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水凝胶具有理想的理化特性、可变的结构、灵活的合成方法和良好的生物相容性，是生物医学中广泛应用的新兴材料。根据材料的来源，水凝胶可分为合成水凝胶和天然水凝胶。天然水凝胶中研究最为广泛的是多糖水凝胶和多肽水凝胶。多糖因其来源丰富、制备简单、成本低廉，同时还具有生物相容性好、生物可降解性和无免疫原性等优势，在生物材料中获得了广泛的应用。
中国海洋大学食品科学与工程学院的郭雨宁、黄文灿、毛相朝*通过将聚多巴胺（PDA）与羧甲基琼脂糖（CMA）相结合，开发具有pH值响应性且能够提高CMA水凝胶的机械强度的水凝胶。以琼脂糖为原料制备了CMA，通过红外光谱、核磁共振（NMR）、电子显微镜和热重分析等技术对其进行表征。利用CMA和PDA之间的相互作用制备了CMA-PDA水凝胶，并研究了水凝胶的流变性、质构性能、pH值响应性释放性能和细胞相容性，进一步探究CMA-PDA水凝胶用于生物活性物质递送载体的研究。
1、CMA的合成与表征
01
CMA合成
琼脂糖在碱性介质中进行碱化和羧甲基化，使用氯乙酸对琼脂糖进行羧甲基取代。图1显示了琼脂糖的羧甲基化过程。
02
CMA的傅里叶变换红外光谱分析结果
如图2所示，琼脂糖图谱中，在3 441 cm－1处有一个很强的O—H键伸缩振动吸收峰，在2 897 cm－1处出现C—H伸缩振动吸收峰，在1 070 cm－1处是C—O—C振动吸收峰。与琼脂糖相比，CMA的红外光谱基本相同，但出现了1 745 cm－1和1 374 cm－1两个新的特征吸收峰。1 745 cm－1处为羧基的羰基吸收峰，1 374 cm－1处属于羧甲基的剪切振动特征吸收峰，并且1 235 cm－1处亚甲基的吸收峰强度增强。而930、892、793、770、738、715、690 cm－1处琼脂糖的特征峰在羧甲基化后未发生明显变化。根据以上结果可以认为，成功制备了CMA。
03
CMA NMR分析结果
如图3所示，对琼脂糖的1H-NMR谱图进行分峰。琼脂糖的氢谱与CMA的氢谱峰形基本相同。除了琼脂糖的质子峰外，CMA中亚甲基C7的质子出现在δ 4.46处。CMA的13C-NMR光谱结果表明，在δ 174.31为羧基碳的信号峰和δ 75.11为亚甲基碳的信号峰。
04
CMA热重分析结果
如图4所示，30～100 ℃的热质量损失为结晶水的脱除引起，琼脂糖与CMA的质量损失一致，均为8%。150～800 ℃的质量损失阶段对应琼脂糖的裂解反应。可以看出，CMA在178 ℃即开始分解反应，低于琼脂糖的起始分解温度（250 ℃），说明引入羧甲基后，CMA的稳定性降低。琼脂糖和CMA在150～800 ℃的质量损失分别为72%和67%。
05
CMA扫描电镜结果
通过扫描电镜观察琼脂糖和CMA水凝胶冻干样品的微观形态，结果如图5所示。可以看出琼脂糖和CMA在凝胶骨架的结构上有一些相似之处，都具有空间网络的微观结构。琼脂糖凝胶骨架结构比CMA致密，凝胶内孔结构更小，而CMA凝胶的孔结构大且疏松。
06
CMA透射电镜结果
结果如图6所示。在引入羧甲基后，CMA的溶解性得到了显著的提高，通过1%质量分数的琼脂糖溶液和CMA进行观察，能够明显观察到溶液的透光率有明显区别，见图6A。琼脂糖溶解度较差，因此其水溶液相比于水溶性较好的CMA更浑浊。进一步使用透射电镜观察2 种水溶液中多糖颗粒的分散性，由于CMA之间的氢键作用减弱，并且可以观察到相比于琼脂糖颗粒，CMA颗粒的粒径更小，因此，CMA颗粒在水溶液中具有更好的分散性。
2、水凝胶流变性能表征
由图7A可知，在整个频率范围内，所有水凝胶的G’均大于G’’，所有水凝胶都显示出主要的弹性固体行为。图7B结果显示，水凝胶的tanδ值均小于1，表明所有水凝胶由其弹性行为而不是黏性决定。CMA-PDA水凝胶的G’和G’’均大于CMA水凝胶，表明PDA的加入提高了水凝胶的黏弹性。并且CMA-PDA水凝胶的tanδ值大于CMA水凝胶，表明PDA的加入提高了水凝胶吸收外加能量的能力。
