海藻酸鹽/絲素基復合水凝膠的制備及性能研究

摘要：以海藻酸鈉和絲素蛋白為原料，通過化學交聯技術制備了不同比例的海藻酸鹽聚乙烯醇/絲素蛋白羧甲基殼聚糖復合水凝膠。研究重點在于觀察凝膠化前后材料結構的變化，以及不同絲素蛋白比例對復合水凝膠溶脹性能和透氣性能的影響。實驗結果表明，復合水凝膠具有良好的機械性能和較高的溶脹度，最高可達5 658.3%。此外，研究還發現，當SF/CMCS比例為6/4，且SA/PVA厚度為1 mm時，復合水凝膠具有最高的透氣率和溶脹率。為水凝膠材料的設計和應用提供了有價值的指導，并為未來的生物醫學研究奠定了基礎。

關鍵詞：海藻酸鹽；絲素基復合水凝膠；化學交聯

水凝膠作為一種具有高吸水性和良好生物相容性的生物材料，在組織工程、藥物釋放和傷口愈合等領域具有廣泛的應用前景［1］。為了進一步提高水凝膠的性能，本研究以海藻酸鈉和絲素蛋白為主要原料，采用化學交聯技術制備了不同比例的海藻酸鹽聚乙烯醇/絲素蛋白羧甲基殼聚糖的復合水凝膠。通過對凝膠化前后材料結構的變化進行觀察，以及不同絲素蛋白比例對復合水凝膠溶脹性能和透氣性能的影響進行研究，為水凝膠材料的設計和應用提供理論依據。

1研究方法

1.1海藻酸鹽/絲素基復合水凝膠的制備設備

1.1.1實驗儀器

實驗儀器包括：水浴鍋、高速離心機、電子計量秤、紫外可見分光光度計、磁力攪拌器和鼓風干燥箱等。

1.1.2實驗試劑

實驗試劑包括：蠶繭（絲素）、透析袋、無水碳酸鈉、無水氯化鈣、無水乙醇、羧甲基殼聚糖粉末、海藻酸鹽、碳酰二亞胺鹽酸鹽（EDC）、聚乙烯醇（PVA）和乳酸鈣等。

1.2海藻酸鹽/絲素基復合水凝膠的制備方法

1.2.1絲素蛋白提取

1.2.1.1蠶繭脫膠

將1 L去離子水加熱至沸騰，加入5 g無水碳酸鈉粉末，待其完全溶解后，將預先用精密天平稱取的50 g蠶繭殼用剪刀剪成塊狀，撕去內壁，放入0.5% Na2CO3溶液中，邊煮邊攪拌30 min。隨后取出絲并用去離子水清洗2～3次，重復脫膠3次。置于60 ℃的烘箱中烘干得到純絲素纖維。

1.2.1.2SF的制備

取11.1 g CaCl2、9.214 g CH3CH2OH和14.4 g去離子水混合均勻配制成三元溶液。將物質的量比為1∶2∶8的三元溶劑（CaCl2、CH3CH2OH、H2O）在（70±5 ℃）的水浴下溶解絲素（質量比為1∶10）：將烘干的10 g絲素纖維放入100 g物質的量比為1∶2∶8的三元溶劑中，在65 ℃的水浴下溶解2 h，直至絲素纖維完全溶解（攪拌時無纖維撕扯感）。將溶解的絲素裝入透析袋中密封，用去離子水透析2天，每4 h換一次水，以除去小分子物質。用硝酸銀和碳酸鈉檢驗鈣氯離子，再用高速離心機在9 000 r/min下離心20 min，得到淺黃色透明的再生SF溶液。采用聚乙二醇進行濃縮后，利用比重法測量質量分數，稱取含4 g的絲素蛋白溶液定容于100 mL容量瓶配制質量濃度為4%的SF溶液，置于4 ℃備用。

