氧化方法对羧甲基纤维素水凝胶性能的影响：酶法与化学TEMPO/过氧化物体系对比

《International Journal of Biological Macromolecules》：Impact of oxidation method on the properties of carboxymethylcellulose hydrogels: Enzymatic versus chemical TEMPO/periodate systems

本研究通过TEMPO介导的氧化和NaIO?处理，对比了酶催化（Laccase/TEMPO/O?/NaIO?）与化学氧化（TEMPO/NaOCl/NaBr/NaIO?）两种方法对羧甲基纤维素（CMC）功能化及水凝胶性能的影响，发现酶促氧化能生成高电荷、剪切稀化特性优异的纳米颗粒，而化学氧化产物结构松散。氧化CMC水凝胶在体外展现出与布洛芬相当的抗炎活性，且溶血率低于5%，证实酶催化与化学氧化系统在开发生物相容性水凝胶中的差异化应用潜力。

　　

Bouhidel Zineb|Elkolli Meriem|Bouanane Zohra|Lisa Moni|Cavallo Dario|Pettineo Simone|Baouch Zakarya|Vicini Silvia|Castellano Maila

L.P.M.A.M.P.M，过程工程系，技术学院，Ferhat Abbas-Sétif大学，塞蒂夫，19000，阿尔及利亚

摘要

本研究报道了一种环保的、一步法制备新型功能性羧甲基纤维素（CMC）水凝胶的策略，该方法结合了两种广泛使用的选择性氧化方法：TEMPO介导的氧化和过碘酸钠（NaIO?）处理。研究了两种氧化途径：(i) 化酶系统，包括TEMPO/O?/漆酶/NaIO?，生成氧化后的CMC，记为OCMC_TLP；(ii) 化学系统，使用含氯氧化剂（TEMPO/NaOCl/NaBr/NaIO?），生成氧化后的CMC，记为OCMC_{TP¹H NMR、TGA/TDA、XRD、DLS和Zeta电位分析进行了表征。流变测量表明，聚合物浓度显著影响粘度。原始CMC表现出明显的剪切稀化行为（n ≈ 0.3–0.4）。酶促氧化主要产生对剪切极为敏感的OCMC溶液（n ≈ 0.0001），而化学氧化则导致中等流变性能。SEM-EDX和AFM的形态学研究表明，水凝胶具有纤维结构且表面粗糙，这些特性因氧化途径和NaIO?浓度而略有差异。热重分析显示，酶促氧化样品的热稳定性降低。选定的OCMC水凝胶在体外表现出优异的抗炎活性，与参考药物双氯芬酸相比，其溶血率低于5%。这些结果突显了酶促和化学TEMPO/过碘酸盐氧化系统在开发生物相容性和功能性CMC基水凝胶方面的潜力。}

引言

工业发展给地球带来了巨大代价，导致气候变化、污染和资源损失。这种紧迫性促使研究转向更环保的技术。生物催化是这一绿色转型的核心，它利用酶或微生物作为温和水相条件下的选择性催化剂[1]。这种方法减少了有毒废物，符合绿色化学的基本原则。同时，先进的材料科学提供了多功能解决方案，例如高吸水性的三维聚合物网络。这些材料在生物医学领域有广泛的应用，如伤口敷料、药物输送系统和组织工程支架[2]。将这两个领域——绿色生物催化过程和功能性水凝胶设计相结合，为开发下一代可持续材料提供了有力策略[3]。

在开发创新和环保的生物材料方面，多糖的酶促氧化是一种有前景的方法，可用于其选择性功能化。在研究的系统中，漆酶（一种多铜氧化酶）能在分子氧存在下催化酚类化合物的一电子氧化[4]。然而，由于多糖的较高氧化还原电位和空间位阻，它无法有效氧化初级羟基（C₆-OH）。为了克服这一限制，使用了TEMPO等媒介物来传递氧化活性：媒介物首先被漆酶激活，然后扩散到多糖链上并选择性氧化C6基团[5]。这种温和且选择性的酶促过程非常适合用于化学修饰多糖，以设计适用于生物医学应用的反应性、多功能和生物相容性的生物材料[6]、[7]。

羧甲基纤维素（CMC）作为最早和最广泛使用的纤维素衍生物，自20世纪以来一直是一种有价值的材料。其水溶性、无毒性和生物相容性以及可生物降解性使其适用于多种应用，尤其是在生物医学领域[8]。CMC还具有形成薄膜、乳化、悬浮、保水及增稠等理想特性，适用于医药、食品、卫生产品、电子和纺织行业[9]。由于含有大量羟基，CMC可以通过氧化引入羰基或羧基，从而增强其反应性。与其他天然聚合物相比，CMC更容易加工，无需使用有毒溶剂[10]。

