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澳门威利斯人88038水凝胶的制备及其生物降解性研究

发布日期:2014-12-25 22:35:01
澳门威利斯人88038水凝胶的制备及其生物降解性研究
澳门威利斯人88038水凝胶的制备及其生物降解性研究
澳门威利斯人88038水凝胶的制备及其生物降解性研究,用澳门威利斯人88038(CMC-Na)制得了含水量高达98 %的水凝胶,考察了防腐剂、交联剂、无机态氮
素、有机态氮素、碳水化合物的加入量以及环境中pH值等因素对生物降解性的影响。结果表明:制备条件不
同,水凝胶的生物降解性不同;环境中一定量铵根离子的存在有利于水凝肢的生物降解;在pH =5. 2的环境
中纤维素酶活性最高,降解程度最大。
水凝胶作为新型的生物材料可以应用在伤口敷裹,澳门威利斯人88038水凝胶的制备及其生物降解性研究,药物释放载体以及农林育种等诸多领域。随着 世界各国对环境污染问题的日益关注,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。
CMC-Na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高,且生物降解性好。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[1_4],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_
澳门威利斯人88038(CMC-Na) :DS = 0.93, u;Na =0.068= 3.00 xlO6,西安惠安精细化工企业, 食品级;纤维素酶C*0901:美国Sigma化学工业企业;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氯化铝、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澳门威利斯人88038,快速搅拌5 mm待其全溶后,即得无色、无味、均勻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8〇 ^的烘箱中烘至恒重,澳门威利斯人88038水凝胶的制备及其生物降解性研究,得厚度约为〇• 3 mm的干 凝胶膜,准确称取两份各重约1〇〇 mg的干凝胶膜,一份浸泡在含有纤维素酶〇. 1 mg / mL,pH = 5的 CH3COOH-NaOH的缓冲溶液中。另取一份浸泡在pH=5的不含酶的缓冲溶液中作为对照。将上述样 品均在37 T的烘箱中放置96 h,然后用自制的尼龙网(孔径为0.076 mm)过滤除去溶解部分,并用蒸馏 水淋洗尼龙网上残余物,然后将其在8〇丈烘至恒重。干凝胶膜的生物降解率按下式计算:
生物降解率=(m丨-m2)/ m。x 100%
式中m ,为对照实验中残余物的质量,m。和m2分别为酶处理前和处理后样品的质量。
2结果与讨论
2.1交联剂用量对生物降解性的影响
抗坏血酸与CMC-Na质量比为0.02,其它条件同1.2,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囊壁,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,故降解量下降。
2.2防腐剂用量对生物降解性的影响
防腐剂的加人是为了使水凝胶在存期内稳定性好,不发霉,不分解。氯化铝与CMC-Na质量比为 0.13,其余条件同1.2,抗坏血酸的加入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,贮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氨水用董对生物降解性的影响
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。氯化铝、抗坏血酸 分别与CMC-Na的质量比为〇. 13和0.〇2,其余条件同I.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,随着氨水的加入,生物降解性逐渐增加。当氨水中氮与CMC-Na的质量 比为0.〇27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 态氮来源的铵盐或硝酸盐虽能提高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 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尿素用置对生物降解性的影响
用尿素代替氨水,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 的提高不如氨水。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 的氮吸取缓慢。另外,尿素分子中含有两个-NH2官能团,可与CMC-Na中未交联的-C00 _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。澳门威利斯人88038水凝胶的制备及其生物降解性研究,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。
2. S碳水化合物对生物降解性的影响
在土壤中,存在许多不同的碳水化合物,为了探I寸它们对水凝胶降解性的影响,大家在制备水凝胶 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,7JC 凝胶降解率随加人葡萄糖量增加而减少。这是因为,葡萄糖的加人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w :
« = (1/K) In [CS/(CS -CP)]
式中《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。
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,即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-Na中-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氨基等酸性和碱性基团,环境PH值会影响酶蛋白的构象和酶分子及底物 分子的解离状态,澳门威利斯人88038水凝胶的制备及其生物降解性研究,进而影响酶的活性。根据Michaelis-Menten纤维素酶解机制,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
CMC-Na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引导意义。
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