水凝膠作為新型的生物材料可以應(yīng)用在傷口敷裹，藥物釋放載體以及農(nóng)林育種等諸多領(lǐng)域。隨著世界各國對(duì)環(huán)境汚染問題的日益關(guān)注，人們將注意力集中到纖維素這一具有生物可降解性、環(huán)境協(xié)調(diào)性的可再生資源上，目前纖維素的各種衍生物及其水凝膠已被廣泛應(yīng)用于食品、造紙、醫(yī)藥衛(wèi)生、石油工業(yè) 以及農(nóng)林業(yè)等領(lǐng)域。

　　

　　丁「丨丁「L L L L LScheme 1 (L:-COO ~： moleculsr skeleton ； M ： metal ion )

　　

　　CMC-心作為含有多羥基及羧基的高分子多糖，其本身就具有一定的吸水吸濕能力，因此用該材料 制備的水凝膠不僅含水量髙，且生物降解性好c文獻(xiàn)中用CMC-Na制備水凝膠的方法很多，基于反應(yīng)易 于控制，反應(yīng)條件溫和及產(chǎn)物環(huán)境相容性好等特點(diǎn)，CMC-Na與金屬離子的交聯(lián)反應(yīng)（見式1)得到了廣 泛的應(yīng)用[14]，但有關(guān)該類水凝膠生物降解性的報(bào)道甚少。由于生物降解性直接關(guān)系到上述水凝膠中 水的釋放速率，從而影響到其應(yīng)用效果，因此，本文對(duì)該水凝膠的制備及其生物降解性進(jìn)行了系統(tǒng)的研 究。

　　

　　1實(shí)驗(yàn)部分1.1廬料及試劑—羧甲基纖維素鈉（CMC-Na) :DS = 0.93,t?Na =0.068,^，= 3.00xl06,西安惠安精細(xì)化工公司， 食品級(jí);纖維素酶C4901:美國Sgma化學(xué)工業(yè)公司;氨水：白銀化學(xué)試劑廠，分析純;尿素：上海試劑一 廠，分析純;氫氧化鈉：北京化工廠，分析純;醋酸：天津市化學(xué)試劑一廠，分析純;氯化鋁：天津天河化學(xué) 試劑廠，分析純;抗壞血酸：西安化學(xué)試劑廠，分析純。

　　

　　1.2水凝膠的制備稱取250 g自來水于1000 mL燒杯中，快速攪拌一定時(shí)間，然后依次加人交聯(lián)劑氣化鋁、防腐劑抗壞 血酸及一定量的氨水、尿素、葡萄糖，繼續(xù)攪拌5 min后，緩慢加人5. 00 g羧甲基纖維素鈉，快速攪拌5 nun待其全溶后，即得無色、無味、均勻分布著細(xì)密氣泡的水凝膠，該水凝膠含水量約為98%。

　　

　　1.3生物降解實(shí)驗(yàn)將上述制得的水凝膠置于聚四氟乙烯薄膜上，在80 T的烘箱中烘至恒重，得厚度約為0.3 mm的干 凝膠膜，準(zhǔn)確稱取兩份各重約100 mg的干凝膠膜，一份浸泡在含有纖維素酶0.1 mg / mL , pH = 5的 (^30)011^3〇11的緩沖溶液中。另取一份浸泡在1511=5的不含酶的緩沖溶液中作為對(duì)照。將上述樣 品均在37尤的烘箱中放置％ h，然后用自制的尼龍網(wǎng)(孔徑為〇。 076 mm)過濾除去溶解部分，并用蒸塯 水淋洗尼龍網(wǎng)上殘余物，然后將其在801烘至恒重。干凝膠膜的生物降解率按下式計(jì)箅：生物降解率=(- m2)/ x 100%式中m,為對(duì)照實(shí)驗(yàn)中殘余物的質(zhì)量，m?和％分別為酶處理前和處理后樣品的質(zhì)量。

　　

