基于残留物的热重分析：一种量化大分子中羧基团变化的新方法

《Biomacromolecules》：Residue-Based Thermogravimetric Analysis: A Novel Method to Quantify Carboxylate Group Modifications in Macromolecules

定量化学修饰的闭环策略：基于热重分析（TGA）的钠盐残留物方法

　　在生物材料研究中，透明质酸（HA）作为一种天然来源的多糖，因其良好的生物相容性、生物可降解性和化学修饰的灵活性，广泛应用于医学领域。然而，准确量化HA的化学修饰度（DoM）仍然是一个挑战，因为修饰过程中引入的多种官能团可能干扰传统光谱方法的准确性。本文提出了一种基于热重分析（TGA）的新方法，通过比较钠透明质酸（NaHA）及其羧酸修饰衍生物的残余量，实现对HA修饰度的定量分析。这种方法不仅适用于液态材料，还可以用于固态材料或凝胶，有效克服了传统光谱技术在溶解性和稳定性方面的局限性。

TGA是一种常用的分析技术，广泛应用于聚合物实验室，通过在控制温度或气氛条件下测量材料的质量变化，提供关于热稳定性、分解动力学和组成信息的重要数据。在过去的TGA研究中，主要采用两种策略：直接测量因添加剂而失去的质量，或测量分解后残留的无机物含量。然而，对于生物聚合物如HA，这两种策略尚未被充分用于确定其修饰度。本文提出的方法利用了TGA的残余分析，通过测量完全氧化后剩余的无机物（Na?CO?），该残余物与HA中未被修饰的羧酸基团数量成正比，从而实现了对修饰度的直接量化。这种方法具有简单、无需标记和高精度的优点，能够适用于各种化学结构的材料，尤其适用于传统光谱方法无法检测的“沉默官能团”。

实验部分展示了如何合成不同类型的HA衍生物，包括醛基、呋喃基、硫醇基和氰乙酸基修饰的HA（HA-Ald、HA-Furan、HA-Thiol和HA-Cyano）。这些衍生物通过不同的化学方法进行修饰，如使用碳二亚胺偶联化学和肼类试剂。对于HA-Cyano，由于其缺乏明显的NMR或UV-Vis信号，采用了TGA方法进行量化。通过将HA调整至特定pH值，确保其完全离子化，从而形成稳定的钠盐结构。在TGA实验中，通过程序化控制干燥和热分解步骤，确保样品在加热过程中能够完全去除水分并分解有机物，最终得到无机残余物Na?CO?。通过比较不同样品的TGA残余量，可以准确计算出修饰度。

为了验证该方法的准确性，对四种HA衍生物进行了实验分析，并与传统的NMR和UV-Vis方法进行对比。结果显示，HA-Ald、HA-Furan和HA-Thiol的TGA结果与NMR数据吻合，而HA-Cyano则首次通过TGA方法进行量化，其修饰度为20.5%。此外，对未修饰的HA进行了TGA分析，测得其残余量为12.56%，与理论值13.21%略有差异，这可能是由于商业HA中存在杂质所致。通过实验校准和调整，可以确保TGA方法的精确性和可重复性。

TGA方法的优势在于其无需使用外部或内部标准，避免了基线校正和积分误差，从而减少了人为因素对结果的影响。此外，TGA方法适用于各种材料，无论其是否具有良好的溶解性或稳定性，这使得其在生物材料的分析中具有广泛的应用前景。通过比较不同修饰样品的TGA残余量，可以准确评估修饰度，同时避免了因修饰而引起的信号重叠问题。

然而，该方法也存在一些局限性，如环境中的杂质可能影响残余物的测量，因此需要采取措施确保样品的纯净性。例如，使用预处理的透析膜和高纯度的NaOH进行pH调整，并在冻干前对溶液进行过滤。此外，钠盐的引入可能导致额外的碳酸钠形成，从而影响残余物的测量。因此，需要严格控制pH值和样品体积，以减少误差。

总之，本文提出的TGA方法为量化HA及其衍生物的修饰度提供了一种新的、可靠和实用的工具。这种方法不仅适用于HA，还可以扩展到其他含有羧酸基团的聚合物，为生物材料的开发和标准化提供了重要的技术支持。通过这种方法，可以更准确地评估材料的化学性质，从而推动生物医学和工业应用的发展。