基于羧甲基纤维素、丙烯酰胺和金纳米粒子的抗菌与粘合性水凝胶复合材料的制备与性能表征

时间：2026年2月24日

来源：Carbohydrate Polymers

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基于羧甲基纤维素和丙烯酰胺的水凝胶复合材料通过金纳米颗粒的引入实现了机械强度、粘附性能和抗菌效能的协同提升，拉伸强度达22.8MPa，抑菌率超过98%，并具有温度响应颜色变化特性。

作者：Onome Ejeromedoghene, Moses Kumi, Huanhuan Wang, Samson Olusegun Afolabi, Ahmed Olalekan Omoniyi, Huaguang Wang, Jiangna Guo, Zexin Zhang

单位：中国江苏省苏州市苏州大学化学、化学工程与材料科学学院新型功能性聚合物材料州立与地方联合工程实验室，邮编215123

摘要

传统水凝胶的局限性激发了人们利用无机纳米粒子增强聚合物化合物的兴趣，以制备具有多种功能的水凝胶复合材料，用于各种应用。本研究报道了一种一步化学凝胶化方法，用于制备由羧甲基纤维素、丙烯酰胺和金纳米粒子组成的水凝胶复合材料。由于聚合物网络中的强氢键作用，这些水凝胶复合材料表现出显著的机械强度和粘附性能。值得注意的是，该复合材料达到了22.8 MPa的拉伸强度（屈服应变877.1%）、346.8 MPa的压缩强度（屈服应变120%）以及246 kPa的粘附强度。此外，这些材料在不同生物和无机基底上表现出优异的粘附性能，并在广泛的位移范围内保持较高的粘附应力。此外，这些水凝胶复合材料还表现出优异的杀菌活性，对大肠杆菌（E. coli）的杀灭效率高达98.2%，对金黄色葡萄球菌（S. aureus）的杀灭效率高达99.1%，同时对哺乳动物细胞无毒。这些发现凸显了这些水凝胶复合材料在伤口愈合和抗菌生物粘合剂等应用中的实际潜力。

引言

水凝胶因其独特的性质（如生物相容性、可调的机械性能以及模拟细胞外基质的能力）而在多个领域受到广泛关注，尤其是在生物医学应用中。具有抗菌性能的水凝胶在伤口愈合、药物输送和组织工程方面具有特别的价值（Sanz del Olmo等人，2024；Wang等人，2023）。然而，由于应力下的机械强度低、由于不均匀性导致的裂纹扩展敏感性以及聚合物网络中缺乏适当的能量耗散机制等问题，限制了它们的实际应用（Ma等人，2024）。解决这些限制的一种方法是通过物理或化学交联将无机材料引入聚合物网络。羧甲基纤维素（CMCS）是一种广泛用于水凝胶制备的纤维素衍生物，因其优异的水溶性、生物相容性、生物降解性和机械强度而受到青睐。CMCS可以很容易地被改性以增强其性能，使其成为制备具有特定功能的水凝胶复合材料的理想候选材料（Yang等人，2023）。当作为水凝胶的聚合物前体时，CMCS可以作为支架支持细胞生长，并促进治疗剂在生物医学设备中的持续释放。此外，CMCS的高化学修饰能力使其能够与金属纳米粒子（如金纳米粒子（AuNPs）结合，从而增强现有性能并引入新的性能（Andrew等人，2024）。金纳米粒子凭借其高表面积与体积比以及独特的物理和化学性质，在提高机械性能、提供光热抗菌效果和增强水凝胶基质的粘附性方面显示出潜力（Raghuwanshi & Garnier，2024）。先前的研究强调了基于水凝胶的复合材料在各种生物医学应用中的多功能性，每种应用都满足了独特的功能需求（He等人，2024；Park等人，2024；Shen等人，2024；Tohidi等人，2024）。例如，一种基于羧乙基壳聚糖和氧化海藻酸钠混合物的水凝胶，其中含有用单宁酸/红甘蓝功能化的金纳米粒子，被制备成具有良好颜色响应性的抗菌生物粘合剂，用于伤口管理（Khadem等人，2023）。此外，铜纳米粒子被引入羧甲基纤维素溶液和卡波普胶中，通过非共价相互作用形成水凝胶，作为注射和经皮药物输送系统的抗菌剂（Enoch & Somasundaram，2024）。通过探索仿生策略，基于生物矿化纤维素纳米晶体的生物粘合剂被开发出来，具有优异的抗霉菌和抗菌性能（Li等人，2022）。尽管取得了这些进展，现有的水凝胶材料往往无法同时提供生物医学应用所需的强度、粘附能力、抗菌效果和透明度（Xie等人，2020）。

我们假设将金纳米粒子（AuNPs）战略性地整合到CMCS水凝胶网络中，将创造出一种协同效应的复合材料。这种整合有望通过强界面相互作用增强机械强度和粘弹性。此外，我们预计该水凝胶复合材料将在生物和无机表面上表现出强大的、可调的粘附性能以及强大的抗菌活性，从而成为一种多功能生物材料，超越现有水凝胶在先进生物医学应用中的局限性。选择金纳米粒子作为水凝胶复合材料的无机成分，是因为它们除了抗菌效果外还具有多种其他优势。具体来说，它们出色的生物相容性、内在稳定性、减轻离子释放相关的细胞毒性以及独特的光热潜力共同作用，使CMCS水凝胶具有增强的机械强度、可控的治疗模式以及在生理环境中的长期结构完整性（Campea等人，2021；Tutar等人，2019）。

在这项研究中，我们报道了一种新型的基于纤维素的水凝胶的制备和表征，该水凝胶集成了金纳米粒子，旨在作为用于生物医学应用的抗菌生物粘合剂。系统地研究了这种复合水凝胶的机械强度、粘附性能、流变行为和抗菌活性。在适当浓度和纳米粒子分散的情况下，水凝胶复合材料表现出可调且增强的粘弹性。这种可调性对于材料适应生物环境的动态特性至关重要。这些改进使得材料能够更好地适应不规则表面，与组织保持紧密接触，并在较长时间内保持其抗菌效果（Liu & Liu，2023）。通过利用纤维素和金纳米粒子的协同效应，我们创新的彩色变化水凝胶旨在满足对多功能、抗菌和生物粘合剂生物材料的需求，这种材料在一个平台上同时提供强大的机械支持和有效的感染控制。本研究的结果为水凝胶复合材料领域的发展做出了贡献，为下一代生物材料铺平了道路，这些材料能够无缝集成结构完整性、对环境条件的响应性，并可能在生物医学设备中提供显著的优势，其中粘附性、柔韧性和无菌性至关重要。

材料

本研究使用的分析级化学试剂均为市售产品。包括从上海阿拉丁生化科技有限公司购买的羧甲基纤维素钠盐（CMCS，粘度600–1000 MPa·s；分子量约700,000 – 1,200,000 g/mol；取代度0.7；纯度≥99.5%）和过硫酸钾（KPS，99.99%）。此外还包括丙烯酰胺（Am，98%）、三氯化金（AuCl₃，98%）、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBAm，99.5%）以及磷酸盐缓冲盐水。