3、水凝胶质构性能表征
如表1所示，添加PDA后，CMA-PDA水凝胶的硬度和凝胶强度均有所提高，而CMA-PDA水凝胶的内聚性相比CMA水凝胶有所下降。质构结果表明，PDA的加入提高了水凝胶的硬度和凝胶强度，降低了水凝胶的内聚性。
4、pH值响应性释放
由图8可知，CMA-PDA水凝胶表现出了明显的pH值响应性。在pH 2.0酸性条件下，水凝胶中DOX的释放速度明显高于pH 6.2、6.8、7.4的环境中，在释放20 min后，pH 2.0环境中DOX的累积释放率已经达到31.24%，而pH 6.2、6.8、7.4的环境中，DOX的释放率仅为20.26%、20.12%和16.11%。尽管高浓度的DOX对肿瘤细胞的杀伤性更强，但过快的释放会使DOX的有效率下降，并且对周围正常组织细胞造成伤害。在释放初期，CMA-PDA水凝胶都表现出了DOX的快速释放。前期快速的释放有利于DOX达到一定的浓度，从而控制肿瘤的生长。在pH 2.0条件下，释放6 h后，DOX的释放速率逐渐减小并最终趋于平缓。而在pH 6.2、6.8、7.4的环境中，释放超过2 h后，DOX的释放速率趋于平缓。在释放8 h后，在pH 6.2、6.8、7.4的环境中，水凝胶分别累积释放了41.36%、37.88%和34.53%的DOX，而pH 2.0条件下，DOX释放率达到77.83%。
5、水凝胶细胞相容性
图9显示了孵育后的L929细胞形态。与DMEM培养基组相比，可以观察到水凝胶浸提液处理后，细胞形态未发生明显变化，说明水凝胶无细胞毒性。如图10所示，以DMEM培养基中培养的细胞作为对照，CMA-PDA水凝胶提取液共孵育的细胞活性均保持在95%以上。结果表明，该水凝胶具有良好的生物相容性，细胞毒性可忽略不计，可用作递送载体。
结论
以琼脂糖为原料，通过氯乙酸取代引入了羧甲基，并对其进行表征，结果表明成功制备CMA。同时以CMA与PDA为原料，成功制备具有pH值响应性的CMA-PDA水凝胶，并对其流变性能和质构性能进行表征。以CMAPDA水凝胶为载体进行DOX的释放研究，观察DOX的可控释放，结果表明水凝胶对DOX具有缓释作用。此外，MTT实验证明CMA-PDA水凝胶细胞相容性良好。基于此，认为CMA-PDA水凝胶具有作为递送载体的潜力。
通信作者简介
毛相朝，男，博士、教授、博士生导师，现任食品科学与工程学院副院长、山东省海洋食品生物制造工程研究中心主任。入选国家优秀青年科学基金、国家现代农业产业技术体系岗位科学家、山东省杰出青年科学基金和山东省泰山学者青年专家。主要从事海洋水产品生物加工领域的教学与科研工作，主持国家自然科学基金5项、国家重点研发计划课题1项、国家现代农业产业技术体系课题1项、省部级课题4项以及省部级以上教学改革项目5项。以第一或通讯作者在SCI期刊发表论文60余篇，主编教材著作3部；以第一发明人获授权发明专利30余项，参编行业标准3项。获省部级科技奖励4项、省级教学成果奖3项。荣获第15届霍英东青年教师奖、第22届山东青年五四奖章、中国产学研合作创新奖、第11届青岛市青年科技奖等荣誉称号。
第一作者简介
郭雨宁，男，硕士研究生，研究方向为海洋多糖水凝胶。
本文《pH值响应性羧甲基琼脂糖-聚多巴胺水凝胶制备及缓释性能》来源于《食品科学》2022年43卷10期59-65页，作者：郭雨宁，黄文灿，毛相朝。DOI:10.7506/spkx1002-6630-20210723-277。点击下方阅读原文即可查看文章相关信息。
修改/编辑：袁艺；责任编辑：张睿梅
图片来源于文章原文及摄图网。
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