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为探究低分子量物质在天然聚合物递送体系中的扩散机制，研究人员以京尼平交联明胶网络为模型，针对 NaCl、维生素 B?、葡萄糖、麦芽糖等不同分子量溶质开展扩散研究。结合 FTIR、WAXD 等技术，建立了基于溶质尺寸预测表观扩散系数的新模型，为可控释放体系设计提供理论支撑。
在生命科学与功能材料领域，如何精准调控生物活性物质在天然聚合物网络中的扩散行为，始终是制约可控递送体系发展的核心难题。从口服营养剂的缓释设计到药物载体的靶向释放，低分子量化合物（如维生素、电解质、小分子药物）在聚合物基质中的迁移效率，直接影响其生物利用度与功效发挥。然而，传统扩散理论难以全面描述聚合物网络结构（如交联密度、孔径分布）与溶质尺寸间的动态关联，尤其是天然高分子体系中复杂的物理化学相互作用，使得 “如何通过材料结构设计实现扩散动力学的精准预测” 成为亟待突破的科学瓶颈。
为攻克这一难题，研究人员以明胶 - 京尼平交联体系为研究对象，开展了溶质扩散行为的理论与实验研究。明胶作为胶原衍生的天然高分子，凭借其温敏溶胶 - 凝胶转变特性，在药物递送与食品功能材料领域应用广泛。但天然明胶网络的热可逆性限制了其结构稳定性，而京尼平作为天然交联剂，通过与明胶中胺基形成共价键，可构建不可逆的热固性凝胶，同时兼具低细胞毒性与抗氧化等生物活性，为可控递送体系提供了理想的材料平台。
研究聚焦于溶质尺寸对扩散行为的影响规律，选取 NaCl（分子量 58.44 g/mol）、维生素 B?（169.18 g/mol）、葡萄糖（180.156 g/mol）、麦芽糖（342.3 g/mol）四种分子量递增的亲水性溶质，系统探究其在不同交联密度明胶网络中的扩散动力学。该研究成果发表于《Food Hydrocolloids》，为天然高分子递送体系的结构优化与功能设计提供了关键理论依据。
关键技术方法
研究综合运用多维度表征技术：
- 化学交联效率评估：采用茚三酮（ninhydrin）比色法测定明胶中游离氨基含量，量化京尼平与明胶的交联程度，调控交联点间分子量（Mc）。
- 结构与相容性分析：通过傅里叶变换红外光谱（FTIR）和 X 射线广角衍射（WAXD）验证溶质与明胶基质的相容性及分子间相互作用。
- 凝胶力学性能表征：利用小形变动态剪切振荡实验，通过储能模量（G'）与损耗模量（G''）评估凝胶的粘弹性完整性。
- 微观形貌与溶胀行为：扫描电子显微镜（SEM）观察凝胶纳米多孔结构，结合 Flory-Rehner 理论与溶胀实验，计算网络孔径（ξ）与交联密度。
研究结果
1. 交联密度对凝胶结构的调控
通过改变京尼平浓度（0.1%-2.0% w/w），实现了凝胶孔径的精准调控：低交联密度（0.1%）时孔径约 6 nm，高交联密度（2.0%）时缩小至 4 nm。这一现象归因于京尼平与明胶链间共价键的增多，导致聚合物链段间距减小，网络结构更致密。
2. 溶质扩散动力学与尺寸依赖关系
实验表明，溶质表观扩散系数（Dapp）随分子量增大呈指数下降。例如，NaCl（小分子）在低交联凝胶中的 Dapp约为麦芽糖（大分子）的 3 倍。结合凝胶孔径与溶质尺寸的比值（ξ/r，r 为溶质 hydrodynamic radius），建立了经验模型：Dapp ∝ (ξ/r)-2，揭示了扩散速率与网络筛分效应的定量关联。
3. 溶质 - 基质相互作用的验证
FTIR 与 WAXD 结果显示，四种溶质均以物理分散形式均匀分布于明胶水化基质中，未形成新的化学键或晶体结构，表明扩散行为主要受物理筛分机制主导，而非化学相互作用。这为模型的简化提供了实验依据。
4. 凝胶粘弹性与扩散行为的关联
动态力学分析表明，交联密度增加导致 G' 与 G'' 同步升高，凝胶弹性增强。但扩散系数与储能模量呈负相关，暗示更刚性的网络结构对溶质迁移具有更强的阻碍作用，进一步印证了网络孔径作为关键结构参数的重要性。
结论与意义
本研究构建了首个基于溶质尺寸与凝胶网络结构的扩散预测模型，揭示了天然高分子体系中 “结构 - 尺寸 - 扩散” 的内在规律。通过化学交联调控明胶网络的孔径分布，结合溶质分子量设计，可精准调控其释放动力学，为功能性食品（如缓释营养剂）、医药载体（如口服药物微胶囊）的开发提供了通用理论框架。此外，研究中建立的多技术联用表征策略（FTIR/WAXD/SEM/ 动态力学分析），为复杂高分子体系的结构 - 功能解析提供了方法论参考。未来研究可进一步拓展至生物活性大分子（如肽类、蛋白质）的扩散行为，深化对天然聚合物递送体系的普适性认知。
