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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(guò)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(guò)對(duì)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(duì)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(duì)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(guò)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(guò)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(duì)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(duì)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(cè)試過(guò)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(wú)法支撐過(guò)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(duì)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(duì)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(yáng)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(duì)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(duì)于E. coli，基本沒(méi)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(duì)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(duì)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(jiǎn)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(jiǎn)介

康涅狄格大學(xué)營(yíng)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(guó)際高水平期刊發(fā)表SCI論文5篇。

羅陽(yáng)超

本文通訊作者

美國(guó)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(yíng)養(yǎng)，食品，以及農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用。

個(gè)人簡(jiǎn)介

羅陽(yáng)超博士目前擔(dān)任美國(guó)康涅狄格大學(xué)營(yíng)養(yǎng)系的副教授。2012年獲得美國(guó)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(guó)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。