2018 年10月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities Oct. 2018文章编号：1003-9015(2018)05-1194-09不同金属离子交联剂对海藻酸盐凝胶结构及性能的影响徐佳桐1, 温惠云1, 黄赛朋1, 潘士印2, 刘先宁2, 许宁侠1,3, 贾朝1,4, 薛伟明1(1. 西北大学化工学院, 陕西西安 710069; 2. 陕西省眼科研究所, 陕西西安 710002;3. 西安外事学院医学院, 陕西西安 710077;4. 商洛学院医药与生物工程学院, 陕西商洛 726000)摘要：不同二价金属离子交联剂与海藻酸钠具有不同交联机制，可形成结构与性能具有显著差异的海藻酸盐凝胶。
价键理论分析结果表明，Ca2+、Zn2+、Ba2+ 三种金属离子与海藻酸钠分子分别以dsp2、sp3、sp3d2方式配位杂化，形成平面正方形、正四面体和正八面体构型。
采用扫描电子显微镜、电感耦合全谱等离子体发射光谱仪和热失重分析仪等表征金属离子交联凝胶的微观形貌、金属含量、热稳定性等与结构的相关性。
以牛血清白蛋白(M w = 67 kDa)为模型，考察了三种交联凝胶的结构对其扩散传递行为的影响。
在此基础上，对三种金属离子交联凝胶与壳聚糖(M w = 100 kDa)扩散反应成膜行为进行了考察。
结果表明，Ca2+、Zn2+、Ba2+ 与海藻酸钠交联后，凝胶中结合的金属元素含量依次增加，凝胶结构趋于致密且热稳定性增加，对牛血清白蛋白分子的扩散阻力依次增大，致密的凝胶结构有利于壳聚糖在凝胶表面形成稳定连续的膜层。
关键词：海藻酸盐；金属离子交联剂；杂化轨道；凝胶结构；扩散中图分类号：TQ021.4；O 636.1 文献标志码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-9015.2018.05.027Effects of Metal Ionic Crosslinkers on Structure and Performance of Alginate GelsXU Jia-tong1, WEN Hui-yun1, HUANG Sai-peng1, PAN Shi-yin2,LIU Xian-ning2, XU Ning-xia1,3, JIA Zhao1,4, XUE Wei-ming1(1. College of Chemical Engineering, Northwest University, Xi’an 710069, China; 2. Shaanxi Institute of Ophthalmology, Xi’an 710002, China; 3.Medical College, Xi'an International University, Xi’an 710077, China;4. College of Biology Pharmacy and Food Engineering, Shangluo University, Shangluo 726000, China)Abstract:Alginate gels (SA) with different structure and properties can be formed when crosslinking with different divalent metal ions. The hybrid orbital theory indicates that Ba2+, Zn2+, Ca2+ coordinate with SA via sp3d2, sp3 and dsp2 and form octahedron, tetrahedron and planar square configurations, respectively. Micromorphology, metal contents and thermal stability of different metal ion crosslinked gels were characterized by scanning electron microscopy (SEM), inductively coupled plasma-optical emission spectrometer (ICP) and thermogravimetic analysis (TGA). Bovine serum albumin (BSA, M w = 67 kDa) was selected as a model protein to investigate diffusion behaviors of molecule in alginate gels. Moreover, membrane formation between alginate gels and chitosan (CS, M w = 100 kDa) was discussed. The results show that structure density, thermal stability and BSA diffusion resistance increase in an order of Ca2+, Zn2+, Ba2+. In addition, crosslinking also helps to form continuous membranes.Key words: alginate; metal ion crosslinkers; hybrid orbital; hydrogel structure; diffusion1前言近年来，海藻酸盐微胶囊作为固定化载体在组织工程、药物递送及控制释放等领域引起极大关注[1,2]。