在氧化方法中，TEMPO介导的氧化和过碘酸盐氧化反应因其高区域选择性和效率以及环保（“绿色”）条件而被广泛认为是最实用的方法。TEMPO介导的氧化技术使用催化水平的TEMPO，以NaClO和NaClO?为主要氧化剂，在中性至微酸性pH值的水溶液中，已成功从软木纤维素、再生纤维素、curdlan和amyloextraction等多糖中生成高分子量羧基化合物[11]、[12]、[13]、[14]。这种氧化方法改善了材料性能，有助于开发坚固的水凝胶和纳米复合支架，这些支架结合了纤维素纳米晶体、羧基化纤维素、羧甲基纤维素和海藻酸钠-黄原胶混合物，由于它们的生物相容性和可定制性，在组织工程和医疗应用中具有巨大潜力[15]、[16]。

漆酶-TEMPO系统能有效催化多种多糖的氧化和功能化，尽管实验变量对产物特性的影响尚未得到充分研究[17]、[18]、[19]。为了扩大其应用范围，采用了一种化酶策略，结合漆酶（一种铜基氧化还原酶）和TEMPO，在微酸性条件下从小麦阿拉伯木聚糖和魔芋葡甘露聚糖等多糖中生成交联醛，根据反应条件将初级醇转化为醛或羧酸[20]。这种方法已成功从可溶性和不可溶性多糖（包括淀粉、菊粉和几丁质）中制备出尿苷酸衍生物，最新分析强调了其广泛的适用性[12]。

在本研究中，我们使用两种不同的催化系统对CMC进行了氧化比较：化酶系统（TEMPO/漆酶/O?/NaIO?）和经典化学系统（TEMPO/NaOCl/NaBr/NaIO?）。我们的目标是评估它们引入羰基和羧基功能的效率，从而增强CMC的阴离子特性和反应性。酶促系统专门设计用于在温和、无氯条件下实现区域选择性氧化，符合绿色化学的原则。对所得材料的化学结构进行了全面表征，并定量确定了它们的氧化程度，揭示了两种途径的结果和机制的根本差异。

这种方法使得两种不同类型的氧化材料得以开发，这些材料在物理、形态、流变、热和生物学特性上存在差异，将在本文后续部分详细讨论。

材料

羧甲基纤维素（CMC）（分子量约250 kDa，含水量8%，平均粘度400–800 cps）购自Sigma-Aldrich。漆酶（EC 1.10.3.2）来自Trametes versicolor，TEMPO（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基，≥98%）也购自Sigma-Aldrich。过碘酸钠（NaIO?）、溴化钠（NaBr）和次氯酸钠（NaOCl，9% w/w）以及其他所有试剂和溶剂均为分析级，无需进一步纯化即可使用。

漆酶活性

漆酶活性

化酶和化学氧化系统的机理探讨

化酶和化学氧化途径的不同结果和效率可以通过对其pH依赖性机制的详细分析来解释，这些机制决定了关键氧化剂过碘酸钠的形态和反应性。

化酶系统（TEMPO/漆酶/O?/NaIO?）在微酸性至中性范围内（pH约4.5）运行最佳。这种条件具有双重作用：它使过碘酸钠主要保持可溶性和中等反应性

结论

本研究表明，氧化方法——酶促（TLP）与化学（TP）——从根本上决定了功能性CMC的性质。光谱（FTIR、¹H NMR）分析显示，酶促处理选择性地氧化C6位置，同时保持了主链的完整性，生成胶体稳定的、高电荷的纳米颗粒，具有可预测的剪切稀化行为。相比之下，化学氧化会降解聚合物，生成聚集的、电荷较低的碎片，结构不规则

CRediT作者贡献声明

Bouhidel Zineb：撰写——初稿撰写、可视化、验证、方法学设计、实验研究、数据分析、概念化。Elkolli Meriem：撰写——审阅与编辑、项目监督、方法学设计、资金获取、概念化。Bouanane Zohra：验证、实验研究。Lisa Moni：验证、实验研究。Cavallo Dario：撰写——审阅与编辑、初稿撰写、项目监督、资金获取。Pettineo Simone：撰写——审阅

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在准备本手稿时，作者使用了AI工具ChatGPT/GPT-4和Gemini来提高语言清晰度、辅助手稿结构优化和/或改进技术表述。使用这些工具后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对发表作品的内容负全责。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。