水凝胶作为新型的生物材料可以应用在伤口敷裹，羧甲基纤维素钠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_

羧甲基纤维素钠（CMC-Na) :DS = 0.93, u；Na =0.068= 3.00 xlO6,西安惠安精细化工公司， 食品级;纤维素酶C*0901:美国Sigma化学工业公司；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羧甲基纤维素钠，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，羧甲基纤维素钠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 的氮吸收缓慢。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。羧甲基纤维素钠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，我们在制备水凝胶 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，羧甲基纤维素钠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指导意义。