　　2結(jié)果與討論2.1交聯(lián)劑用置對(duì)生物K解性的影晌Fig. 1 Variation of the percentage of bio-degradarion with a- of cioaslinker of hydrogeLf壞血酸與CMC-Na質(zhì)量比為〇。〇2,其它條件同I.2,交聯(lián)劑用量對(duì)水凝膠生物降解性的影響如圖 1所示。由圖及實(shí)驗(yàn)觀察知，隨交聯(lián)劑用量增加，水凝膠稠度增加，強(qiáng)度變好，降解量下降。這是由于一 方面交聯(lián)劑用量越多，交聯(lián)度越大[5],越有利于聚合物網(wǎng)絡(luò)的形成，故強(qiáng)度越好，不利于降解;另一方面 交聯(lián)度越大，凝膠的溶脹比越小，相當(dāng)于形成了一種具有較高致密性的襄壁，能夠有效地阻止生物分子 從外向里的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，酶分子與底物可觸及面積減小，反應(yīng)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防腐劑用置對(duì)生物降解性的彩響防腐劑的加人是為了使水凝膠在貯存期內(nèi)穩(wěn)定性好，不發(fā)霉，不分解。氣化鋁與CMC_Naffi量比為 13,其余條件同1.2,抗壞血酸的加人量對(duì)水凝膠生物降解性的影響見圖2。顯然，防腐劑越少，凝膠 生物降解性就越好，釋放水的速率越快。這是因?yàn)?，防腐劑能夠以各種方式干擾細(xì)菌細(xì)胞中酶的結(jié)構(gòu)的 作用，使酶活性降低，乃至于失活。然而存穩(wěn)定性又是水凝膠必備的基本要求，所以必須在保證水凝 膠儲(chǔ)存穩(wěn)定性的前提下，盡可能減少防腐劑的用量。

　　

　　2.3氨水用躉對(duì)生物曄解性的彩響氨水作為一種添加劑，目的是為了補(bǔ)充水凝膠在土壤中降解時(shí)環(huán)境中氮的不足。氣化鋁、抗壞血酸 分別與CMC-Na f質(zhì)量比為〇_ 13和0? 02,其余條件同1 _2,氨水中氮與CMC-Na質(zhì)量比對(duì)生物降解性 的影響如圖3所示。由圖3知，隨著氨水的加人，生物降解性逐漸增加。當(dāng)氨水中氮與CMC-Na的質(zhì)量 比為0.027時(shí)，降解程度達(dá)到最大;進(jìn)一步增加氨水加人量，生物降解性反而降低。這是因?yàn)樽鳛闊o機(jī) 態(tài)氣來源的銨鹽或硝酸鹽雖能提髙環(huán)境中微生物酶的活性，從而加速纖維素的破壞。但當(dāng)?shù)窟_(dá)到 某一值后，纖維素的分解程度并不隨氮含量增加而增強(qiáng)，即高濃度氮不會(huì)引起酶活性的進(jìn)一步提高W, 這可能與銨根離子形成氫鍵的能力比肽鏈形成氫鍵能力強(qiáng)，從而影響酶蛋白氫鍵的形成有關(guān)，具體原因 有待今后進(jìn)一步探討。

　　

