《Food Hydrocolloids》：Mesh Size Regulates Diffusion in Calcium Alginate Hydrogels: a Spatiotemporal Approach Combining Experiments and COMSOL-Based Modeling
编辑推荐：
本研究为精准调控活性成分在胃肠道中的控释递送提供了关键设计依据。研究人员针对水凝胶微结构如何影响溶质扩散这一核心问题，系统研究了钙藻酸盐水凝胶网孔尺寸(ξ)与模型溶质四甲基罗丹明异硫氰酸酯葡聚糖(TRITC-dextran 40)扩散系数之间的关系。通过结合荧光时空浓度谱、COMSOL多物理场模拟及基于Flory-Rehner理论的微结构表征，研究发现水凝胶浓度增加导致网孔尺寸减小，从而显著降低溶质扩散性。研究结果为基于网孔尺寸的水凝胶理性设计，用于控释递送应用提供了直接支持。
在食品科学与生物医学领域，水凝胶作为包封和递送活性成分（如营养素、益生菌或药物）的明星材料，其核心功能是实现对目标分子的“控释”。想象一下，一颗包裹着维生素的智能胶囊，需要在胃酸环境中稳定，却在肠道碱性环境下精准释放。实现这一精准“开关”的关键，就在于水凝胶内部的微观迷宫——由亲水性聚合物链交织而成的三维网络，其“网孔”的大小直接决定了被包裹分子能否通过、以及以多快的速度通过。这个关键参数被称为网孔尺寸（mesh size，ξ），它被定义为聚合物网络上相邻交联点之间的端到端距离。
然而，要想看清并量化这个纳米尺度的微观世界，并精确预测分子在其中的“穿行”速度，科学家们面临着双重挑战。一方面，直接观测困难重重：常用的扫描电镜（SEM）成像需要样本脱水、冷冻，这个过程会导致水凝胶结构塌缩，测得的“孔洞”尺寸可能比真实含水状态下的网孔大几个数量级，造成严重误判。而共聚焦激光扫描显微镜的分辨率（约200纳米）又不足以分辨通常仅几个到十几个纳米的典型水凝胶网孔。另一方面，测量溶质在其中的扩散也非易事：传统方法如荧光漂白恢复、长时柱扩散等，或通量低、或成本高、或实验周期过长可能导致材料降解。因此，建立一种能准确反映水凝胶在充分水合状态下真实网孔尺寸的表征方法，并将其与溶质扩散行为直接、可靠地关联起来，成为理性设计功能化水凝胶的瓶颈问题。
为了解决上述问题，由Yi Liu、Meinou Corstens、Ameer Khan Patan、Edoardo Capuano和Karin Schro?n组成的研究团队在《Food Hydrocolloids》上发表了一项系统性研究。他们以广泛应用于食品和医药领域的钙藻酸盐（calcium-alginate）水凝胶为模型体系，以四甲基罗丹明异硫氰酸酯标记的40 kDa葡聚糖（TRITC-dextran 40）作为模型溶质（其大小与中等尺寸蛋白质相近），深入探究了网孔尺寸如何调控溶质扩散性。研究创造性地将经典的Flory-Rehner理论（用于估算充分水合状态下的网孔尺寸）与高时空分辨率的荧光扩散实验相结合，并利用COMSOL Multiphysics软件进行数值模拟与数据拟合，从而在时空两个维度上揭示了网孔尺寸与扩散系数之间的清晰关系。
为开展这项研究，作者主要运用了以下几项关键技术方法：首先，通过流变仪测定水凝胶的储能模量（G'）以评估其网络刚性和交联密度。其次，通过测量水凝胶珠的溶胀比（Q）来获取聚合物体积分数等信息，并结合G'利用Flory-Rehner理论方程计算水凝胶的理论网孔尺寸（ξ）。核心的扩散研究采用了一种改进的毛细管扩散法：将不同浓度的藻酸盐溶液在载钙琼脂糖模具中交联形成水凝胶柱并填充于毛细管中，随后在一端注入TRITC-dextran 40溶液，利用显微镜每间隔一分钟拍摄荧光图像，持续两小时，从而获得溶质在凝胶中随时间（时间分辨率）和沿毛细管轴向位置（空间分辨率）变化的浓度分布图。最后，通过构建二维轴对称几何模型，在COMSOL Multiphysics软件中数值求解菲克第二定律，将实验测得的时空荧光强度剖面进行拟合，从而计算出局部的和有效的扩散系数（Deff）。
研究结果
3.1. 微结构表征
3.1.1. 储能模量 (G’)
随着藻酸盐浓度从2.5%增加到12.5% (w/v)，水凝胶的储能模量（G’）从84.2 ± 4.4 kPa显著增加到330.1 ± 29.6 kPa。这表明更高的聚合物浓度形成了更密集的交联网络，弹性增强，储存变形能量的能力更大。同时，高浓度水凝胶的线性粘弹性区域更短，意味着其网络更脆弱，更容易发生永久性形变或脆性断裂。