收稿日期：2017-12-08；修订日期：2018-03-05。
基金项目：陕西省自然科学基金(2015JM2044，2014JQ2067)；陕西省教育厅专项科研计划项目(16JK1770)。
作者简介：徐佳桐(1994- )，女，山西霍州人，西北大学硕士生。
通讯联系人：薛伟明，E-mail：xuewm@海藻酸钠(sodium alginate，SA)分子由古罗糖醛酸(G)和甘露糖醛酸(M)单元组成，生物相容性优异，可在温和条件下与Ca2+ 交联形成具有三维网孔结构的水凝胶，为微囊化细胞提供生长增殖的三维支架[3]，为药物释放提供扩散通道[4]，也为微球表面控释膜的形成提供反应场所[5]。
但Comaposada等[6]研究表明仅当G单元含量较高时，Ca2+ 交联的海藻酸盐凝胶机械强度较为理想，而当M单元含量较高时，凝胶结构疏松，机械强度差，表明Ca2+与SA的交联反应具有选择性。
Baysal等[7]研究发现，海藻酸钙凝胶的稳定性较弱，在没有聚电解质复合膜保护的前提下，环境溶液中的柠檬酸根能竞争性螯合海藻酸钙分子中的 Ca2+ 而使凝胶迅速解聚。
由于Ca-Alg凝胶存在机械强度较低、易于解聚且缓控释能力较差等问题，研究者对其他金属离子交联剂亦产生了浓厚兴趣。
研究发现，Zn2+、Ba2+、Mn2+、Sr2+ 等二价金属离子也可以与SA反应形成水凝胶[8,9]。
Liu等[10]发现，采用Ba2+、Sr2+、Ca2+、Zn2+ 交联的海藻酸盐凝胶均具有良好的细胞相容性，且Zn2+、Ba2+ 交联的凝胶具有更为理想的结构稳定性及生物相容性。
Mørch等[11]报道了Ba2+、Sr2+、Ca2+与SA分子中G、M糖单元的交联性能，发现Ba2+ 与G、M单元均可以交联，而Sr2+ 选择性交联G单元，Ca2+ 选择性交联G和少量GM单元。
但迄今为止，文献报道多为对凝胶现象和性能的描述，关于Zn2+、Ba2+ 与海藻酸盐的交联机理尚缺乏深入研究，对交联机理与凝胶结构、性能之间的关系也缺乏清晰认识。
由于不同二价金属离子与SA分子之间的交联机制不同，因此形成的海藻酸盐凝胶基质结构可能会存在显著差异，这不仅可能影响药物分子在凝胶内部的传质行为，也可能影响凝胶表面控释膜的形成及其控制传输性能。
针对上述问题，本文拟从理论和实验两方面探究Ba2+、Zn2+、Ca2+ 对海藻酸盐凝胶结构及其传质性能的影响。
应用价键理论分析三种金属离子与SA分子的交联机理，海藻酸钡(barium alginate, Ba-Alg)、海藻酸锌(zinc alginate，Zn-Alg)和海藻酸钙(calcium alginate，Ca-Alg)三种凝胶微球为研究对象，采用扫描电子显微镜(SEM)、电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP)、热失重分析仪(TGA)等表征手段为交联机理研究提供实验依据。
以牛血清白蛋白(bovine serum albumin，BSA)为模型分子评价凝胶结构与扩散性能的相关性；进而采用CLSM研究异硫氰酸荧光酯(fluorescein isothiocyanate，FITC)标记的壳聚糖(chitosan，CS)分子在三种凝胶中的扩散协同成膜反应行为。
2 实验部分2.1 实验材料与仪器海藻酸钠(黏度200 mPa⋅s (1%，20℃)，CP，国药集团化学试剂有限公司)；氯化钙、氯化钡、氯化锌(AR，天津市科密欧试剂有限公司)；壳聚糖(平均分子量70 kDa，脱乙酰度≥ 95%，CP，河南润诚化工产品有限公司)；牛血清白蛋白(纯度99%，北京索莱宝科技有限公司)；异硫氰酸荧光素(AR，Sigma公司)；其他试剂均为AR。
脉冲电场发生器(自制)；微量注射泵(浙江大学医学仪器有限公司)；Motic TE2000倒置显微镜(西安千欣仪器有限公司)；Carl Zeiss SIGMA扫描电子显微镜(德国卡尔·蔡司股份公司)；ULTIMA2电感耦合全谱等离子体发射光谱仪(法国HORIBA Jobin Yvon公司)；FV1000激光共聚焦显微镜(日本奥林巴斯株式会社)；UV-3600紫外分光光度计(日本岛津仪器公司)；TG209F1 热重分析仪(德国耐驰仪器有限公司)。
2.2海藻酸盐凝胶微球的制备量取8 g·L-1 SA原料液10 mL，4℃保存过夜。
利用脉冲电场发生器，将SA原料液通过微量注射泵分别滴入20 g·L-1的BaCl2、ZnCl2、CaCl2溶液中，交联固化60 min。
采用去离子水充分润洗微球，保证凝胶中未交联的金属离子置换完全，分别得到Ba-Alg、Zn-Alg和Ca-Alg凝胶微球。
2.3浓硝酸法制备凝胶消解溶液分别称量400 mg干燥至恒重的Ba-Alg、Zn-Alg和Ca-Alg凝胶微球，加入65%~68% 浓硝酸8 mL。