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  抗菌水凝膠的機(jī)械性能差被認(rèn)為是其在很多應(yīng)用中的一個(gè)障礙。本文通過物理和化學(xué)交聯(lián)成功地制備出一種新型雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的殼聚糖基水凝膠，即殼聚糖/聚丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化銨水凝膠，其機(jī)械性能與聚丙烯酰胺的含量呈正比，抗菌能力與季銨鹽化合物的含量也成正比。通過對聚丙烯酰胺和季銨鹽化合物的優(yōu)化，當(dāng)比例為5:5時(shí)，機(jī)械力達(dá)到530.72 ± 3.19 kPa，對E. coli和L. monocytogenes的抑菌率分別為76.6%（40 mg的凍干樣本）和72.85%（20 mg的凍干樣本）。本研究中的具有出色的機(jī)械性能和抗菌性能的水凝膠，對于各種應(yīng)用具有潛在的前景。

本文亮點(diǎn)

1.成功制備物理和化學(xué)交聯(lián)的雙重網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的殼聚糖基水凝膠。

2.聚丙烯酰胺網(wǎng)絡(luò)給制備的復(fù)合水凝膠提供了出色的機(jī)械力。

3.季銨鹽化合物被成功交聯(lián)到制備的水凝膠中。

4.季銨鹽化合物顯著增強(qiáng)了殼聚糖基水凝膠的抗菌能力。

  抗菌水凝膠的機(jī)械性能差被認(rèn)為是其在很多應(yīng)用中的一個(gè)障礙。康涅狄格大學(xué)Yangchao Luo團(tuán)隊(duì)利用物理和化學(xué)交聯(lián)成功地制備出一種新型雙網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的殼聚糖/聚丙烯酰胺-[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]三甲基氯化銨水凝膠。具體地，通過丙烯酰胺和季銨鹽化合物的自由基聚合反應(yīng)形成一層化學(xué)網(wǎng)絡(luò)，殼聚糖的存在形成一層氫鍵為主的物理網(wǎng)絡(luò)。通過調(diào)整丙烯酰胺和季銨鹽的比例，得到最理想的機(jī)械力和抗菌能力。結(jié)果顯示，當(dāng)比例為5:5時(shí)，機(jī)械力達(dá)到530.72 ± 3.19 kPa，對E. coli和L. monocytogenes的抑菌率分別為76.6%（40 mg的凍干樣本）和72.85%（20 mg的凍干樣本）。本研究中的具有出色的機(jī)械性能和抗菌性能的水凝膠，對于各種應(yīng)用具有潛在的前景。

Ⅰ 水凝膠的形成

圖1. (a)復(fù)合水凝膠的制備原理。(b)制備好的水凝膠圖片

ⅠI  水凝膠的機(jī)械力和流變性質(zhì)

圖2. (a)不同復(fù)合水凝膠的壓縮測試過程展示圖。(b)復(fù)合水凝膠的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(c)從應(yīng)力-應(yīng)變曲線計(jì)算得出的復(fù)合水凝膠在85%應(yīng)變下的壓縮應(yīng)力。(d)復(fù)合水凝膠的動(dòng)態(tài)流變性能。

ⅠII  水凝膠的結(jié)構(gòu)表征

圖3. SEM顯微照片不同放大倍數(shù)下的水凝膠的微觀結(jié)構(gòu)：500倍放大（上圖）和1000倍放大（下圖）。

的加入，水凝膠的溶脹率顯著增加。這是因?yàn)?/span>MTAC含有正電荷的季銨鹽，隨著MTAC增加，正電荷也隨之增加，導(dǎo)致水凝膠網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的離子電荷引起的靜電斥力增加，最終導(dǎo)致水凝膠的溶脹率提高。但是結(jié)果發(fā)現(xiàn)，含有CS/pAM(4:6)水凝膠的溶脹率反而降低，這可能的原因是它的機(jī)械應(yīng)力最差，無法支撐過多的水。 

圖5. 水凝膠的溶脹百分比。

ⅠV 抗菌實(shí)驗(yàn)

  圖6和表1為各個(gè)水凝膠對L. monocytogenes和E. coli的抑菌圈大小結(jié)果。從圖6可以看出，抑菌圈的大小隨著MTAC的增加而顯著增加，這是因?yàn)?/span>MTAC中的季銨鹽成分具有很強(qiáng)的抑菌效果。對于L. monocytogenes和E. coli的抑菌圈，最大可達(dá)到41.8mm和31.73mm。圖7則是兩種細(xì)菌的抑制率結(jié)果。由于兩種菌的性質(zhì)不一樣，即革蘭氏陽性菌的膜和革蘭氏陰性菌菌的膜組成不一樣，抑制兩種菌所需的水凝膠的量也不一樣。對L. monocytogenes菌，20mg的凍干水凝膠樣品的抑菌率最高可達(dá)82.63%，然而同樣的計(jì)量對于E. coli，基本沒有抑菌效果。當(dāng)用40mg的凍干水凝膠樣品，E. coli抑菌率最高可達(dá)82.55%。其中水凝膠CS/paAM(5:5)對于E. coli和L. monocytogenes的抑菌率分別為76.6%（40 mg的凍干樣本）和72.85%（20 mg的凍干樣本）。 

圖6. 抑菌圈

圖7. 不同水凝膠對L. monocytogenes和E. coli的抑制率。

  原文鏈接：

  Construction and characterization of chitosan/poly(acrylamide‐[2‐(methacryloyloxy)ethyl]trimethylammonium chloride) double‐network hydrogel with enhanced antibacterial activity

  Honglin Zhu, Tiangang Yang, Sunni Chen, Xinhao Wang1, Jie He, Yangchao Luo*

  Advanced Composites and Hybrid Materials (2023) 6:192 

  https://doi.org/10.1007/s42114-023-00773-7

作者簡介

朱宏林

本文第一作者

康涅狄格大學(xué) 博士生

主要研究領(lǐng)域

殼聚糖基水凝膠的制備及其在污水處理中的應(yīng)用

幾丁質(zhì)的提取及其利用

個(gè)人簡介

康涅狄格大學(xué)營養(yǎng)科學(xué)博士生，在《International Journal of Biological Macromolecules》、《Advanced Composites and Hybrid Materials》、《Current Opinion in Food Science》、《Journal of Materials Chemistry B》、《Journal of Agriculture and Food Research》等國際高水平期刊發(fā)表SCI論文5篇。

羅陽超

本文通訊作者

美國康涅狄格大學(xué) 副教授

主要研究領(lǐng)域

天然高分子材料在營養(yǎng)，食品，以及農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用。

個(gè)人簡介

羅陽超博士目前擔(dān)任美國康涅狄格大學(xué)營養(yǎng)系的副教授。2012年獲得美國馬里大學(xué)博士學(xué)位，主要研究食品納米與高分子材料，曾于2012-2013年在美國田納西大學(xué)做博士后研究工作。近十年（2014-2023）期間，發(fā)表高水平SCI論文120余篇。目前擔(dān)任Elsevier旗下International Journal of Biological Macromolecules副總編，Journal of Agriculture and Food Research主編。