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羧甲基纤维素钠水凝胶的制备及其生物降解性研究

发布日期:2015-04-23 11:16:02
生物降解
  水凝胶作为新型的生物材料可以应用在伤口敷裹,药物释放载体以及农林育种等诸多领域。随着世界各国对环境汚染问题的日益关注,人们将注意力集中到纤维素这一具有生物可降解性、环境协调性的可再生资源上,目前纤维素的各种衍生物及其水凝胶已被广泛应用于食品、造纸、医药卫生、石油工业 以及农林业等领域。
  
  丁「丨丁「L L L L LScheme 1 (L:-COO ~: moleculsr skeleton ; M : metal ion )
  
  cmc-心作为含有多羟基及羧基的高分子多糖,其本身就具有一定的吸水吸湿能力,因此用该材料 制备的水凝胶不仅含水量髙,且生物降解性好c文献中用CMC-Na制备水凝胶的方法很多,基于反应易 于控制,反应条件温和及产物环境相容性好等特点,CMC-Na与金属离子的交联反应(见式1)得到了广 泛的应用[14],但有关该类水凝胶生物降解性的报道甚少。由于生物降解性直接关系到上述水凝胶中 水的释放速率,从而影响到其应用效果,因此,本文对该水凝胶的制备及其生物降解性进行了系统的研 究。
  
  1实验部分1.1庐料及试剂—羧甲基纤维素钠(CMC-Na) :DS = 0.93,t?Na =0.068,^,= 3.00xl06,西安惠安精细化工公司, 食品级;纤维素酶C4901:美国Sgma化学工业公司;氨水:白银化学试剂厂,分析纯;尿素:上海试剂一 厂,分析纯;氢氧化钠:北京化工厂,分析纯;醋酸:天津市化学试剂一厂,分析纯;氯化铝:天津天河化学 试剂厂,分析纯;抗坏血酸:西安化学试剂厂,分析纯。
  
  1.2水凝胶的制备称取250 g自来水于1000 mL烧杯中,快速搅拌一定时间,然后依次加人交联剂气化铝、防腐剂抗坏 血酸及一定量的氨水、尿素、葡萄糖,继续搅拌5 min后,缓慢加人5. 00 g羧甲基纤维素钠,快速搅拌5 nun待其全溶后,即得无色、无味、均匀分布着细密气泡的水凝胶,该水凝胶含水量约为98%。
  
  1.3生物降解实验将上述制得的水凝胶置于聚四氟乙烯薄膜上,在80 T的烘箱中烘至恒重,得厚度约为0.3 mm的干 凝胶膜,准确称取两份各重约100 mg的干凝胶膜,一份浸泡在含有纤维素酶0.1 mg / mL , pH = 5的 (^30)011^3〇11的缓冲溶液中。另取一份浸泡在1511=5的不含酶的缓冲溶液中作为对照。将上述样 品均在37尤的烘箱中放置% h,然后用自制的尼龙网(孔径为〇。 076 mm)过滤除去溶解部分,并用蒸塯 水淋洗尼龙网上残余物,然后将其在801烘至恒重。干凝胶膜的生物降解率按下式计箅:生物降解率=(- m2)/ x 100%式中m,为对照实验中残余物的质量,m?和%分别为酶处理前和处理后样品的质量。
  
  2结果与讨论2.1交联剂用置对生物K解性的影晌Fig. 1 Variation of the percentage of bio-degradarion with a- of cioaslinker of hydrogeLf坏血酸与CMC-Na质量比为〇。〇2,其它条件同I.2,交联剂用量对水凝胶生物降解性的影响如图 1所示。由图及实验观察知,随交联剂用量增加,水凝胶稠度增加,强度变好,降解量下降。这是由于一 方面交联剂用量越多,交联度越大[5],越有利于聚合物网络的形成,故强度越好,不利于降解;另一方面 交联度越大,凝胶的溶胀比越小,相当于形成了一种具有较高致密性的襄壁,能够有效地阻止生物分子 从外向里的扩散运动,酶分子与底物可触及面积减小,反应速率降低,故降解童下降。
  
  Fig. 2 Variation of the percentage of bicndegradalion with a?mount d antiaeplic of hydrogel2_ 2防腐剂用置对生物降解性的彩响防腐剂的加人是为了使水凝胶在贮存期内稳定性好,不发霉,不分解。气化铝与CMC_Naffi量比为 13,其余条件同1.2,抗坏血酸的加人量对水凝胶生物降解性的影响见图2。显然,防腐剂越少,凝胶 生物降解性就越好,释放水的速率越快。这是因为,防腐剂能够以各种方式干扰细菌细胞中酶的结构的 作用,使酶活性降低,乃至于失活。然而存稳定性又是水凝胶必备的基本要求,所以必须在保证水凝 胶储存稳定性的前提下,尽可能减少防腐剂的用量。
  