3.1.2. 溶胀比 (Q)
水凝胶的溶胀比随藻酸盐浓度增加而下降，从2.5%浓度下的65.7 ± 1.1%降至10.0%浓度下的32.9 ± 1.9%。当浓度高于10.0%时，溶胀比不再发生显著变化，这可能是由于形成了高度密集的交联聚合物网络，限制了溶剂的进一步渗透和聚合物链的膨胀。
3.1.3. 网孔尺寸估算
结合溶胀比和储能模量数据，通过Flory-Rehner理论方程计算出的网孔尺寸（ξ）明确显示出随藻酸盐浓度增加而减小的趋势。在最低浓度2.5% (w/v) 下，网孔尺寸为12.4 ± 0.7 nm，在5.0%和7.5%浓度下分别降至9.2 ± 1.0 nm和7.7 ± 1.3 nm。这证实了通过调整聚合物浓度可以有效调控水凝胶的微结构。
3.2. 扩散表征
3.2.1. COMSOL拟合与局部扩散系数
通过COMSOL模型拟合时空荧光强度数据，获得了TRITC-dextran 40在水凝胶中的局部扩散系数。拟合的确定系数（R2）值普遍较高，均方根误差（RMSE）平均为0.5（约占荧光强度的2%），表明模型能够很好地捕捉溶质在凝胶基质中的扩散行为。分析发现，局部扩散系数在空间上呈现一致的模式：在靠近凝胶-液体界面的区域值较高，在500-1000 μm范围内逐渐降低，在超过1500 μm的位置趋于稳定。研究表明，靠近界面处的高估可能是由于拟合过程中对凝胶相起始点定义的不确定性以及早期陡峭的浓度梯度所致，而非凝胶材料本身的属性。在远离界面（>1500 μm）的区域，除最高浓度（12.5%）样品外，扩散系数显示出高度的可重复性，表明了凝胶的均匀性。
3.2.2. 有效扩散系数
通过空间平均局部扩散系数得到了有效扩散系数（Deff）。TRITC-dextran 40在水中的扩散系数为8.73×10-11m2/s。在所有水凝胶配方中，Deff最多比水中低两倍，其值从2.5%浓度下的6.43×10-11m2/s到10.0%浓度下的4.57×10-11m2/s不等。这种降低与尺寸排阻效应一致，因为TRITC-dextran 40的水动力半径（4.5 nm）小于所测凝胶的网孔尺寸。
3.3. 网孔尺寸与扩散系数之间的关系
研究清晰地展示了有效扩散系数对水凝胶网孔尺寸的依赖性。随着藻酸盐含量增加，网孔尺寸减小，聚合物网络产生的空间位阻增大，限制了TRITC-dextran 40分子的通过，导致Deff值降低。即使在低藻酸盐浓度下，Deff也从未完全达到水中的自由扩散值，这与文献中由于微结构异质性导致水凝胶中很少观察到完全无阻碍扩散的报道一致。研究还将实验测得的Deff与一个结合了自由体积理论和 obstruction theory（阻碍理论）的多尺度扩散模型（MSDM）的预测值进行了比较。初始模型（未修正）的预测值普遍低于实验值约1.5-2倍。为了缩小差距，研究者引入了针对葡聚糖分子形状和柔韧性的经验校正因子。葡聚糖是一种支链多糖，可以变形并穿越小于其水动力半径的空隙。通过引入形状校正因子（β，约为0.8）和柔韧性校正因子（γ，对40 kDa葡聚糖约为0.29–0.31），修正后的模型预测值更接近实验拟合值，尽管仍然系统性地偏低。这剩余的差距凸显了网孔尺寸分布使得局部传质能力超出了基于平均网孔尺寸模型所能捕捉的范围。
结论与意义
本研究通过系统的实验与模拟，确证了钙藻酸盐水凝胶中溶质的迁移率受网络网孔尺寸的支配。主要结论包括：首先，增加聚合物浓度会形成更致密、更刚性的网络，导致网孔尺寸减小、溶胀比降低，并显著限制溶质扩散。其次，基于COMSOL的时空分辨率分析方法能够可靠地测定扩散系数，并揭示凝胶结构的（非）均匀性，优于传统的单一扩散系数测量方法。再者，经典的多尺度理论模型倾向于低估溶质传输，这主要归因于模型未充分考虑网孔尺寸分布和葡聚糖分子的柔韧性。通过引入基于分子形状和柔韧性的经验校正因子，可以在一定程度上改善模型预测的准确性。
这项研究的深刻意义在于它提供了一套清晰、可靠的方法论框架，将水凝胶的理论微结构参数（网孔尺寸）与其关键功能属性（溶质扩散释放）定量关联起来。它证实了通过精确调控聚合物浓度来设计网孔尺寸，进而“编程”分子释放速率的可行性。这一认知对于理性设计用于胃肠道靶向递送、药物控释、细胞封装等领域的智能水凝胶平台至关重要。未来，结合消化环境（如pH、酶）等触发因素，可以将这些发现进一步拓展，助力开发更智能、更响应的功能材料，在食品创新和生物医学应用中实现更精准的递送控制。
