氮气冷等离子体处理对蜀葵根黏液-明胶气凝胶结构与热稳定性的增强机制研究

本研究针对生物聚合物气凝胶（Aerogels）易受湿度影响、结构稳定性差的问题，通过氮气冷等离子体（Cold Plasma, CP）处理蜀葵根黏液（Marshmallow Root Mucilage）与明胶（Gelatin）复合气凝胶（MGA），系统探究了不同处理时间（0/3/6 min）对材料疏水性、孔隙结构和热稳定性的影响。结果表明，3分钟CP处理可提升亲水性（接触角从88.37°降至82.05°），而6分钟处理使1:1 MGA疏水性增强（93.27°），BET比表面积最高达4.33 m2/g。该研究为生物基气凝胶的功能化改性提供了新策略。

　　

气凝胶因其低密度和高比表面积的特性，在生物医学、环境修复等领域展现出巨大潜力，但传统生物聚合物气凝胶面临湿度敏感、机械强度不足等挑战。尤其以多糖类气凝胶为代表的材料，其开放孔隙结构易受极性液体破坏，而现有疏水改性方法多依赖化学交联剂，可能引入生物相容性问题。为此，来自伊朗的研究团队创新性地将氮气冷等离子体（CP）技术应用于蜀葵根黏液（Marshmallow Root Mucilage）与明胶（Gelatin）复合气凝胶（MGA）的改性，相关成果发表于《Current Research in Food Science》。

研究采用冷冻干燥法制备pH 5/7条件下的1:1 MGA及纯明胶对照组，通过流变学测试确定pH 7为最佳制备条件后，对样品进行0/3/6分钟CP处理。关键技术包括：动态光散射（DLS）测定Zeta电位、质构分析仪评估机械性能、BET/BJH法表征孔隙结构、扫描电镜（SEM）观察形貌、X射线衍射（XRD）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）分析晶体结构与化学键变化，以及热重分析（TGA）结合差示扫描量热法（DTA）评估热稳定性。

3.1 Zeta电位测定
pH 7时黏液Zeta电位达-25.10 mV，显著高于明胶（-8.17 mV），表明黏液携带更多电离基团。尽管两者电荷相似，中性pH下仍能通过氢键等作用形成稳定凝胶网络。

3.2 质构分析
pH 7的1:1水凝胶硬度最高（19.15 g），冷冻干燥后气凝胶硬度提升至426.20 g，证实黏液可增强明胶基材料的机械强度。CP处理未显著改变质构特性，但SEM显示3分钟处理使空白样孔隙部分塌陷。

3.3 流变学特性
pH 7的1:1水凝胶储能模量（G′）始终高于损耗模量（G″），呈现典型弹性固体行为。时间扫描显示G′在30分钟内保持稳定，证实中性pH有利于维持凝胶网络完整性。

3.4 润湿性测量
CP处理呈现时间依赖性效应：3分钟使1:1 MGA接触角降低6.32°，而6分钟处理反增4.9°，表明黏液组分诱导了独特的表面重构过程。空白组则持续趋向亲水化（接触角下降13.33°）。

3.5 孔隙表征
BET分析显示3分钟CP使1:1 MGA比表面积提升49.3%（2.90→4.33 m²/g），但6分钟处理后又回落。BJH孔体积同步呈现先增后减趋势，说明适度CP可优化孔隙结构。

3.6 形貌分析
SEM证实CP处理引发显著形貌改变：6分钟处理使空白样出现纤维状融合结构，而1:1 MGA保留更多孔隙，表明黏液有助于维持三维网络稳定性。

3.7 XRD图谱
1:1 MGA在3分钟CP处理后出现21.48°新衍射峰，伴随半峰宽（FWHM）从6.98°增至7.45°，反映等离子体诱导了局部有序结构转变。

3.8 FT-IR分析
CP处理使1:1 MGA的N-H伸缩振动峰（3328 cm^-1）发生位移，酰胺I带（1662 cm^-1）强度变化，证实等离子体与蛋白质-多糖链发生相互作用。

3.9 热行为
TGA显示6分钟CP处理使1:1 MGA残炭率提升24.49%，DTG峰温升高至454.38°C，证明交联作用增强了热稳定性。DTA检测到202.91°C吸热峰，对应改良后的热分解过程。

该研究首次系统阐释了CP处理对黏液-明胶复合气凝胶的多尺度调控机制：短时处理（3分钟）通过表面活化增加亲水性和比表面积，而长时处理（6分钟）诱导交联反应提升疏水性和热稳定性。这种"时间-性能"可调特性为开发环境响应型生物材料提供了新思路，尤其在需要兼顾药物负载（高比表面积）与防潮性能（高疏水性）的应用场景中具有突出价值。研究团队建议未来探索氩气等惰性气体等离子体的处理效果，并评估改性气凝胶在伤口敷料、油水分离等实际应用中的长期稳定性。