水凝膠作為新型的生物材料可以應用在傷口敷裹，藥物釋放載體以及農林育種等諸多領域。隨著世界各國對環境汚染問題的日益關注，人們將注意力集中到纖維素這一具有生物可降解性、環境協調性的可再生資源上，目前纖維素的各種衍生物及其水凝膠已被廣泛應用于食品、造紙、醫藥衛生、石油工業 以及農林業等領域。

　　

　　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文獻中用CMC-Na制備水凝膠的方法很多，基于反應易 于控制，反應條件溫和及產物環境相容性好等特點，CMC-Na與金屬離子的交聯反應（見式1)得到了廣 泛的應用[14]，但有關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系到上述水凝膠中 水的釋放速率，從而影響到其應用效果，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,t?Na =0.068,^，= 3.00xl06,西安惠安精細化工公司， 食品級;纖維素酶C4901:美國Sgma化學工業公司;氨水：白銀化學試劑廠，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：天津市化學試劑一廠，分析純;氯化鋁：天津天河化學 試劑廠，分析純;抗壞血酸：西安化學試劑廠，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80 T的烘箱中烘至恒重，得厚度約為0.3 mm的干 凝膠膜，準確稱取兩份各重約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(孔徑為〇。 076 mm)過濾除去溶解部分，并用蒸塯 水淋洗尼龍網上殘余物，然后將其在801烘至恒重。干凝膠膜的生物降解率按下式計箅：生物降解率=(- m2)/ x 100%式中m,為對照實驗中殘余物的質量，m?和％分別為酶處理前和處理后樣品的質量。

　　

　　2結果與討論2.1交聯劑用置對生物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質量比為〇。〇2,其它條件同I.2,交聯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 方面交聯劑用量越多，交聯度越大[5],越有利于聚合物網絡的形成，故強度越好，不利于降解;另一方面 交聯度越大，凝膠的溶脹比越小，相當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 從外向里的擴散運動，酶分子與底物可觸及面積減小，反應速率降低，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穩定性好，不發霉，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構的 作用，使酶活性降低，乃至于失活。然而存穩定性又是水凝膠必備的基本要求，所以必須在保證水凝 膠儲存穩定性的前提下，盡可能減少防腐劑的用量。

　　

　　2.3氨水用躉對生物曄解性的彩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境中氮的不足。氣化鋁、抗壞血酸 分別與CMC-Na f質量比為〇_ 13和0? 02,其余條件同1 _2,氨水中氮與CMC-Na質量比對生物降解性 的影響如圖3所示。由圖3知，隨著氨水的加人，生物降解性逐漸增加。當氨水中氮與CMC-Na的質量 比為0.027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 態氣來源的銨鹽或硝酸鹽雖能提髙環境中微生物酶的活性，從而加速纖維素的破壞。但當氮含量達到 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，從而影響酶蛋白氫鍵的形成有關，具體原因 有待今后進一步探討。

　　

　　2.4尿素用量對生物降解性的彩響70M?Wof/ UDfMrtNUS^-olq jo 勢f尿素代替氨水，其余條件同2.3,尿素中氮與CMC-Na的質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，但當氮與CMC-Na的質量 比為0.027時，降解率未出現最高值。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 的提高不如気水。這是因為，尿素中氮必須經一系列的轉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中未交聯的-C0CT在酸性環 境下反應，形成交聯結構，因此水凝膠網絡結構更緊密，生物酶分子向內部擴散較為困難，所以降解速率 起初急劇下降。當尿素量繼續增加時，聚合物結構變化不大，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，當葡萄糖與CMC-Na的質量比超過0.046后，水 凝膠降解率隨加人葡萄糖量增加而減少。這是因為，葡萄糖的加入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降解的最終產物，根據Ghose和 Das對纖維素酶水解得到的動力學方程：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為纖維素酶水解時間(h)，K為反應常數，Cs為起始纖維素含量(％ )，CP為產物葡萄糖的含量 (% )。由上式知隨著葡萄糖量的增加，降解反應時間增加，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，其結果如圖6所示。由圖可知，水凝膠在不同pH值的環境中，降 解率不同：在酸性環境下，8卩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-PJa中盧-1,4糖苷鍵，使之斷裂變成低聚物，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，環境pH值會影響麻蛋白的構象和酶分子及底物 分子的解離狀態，進而影響酶的活性。根據Michaelis-Ment?纖維隸酶解機制，Rodriguez等[8]認為在 pH < 5時，隨著pH值減小，速率常數減小，而在pH > 5時，隨著pH增大，米氏常數增加，這兩者均導致 降解率減小，本文實驗結果與此基本一致。

　　

　　3結論〇^-心水凝膠的生物降解是一個復雜的酶催化反應，它的制備工藝條件和環境因素對其生物降 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 能在土壤中規定時間內降解完全的水凝膠有重要的指導意義。