1.2.1.3SF蛋白電泳檢測

（1） 凝膠裝板

將垂直板型電泳裝置內的板狀凝膠模子取出，用蒸餾水沖洗干凈，放在干燥箱（50 ℃）干燥后取出。使玻璃板形成一個“夾心”凝膠腔，用封口膜將下方、左右兩側封住從而避免出現漏膠。把裝好的凝膠腔置于仰放的電極上槽，將電泳槽、凝膠模子組成的垂直板型電泳裝置垂直放置在水平臺面上，灌注膠液。

（2） 凝膠制備

按配方將各工作液混合，將分離膠緩慢注入膠液槽中，上面留出2 cm為以后灌濃縮膠用。在上面均勻緩慢注入蒸餾水，使分離膠表面平直，排除氣泡隔絕空氣隨后放在干燥箱（50 ℃，30 min）待膠凝固后棄水，并用濾紙吸干水分，避免觸碰分離膠。緩慢注入濃縮膠，將梳子插入濃縮膠中，放在干燥箱（50 ℃，30 min）待聚合，緩慢拔出樣梳。

（3） 含DTT蛋白上樣緩沖液和不含DTT上樣緩沖液的制備

取60 μL蛋白樣品，分別加入20 μL 5×含DTT上樣緩沖液和不含DTT的上樣緩沖液。

1 mol/L DTT溶液配制方法：用20 mL 0.01 mol/L乙酸鈉溶液（pH 5.2）溶解3.09 g DTT；1.0 mol/L TrisHCl（pH 6.8） 2 mL，1.0 mol/L DTT 4 mL，SDS 0.8 g，溴芬藍0.04 g，甘油4 mL，加蒸餾水定容至20 mL。

4×蛋白上樣緩沖液的配制：2.0 mL 1 mol/L TrisHCl（pH 6.8），0.8 g SDS，4.0 mL甘油，1.0 mL 0.5 mol/L EDTA，8 mg溴酚藍；0.5 mol/L EDTA配制：稱取1.861 g Na2EDTA2H2O，加入約8 mL的去離子水，充分攪拌后用20 g NaOH顆粒加去離子水定容至10 mL，pH約至8.0。第一個樣孔加入5 μL蛋白marker，后面各孔加入10 μL標準蛋白溶解液進行上樣，依次為樣品1含DTT、樣品1不含DTT、樣品2含DTT、樣品2不含DTT。

（4） 電泳

第一個樣孔加入5 μL蛋白marker，后面各孔加入10 μL標準蛋白溶解液進行上樣，依次為樣品1含DTT、樣品1不含DTT、樣品2含DTT、樣品2不含DTT。加入1×電泳緩沖液（pH 8.3的Tris甘氨酸緩沖液和蒸餾水以4∶1混合），加入上下槽電極液（1×電泳緩沖液），上槽接負極，下槽接正極，起始電壓為80 V、電流為44 mA，樣品進入分離膠后，電壓為150 V、電流在84 mA到94 mA上下浮動。待前沿指示劑到達分離膠下沿2 cm處（約2 h）停止電泳，結束后將濃縮膠部分去掉。

1.2.2PVASA內膜水凝膠制備

1.2.2.1SAPVA水凝膠制備

各稱取12.5 g氯化鈣和乳酸鈣溶解于2 L的去離子水中，配制復合鈣溶液。稱取4 g SA溶于100 mL去離子水中，配制質量體積分數為4%的SA溶液。稱取20 g PVA放置在200 mL去離子水中，70 ℃溶脹30 min，100 ℃攪拌2 h，配制質量分數為10%的PVA溶液。將PVASA以質量比2∶1混合，攪拌1 h，靜置脫泡，得到其共混液。

1.2.2.2SA-PVA水凝膠制備

將SA-PVA溶液倒入培養皿中，并將內膜厚度分別控制在1.0 mm、2.5 mm、4.0 mm。將其浸入復合鈣溶液中交聯4 h形成內膜凝膠。

2結果與分析

2.1復合水凝膠的形成與結構變化

在生物醫學材料領域，水凝膠作為一種重要的生物兼容性材料，其制備技術一直是研究的熱點。EDC［1乙基3（3二甲基氨基丙基）碳二亞胺］化學交聯方法，是構建水凝膠網絡結構的常用手段之一。以下是對該方法的深入分析：