　　2.4尿素用量對(duì)生物降解性的彩響70M?Wof/ UDfMrtNUS^-olq jo 勢(shì)f尿素代替氨水，其余條件同2.3,尿素中氮與CMC-Na的質(zhì)量比對(duì)水凝膠生物降解性的影響如圖 4所示。由圖可知，加人尿素初期降解率急劇下降，達(dá)最低點(diǎn)后，又緩慢回升，但當(dāng)?shù)cCMC-Na的質(zhì)量 比為0.027時(shí)，降解率未出現(xiàn)最高值。由此說明，在氮含量相同的情況下，尿素的加人對(duì)微生物酶活性 的提高不如気水。這是因?yàn)?，尿素中氮必須?jīng)一系列的轉(zhuǎn)化變成銨鹽或硝酸鹽后才能被利用，故尿素中 的氮吸收緩慢。另外，尿素分子中含有兩個(gè)-NH2官能團(tuán)，可與CMC-Na中未交聯(lián)的-C0CT在酸性環(huán) 境下反應(yīng)，形成交聯(lián)結(jié)構(gòu)，因此水凝膠網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更緊密，生物酶分子向內(nèi)部擴(kuò)散較為困難，所以降解速率 起初急劇下降。當(dāng)尿素量繼續(xù)增加時(shí)，聚合物結(jié)構(gòu)變化不大，而可利用氮濃度增加，故降解率又緩慢增 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碳水化合物對(duì)生物降解性的彩響在土壤中，存在許多不同的碳水化合物，為了探寸它們對(duì)水凝膠降解性的影響，我們?cè)谥苽渌z 時(shí)用葡萄糖代替氨水，其余條件同2.3,葡萄糖加入量與水凝膠生物降解性關(guān)系如圖5所示。由圖5可 知，起初水凝膠的降解率隨加入葡萄糖量增加而增加，當(dāng)葡萄糖與CMC-Na的質(zhì)量比超過0.046后，水 凝膠降解率隨加人葡萄糖量增加而減少。這是因?yàn)椋咸烟堑募尤霝樗z中的微生物直接提供了能 源，從而加快了微生物降解底物的速率。但同時(shí)葡萄糖又是CMC-Na降解的最終產(chǎn)物，根據(jù)Ghose和 Das對(duì)纖維素酶水解得到的動(dòng)力學(xué)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為纖維素酶水解時(shí)間(h)，K為反應(yīng)常數(shù)，Cs為起始纖維素含量(％ )，CP為產(chǎn)物葡萄糖的含量 (% )。由上式知隨著葡萄糖量的增加，降解反應(yīng)時(shí)間增加，降解速率減小，纖維素降解率降低。

　　

　　2.6 pH值的影響為了考察體系pH值對(duì)水凝膠生物降解性影響，配制了具有不同PH值的緩沖溶液，并考察了水凝 膠在上述緩沖溶液中的生物降解性，其結(jié)果如圖6所示。由圖可知，水凝膠在不同pH值的環(huán)境中，降 解率不同：在酸性環(huán)境下，8卩pH =4.5 ~6.5時(shí)，生物降解性較好，且在PH = 5. 2時(shí)，降解率最高;當(dāng)pH >5.2時(shí)，降解率隨pH值增大而減小。這是因?yàn)?，CMC-Na的生物降解是由于纖維素酶的活性部位攻 擊CMC-PJa中盧-1,4糖苷鍵，使之?dāng)嗔炎兂傻途畚?，最終變成可溶性的葡萄糖。然而酶是兩性化合物， 其分子上分布著許多竣基和氣基等酸性和喊性基團(tuán)，環(huán)境pH值會(huì)影響麻蛋白的構(gòu)象和酶分子及底物 分子的解離狀態(tài)，進(jìn)而影響酶的活性。根據(jù)Michaelis-Ment?纖維隸酶解機(jī)制，Rodriguez等[8]認(rèn)為在 pH < 5時(shí)，隨著pH值減小，速率常數(shù)減小，而在pH > 5時(shí)，隨著pH增大，米氏常數(shù)增加，這兩者均導(dǎo)致 降解率減小，本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果與此基本一致。

　　

　　3結(jié)論〇^-心水凝膠的生物降解是一個(gè)復(fù)雜的酶催化反應(yīng)，它的制備工藝條件和環(huán)境因素對(duì)其生物降 解性都有不同程度的影響。雖然水凝膠在土壤中的降解因不同土壤微生物分布、可給態(tài)氮濃度、pH值 等許多因素的變化，比在實(shí)驗(yàn)室中簡單的酶解要更為復(fù)雜，但了解這些基本因素的影響，對(duì)今后制備出 能在土壤中規(guī)定時(shí)間內(nèi)降解完全的水凝膠有重要的指導(dǎo)意義。