-3往复摩擦测试仪对制备的3 mg/ml的fgqds-naha润滑剂进行摩擦系数的测试，条件为5 n，5 hz，25℃，往复距离2 mm，测试时间30 min。
29.实施例4（1）润滑剂的制备：将15 mg透明质酸钠（naha）固体溶于1 ml水中，超声（200 w）至固体溶解完全。加入5 mg的氟化石墨烯量子点（fgqds）与5 mg的ds的混合溶液，超声（400 w）至分散均匀，得到5 mg/ml的fgqds-naha润滑剂（氟化石墨烯量子点的含氧量约为50%，含氟量约为30%；透明质酸钠的分子量为200,000 da~400,000 da）。
30.（2）润滑剂的摩擦学表征：对摩擦副（二氧化锆球和板）用乙醇进行超声（200 w）清
洗两次，待无水乙醇挥发完毕。然后用trb-3往复摩擦测试仪对制备的5 mg/ml的fgqds-naha润滑剂进行摩擦系数的测试，条件为5 n，5 hz，25℃，往复距离2 mm，测试时间30 min。
31.实施例5（1）润滑剂的制备：将15 mg透明质酸钠（naha）固体溶于1 ml水中，超声（200 w）至固体溶解完全。加入10 mg的氟化石墨烯量子点（fgqds）与10 mg的ds的混合溶液，超声（400 w）至分散均匀，得到10 mg/ml的fgqds-naha润滑剂（氟化石墨烯量子点的含氧量约为50%，含氟量约为30%；透明质酸钠的分子量为200,000 da~400,000 da）。
32.（2）润滑剂的摩擦学表征：对摩擦副（二氧化锆球和板）用乙醇进行超声（200 w）清洗两次，待无水乙醇挥发完毕。然后用trb-3往复摩擦测试仪对制备的10 mg/ml的fgqds-naha润滑剂进行摩擦系数的测试，条件为5 n，5 hz，25℃，往复距离2 mm，测试时间30 min。
33.2、双氯芬酸钠药物的可视化负载（1）将0.9 mg fgqds溶解在3 ml磷酸盐缓冲盐水（pbs）中，然后添加15 μl ds溶液（6 mg/ml），在室温下于黑暗中搅拌24 h。将得到的混合物高速离心，分离上清液，将下部固体用pbs溶液洗涤，然后冷冻干燥，获得暗黄色固体粉末。将粉末分散于3 ml水中，置于302 nm紫外灯和日光灯下进行可视化照片的拍摄。
34.（2）将0.9 mg fgqds溶解在3 ml pbs中，然后顺序添加60 μlds溶液（6 mg/ml），在室温下于黑暗中搅拌24 h。将得到的混合物高速离心，分离上清液，将下部固体用pbs溶液洗涤，然后冷冻干燥，获得暗黄色固体粉末。将粉末分散于3 ml水中，置于302 nm紫外灯和日光灯下进行可视化照片的拍摄。
35.（3）将0.9 mg fgqds溶解在3 ml pbs中，然后顺序添加100 μl ds溶液（6 mg/ml），在室温下于黑暗中搅拌24 h。将得到的混合物高速离心，分离上清液，将下部固体用pbs溶液洗涤，然后冷冻干燥，获得暗黄色固体粉末。将粉末分散于3 ml水中，置于302 nm紫外灯和日光灯下进行可视化照片的拍摄。
36.（4）将0.9 mg fgqds溶解在5 ml pbs中，然后顺序添加175 μl ds溶液（6 mg/ml），在室温下于黑暗中搅拌24 h。将得到的混合物高速离心，分离上清液，将下部固体用pbs溶液洗涤，然后冷冻干燥，获得暗黄色固体粉末。将粉末分散于3 ml水中，置于302 nm紫外灯和日光灯下进行可视化照片的拍摄。
37.图1的透射电镜图片表明fgqds尺寸均一，且大多数集中在2.5~4 nm。如图2红外谱图所示，fgqds保留氟元素的同时引入丰富的含氧官能团，保证了其在水中的分散性与稳定性。
38.如图3所示，由于ds的吸收光谱与fgqds的激发光谱有很大程度的重叠而产生的内滤波效应（ife），将加载不同剂量ds的fgqds分别暴露于紫外线和日光灯下，观察到药物加载的视觉变化（图4）。随着ds加载量的增加，溶液在自然光下的颜色逐渐变暗。将相应溶液置于紫外灯下，可以清晰地观察到明显的颜色梯度变化。值得注意的是，我们可以仅仅通过肉眼观察颜色变化来判断药物负载的程度，这说明fgqds可以作为一种特殊的视觉传感器来监测载药过程。
39.采用氧化锆球和氧化锆板作为摩擦副，在trb-3往复摩擦试验仪上评估了其作为润滑添加剂的摩擦学性能。在载荷5 n、频率5 hz的条件下，h2o、naha和3 mg/ml fgqds-naha的往复摩擦曲线如图5所示，h2o的摩擦系数在0.59左右，naha的摩擦系数在0.50左右，
fgqds加入后，其摩擦系数降低到0.23左右，并且能够长时间保持低的摩擦系数基本不变，表现出有效的润滑减摩性能。图6为固定载荷和频率（5 n、5 hz）后研究了不同浓度的fgqds对于润滑剂摩擦系数的影响，结果表明fgqds在较低浓度下可以起到更优的润滑减摩效果。这可能是因为当fgqds浓度过高时会成为“障碍物”导致fgqds之间滚动不易从而使摩擦系数增大。上述结果表明该润滑添加剂在较低浓度下可以发挥出良好的润滑减摩性能，具有较大的实际应用价值。
40.fgqds对细胞的生物毒性研究如图7所示。将不同浓度的fgqds与细胞共培养24 h，发现即使fgqds的浓度高达200 μg/ml，细胞存活率仍然超过84%，这表明fgqds对活细胞没有明显的毒性。因此fgqds具有良好的生物相容性。
41.图8证明将fgqds、fgqds-ds和ds添加到软骨细胞中，并对其处理24 h。经过fgqds-ds或ds和治疗后col2α的mrna表达水平显著增加达到70%以上的对照组(正常软骨细胞)，这表明fgqds-ds可以保护h2o2诱导的软骨细胞免于降解，这一结果也反映了fgqds-ds具有有效的抗炎作用。