首先，EDC化學交聯機制涉及在絲素（Fibroin）與羧甲基殼聚糖（Carboxymethyl Chitosan， CMC）之間形成酰胺鍵，從而構筑一個穩定的交聯網絡。在此過程中，絲素作為一種源于蠶絲的天然蛋白質，不僅具有出色的生物相容性和生物降解性，而且其二級結構的改變對水凝膠的最終性能至關重要。具體而言，絲素二級結構的調整，如β折疊結構的形成，能夠顯著影響水凝膠的機械強度和彈性。研究結果表明，這種復合水凝膠具有較高的彈性，說明其在承受應力時具有良好的形變恢復能力。這種優良的機械性能對于水凝膠在生物醫學應用中的可行性至關重要，尤其是在組織工程、藥物遞送和生物傳感器等領域［2］。

2.2溶脹度與透氣性的研究

溶脹度是水凝膠的關鍵物理特性之一，它定義為水凝膠在吸水后體積增加的百分比。溶脹度對于水凝膠的應用至關重要，因為它決定了水凝膠在生理環境中的水分保持能力，進而影響其力學性能和生物學性能。在當前研究中，SAPVA/SFCMCS復合水凝膠展現出高達5 658.3%的溶脹度，這一顯著特征表明該水凝膠具有極高的吸水能力，這一特性對于其在生物醫學領域的潛在應用具有重要價值［3］。

高值溶脹度歸因于以下因素：

（1） 交聯網絡的靈活性：水凝膠的高溶脹度源于其交聯網絡的靈活性。當交聯點之間的距離足夠大時，網絡結構能夠在水合作用下伸展，允許更多的水分子進入并填充網絡空隙。

（2） 多孔結構：水凝膠的多孔結構提供了大量的孔隙，這些空間在水溶脹時被水分占據，從而增加了溶脹度。

研究結果表明，在SF/CMCS的質量比為6/4時，以及SA/PVA的厚度為1 mm的條件下，制備的復合水凝膠展現出最高的透氣率和溶脹率。這一結果可以解釋如下：在水凝膠制備過程中，SF/CMCS的質量比決定了交聯密度。在6/4的比例下，交聯密度達到了一個最佳的平衡點，既保證了水凝膠的結構穩定性，又保持了足夠的孔隙度以支持高溶脹度；孔隙結構是由水凝膠中交聯點的分布和密度決定的。在最佳比例下，水凝膠的孔隙結構最有利于水分和氣體的傳輸。

3結語

成功制備了不同比例的SAPVA/SFCMCS復合水凝膠，并通過實驗觀察了凝膠化前后材料結構的變化。結果表明，復合水凝膠具有良好的機械性能和較高的溶脹度。此外，通過探討不同絲素蛋白比例對復合水凝膠溶脹性能和透氣性能的影響，發現SF/CMCS比例為6/4，且SA/PVA厚度為1 mm的復合水凝膠具有最高的透氣率和溶脹率。本研究為水凝膠材料的設計和應用提供了有價值的指導，并為未來的生物醫學研究奠定了基礎。

參考文獻：

［1］V·M·金泰爾，M·西蒙內蒂，F·內羅蒂，等.海藻酸鹽膨潤土生物復合水凝膠制備的水蒸氣捕獲用熱質交換器及其制造方法：202180062389.0［P］.2024-07-17.

［2］賈新宇，戰藝偉，邢雅成，等.應變響應抗凍保水海藻酸鈣/聚乙烯醇導電水凝膠［J］.山東化工，2023，52（7）：12-14.

［3］宋文山，王園園，杜芬，等.魚皮膠原蛋白殼聚糖復合海藻酸鹽水凝膠敷料對燒燙傷創面的促愈合作用［J］.中國海洋藥物，2018，38（3）：46.

作者簡介：李奉原，男，河南輝縣人，本科在讀，研究方向：絲素蛋白、水凝膠天然再生材料。