水凝膠作為新型的生物材料可以應(yīng)用在傷口敷裹，羧甲基纖維素鈉水凝膠的制備及其生物降解性研究，藥物釋放載體以及農(nóng)林育種等諸多領(lǐng)域。隨著 世界各國對環(huán)境污染問題的日益關(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。

CMC-Na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高，且生物降解性好。文獻中用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，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[1_4],但有關(guān)該類水凝膠生物降解性的報道甚少。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，本文對該水凝膠的制備及其生物降解性進行了系統(tǒng)的研 究。

1實驗部分

1.1廬料及試劑_

羧甲基纖維素鈉（CMC-Na) :DS = 0.93, u；Na =0.068= 3.00 xlO6,西安惠安精細化工公司， 食品級;纖維素酶C*0901:美國Sigma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，快速攪拌一定時間，然后依次加人交聯(lián)劑氯化鋁、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 mm待其全溶后，即得無色、無味、均勻分布著細密氣泡的水凝膠，該水凝膠含水量約為98%。

1.3生物降解實驗

將上述制得的水凝膠置于聚四氟乙烯薄膜上，在8〇 ^的烘箱中烘至恒重，羧甲基纖維素鈉水凝膠的制備及其生物降解性研究，得厚度約為〇• 3 mm的干 凝膠膜,準確稱取兩份各重約1〇〇 mg的干凝膠膜，一份浸泡在含有纖維素酶〇. 1 mg / mL，pH = 5的 CH3COOH-NaOH的緩沖溶液中。另取一份浸泡在pH=5的不含酶的緩沖溶液中作為對照。將上述樣 品均在37 T的烘箱中放置96 h，然后用自制的尼龍網(wǎng)（孔徑為0.076 mm)過濾除去溶解部分，并用蒸餾 水淋洗尼龍網(wǎng)上殘余物，然后將其在8〇丈烘至恒重。干凝膠膜的生物降解率按下式計算：

生物降解率=(m丨-m2)/ m。x 100%

式中m ,為對照實驗中殘余物的質(zhì)量，m。和m2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)劑用量對生物降解性的影響

抗壞血酸與CMC-Na質(zhì)量比為0.02,其它條件同1.2，交聯(lián)劑用量對水凝膠生物降解性的影響如圖 1所示。由圖及實驗觀察知，隨交聯(lián)劑用量增加，水凝膠稠度增加，強度變好，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囊壁，能夠有效地阻止生物分子 從外向里的擴散運動，酶分子與底物可觸及面積減小，反應(yīng)速率降低，故降解量下降。

2.2防腐劑用量對生物降解性的影響

防腐劑的加人是為了使水凝膠在存期內(nèi)穩(wěn)定性好，不發(fā)霉,不分解。氯化鋁與CMC-Na質(zhì)量比為 0.13,其余條件同1.2,抗壞血酸的加入量對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。這是因為，防腐劑能夠以各種方式干擾細菌細胞中酶的結(jié)構(gòu)的 作用,使酶活性降低，乃至于失活。然而，貯存穩(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氨水用董對生物降解性的影響

氨水作為一種添加劑，目的是為了補充水凝膠在土壤中降解時環(huán)境中氮的不足。氯化鋁、抗壞血酸 分別與CMC-Na的質(zhì)量比為〇. 13和0.〇2,其余條件同I.2,氨水中氮與CMC-Na質(zhì)量比對生物降解性 的影響如圖3所示。由圖3知，隨著氨水的加入，生物降解性逐漸增加。當(dāng)氨水中氮與CMC-Na的質(zhì)量 比為0.〇27時,降解程度達到最大;進一步增加氨水加人量，生物降解性反而降低。這是因為作為無機 態(tài)氮來源的銨鹽或硝酸鹽雖能提高環(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_到 某一值后，纖維素的分解程度并不隨氮含量增加而增強，即高濃度氮不會引起酶活性的進一步提高 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，從而影響酶蛋白氫鍵的形成有關(guān)，具體原因 有待今后進一步探討。

2.4尿素用置對生物降解性的影響

用尿素代替氨水，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，達最低點后，又緩慢回升，但當(dāng)?shù)cCMC-Na的質(zhì)量 比為0.027時,降解率未出現(xiàn)最高值。由此說明，在氮含量相同的情況下,尿素的加人對微生物酶活性 的提高不如氨水。這是因為,尿素中氮必須經(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-NH2官能團，可與CMC-Na中未交聯(lián)的-C00 _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)部擴散較為困難，所以降解速率 起初急劇下降。羧甲基纖維素鈉水凝膠的制備及其生物降解性研究，當(dāng)尿素量繼續(xù)增加時，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。

2. S碳水化合物對生物降解性的影響

在土壤中，存在許多不同的碳水化合物,為了探I寸它們對水凝膠降解性的影響，我們在制備水凝膠 時用葡萄糖代替氨水，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，7JC 凝膠降解率隨加人葡萄糖量增加而減少。這是因為,葡萄糖的加人為水凝膠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。但同時葡萄糖又是CMC-Na降解的最終產(chǎn)物，根據(jù)Ghose和 Das對纖維素酶水解得到的動力學(xué)方程w :

« = (1/K) In [CS/(CS -CP)]

式中《為纖維素酶水解時間（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)時間增加，降解速率減小，纖維素降解率降低。

Fig. 5 Variation of the percentage of bio-degradation widi a-Fig. 6 Variation of the percentage of bio-degradation with

mount of glucose of hydrogel.pH.

2.6 pH值的影響

為了考察體系pH值對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，即pH = 4.5 ~ 6.5時，生物降解性較好，且在pH = 5. 2時,降解率最高；當(dāng)pH > 5.2時，降解率隨pH值增大而減小。這是因為,CMC-Na的生物降解是由于纖維素酶的活性部位攻 擊CMC-Na中-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氨基等酸性和堿性基團，環(huán)境PH值會影響酶蛋白的構(gòu)象和酶分子及底物 分子的解離狀態(tài)，羧甲基纖維素鈉水凝膠的制備及其生物降解性研究，進而影響酶的活性。根據(jù)Michaelis-Menten纖維素酶解機制，Rodriguez等[8]認為在 pH <5時，隨著pH值減小，速率常數(shù)減小，而在pH >5時，隨著pH增大，米氏常數(shù)增加，這兩者均導(dǎo)致 降解率減小，本文實驗結(jié)果與此基本一致。

3結(jié)論

CMC-Na水凝膠的生物降解是一個復(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，比在實驗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,對今后制備出 能在土壤中規(guī)定時間內(nèi)降解完全的水凝膠有重要的指導(dǎo)意義。