  2.3氨水用趸对生物晔解性的彩响氨水作为一种添加剂,目的是为了补充水凝胶在土壤中降解时环境中氮的不足。气化铝、抗坏血酸 分别与CMC-Na f质量比为〇_ 13和0? 02,其余条件同1 _2,氨水中氮与CMC-Na质量比对生物降解性 的影响如图3所示。由图3知,随着氨水的加人,生物降解性逐渐增加。当氨水中氮与CMC-Na的质量 比为0.027时,降解程度达到最大;进一步增加氨水加人量,生物降解性反而降低。这是因为作为无机 态气来源的铵盐或硝酸盐虽能提髙环境中微生物酶的活性,从而加速纤维素的破坏。但当氮含量达到 某一值后,纤维素的分解程度并不随氮含量增加而增强,即高浓度氮不会引起酶活性的进一步提高W, 这可能与铵根离子形成氢键的能力比肽链形成氢键能力强,从而影响酶蛋白氢键的形成有关,具体原因 有待今后进一步探讨。
  
  2.4尿素用量对生物降解性的彩响70M?Wof/ UDfMrtNUS^-olq jo 势f尿素代替氨水,其余条件同2.3,尿素中氮与CMC-Na的质量比对水凝胶生物降解性的影响如图 4所示。由图可知,加人尿素初期降解率急剧下降,达最低点后,又缓慢回升,但当氮与CMC-Na的质量 比为0.027时,降解率未出现最高值。由此说明,在氮含量相同的情况下,尿素的加人对微生物酶活性 的提高不如気水。这是因为,尿素中氮必须经一系列的转化变成铵盐或硝酸盐后才能被利用,故尿素中 的氮吸收缓慢。另外,尿素分子中含有两个-NH2官能团,可与CMC-Na中未交联的-C0CT在酸性环 境下反应,形成交联结构,因此水凝胶网络结构更紧密,生物酶分子向内部扩散较为困难,所以降解速率 起初急剧下降。当尿素量继续增加时,聚合物结构变化不大,而可利用氮浓度增加,故降解率又缓慢增 加。
  
  Fig. 3 Variation cif the percentage of bio-degradation withFig, 4 Variation of the percentage of bio-degradationamount of ammonia of hydrogel.with amount of urea of hydrogel.
  
  2. S碳水化合物对生物降解性的彩响在土壤中,存在许多不同的碳水化合物,为了探寸它们对水凝胶降解性的影响,我们在制备水凝胶 时用葡萄糖代替氨水,其余条件同2.3,葡萄糖加入量与水凝胶生物降解性关系如图5所示。由图5可 知,起初水凝胶的降解率随加入葡萄糖量增加而增加,当葡萄糖与CMC-Na的质量比超过0.046后,水 凝胶降解率随加人葡萄糖量增加而减少。这是因为,葡萄糖的加入为水凝胶中的微生物直接提供了能 源,从而加快了微生物降解底物的速率。但同时葡萄糖又是CMC-Na降解的最终产物,根据Ghose和 Das对纤维素酶水解得到的动力学方程:t = (1/K) In [CS/(C5 -CP)]% / nofspv'-sap-ofqio 301^1190101,1Fig. 6 Variadoft of ihe percentage of bio-degradation with PH-/ 叫 MCVUFig. 5 Vanation of the percentage of bio-degradation with a?mount of glucose of hydrogel.
  
  式中t为纤维素酶水解时间(h),K为反应常数,Cs为起始纤维素含量(% ),CP为产物葡萄糖的含量 (% )。由上式知随着葡萄糖量的增加,降解反应时间增加,降解速率减小,纤维素降解率降低。
  
  2.6 pH值的影响为了考察体系pH值对水凝胶生物降解性影响,配制了具有不同PH值的缓冲溶液,并考察了水凝 胶在上述缓冲溶液中的生物降解性,其结果如图6所示。由图可知,水凝胶在不同pH值的环境中,降 解率不同:在酸性环境下,8卩pH =4.5 ~6.5时,生物降解性较好,且在PH = 5. 2时,降解率最高;当pH >5.2时,降解率随pH值增大而减小。这是因为,CMC-Na的生物降解是由于纤维素酶的活性部位攻 击CMC-PJa中卢-1,4糖苷键,使之断裂变成低聚物,最终变成可溶性的葡萄糖。然而酶是两性化合物, 其分子上分布着许多竣基和气基等酸性和喊性基团,环境pH值会影响麻蛋白的构象和酶分子及底物 分子的解离状态,进而影响酶的活性。根据Michaelis-Ment?纤维隶酶解机制,Rodriguez等[8]认为在 pH < 5时,随着pH值减小,速率常数减小,而在pH > 5时,随着pH增大,米氏常数增加,这两者均导致 降解率减小,本文实验结果与此基本一致。
  
  3结论〇^-心水凝胶的生物降解是一个复杂的酶催化反应,它的制备工艺条件和环境因素对其生物降 解性都有不同程度的影响。虽然水凝胶在土壤中的降解因不同土壤微生物分布、可给态氮浓度、pH值 等许多因素的变化,比在实验室中简单的酶解要更为复杂,但了解这些基本因素的影响,对今后制备出 能在土壤中规定时间内降解完全的水凝胶有重要的指导意义