甘草酸自组装纳米纤维的临界聚集浓度与凝胶化机制研究

为解决甘草酸(GA)自组装过程中临界浓度界定模糊和结构机制争议的问题，研究人员通过多技术联用系统研究了GA在水溶液中的自组装行为。研究精确测定了临界聚集浓度(CAC=0.22±0.04 mM)和临界凝胶浓度(CGC=2 mM)，提出了"尾对尾"二聚体新构型，揭示了由pH依赖性氢键和疏水作用驱动的各向异性生长机制。该成果为设计可调控生物基材料提供了理论基础，发表于《胶体与界面科学杂志》。

　　

在食品科学和药物递送领域，甘草酸(GA)这种从甘草根提取的天然皂苷分子正引发广泛关注。这种两亲性分子具有独特的pH响应特性，其三个羧酸基团(pK_a1=3.98，pK_a2=4.62，pK_a3=5.17)在不同pH条件下会呈现不同的电离状态，这使得GA的自组装行为远比传统表面活性剂复杂。尽管前人研究已观察到GA能形成纳米纤维和凝胶，但关于其自组装起始浓度、结构演变路径以及分子排列方式仍存在诸多争议——有的研究认为存在临界胶束浓度(CMC)，有的则主张是临界聚集浓度(CAC)触发了纤维生长。这些认知空白严重限制了GA在功能性超分子材料设计中的应用潜力。

为破解这一难题，来自巴西国家纳米技术实验室等机构的研究团队开展了一项系统性研究。他们创新性地采用多技术联用策略：通过悬滴张力法(PDT)和等温滴定量热法(ITC)精确测定CAC；借助动态光散射(DLS)和电导率测量验证聚集行为；利用小角中子散射(SANS)和冷冻透射电镜(cryo-TEM)表征纳米纤维形貌；结合旋转流变学确定凝胶化临界点；最后通过小角X射线散射(SAXS)研究热可逆转变。这些实验数据共同揭示了GA自组装的全景图，相关成果发表在《胶体与界面科学杂志》上。

临界聚集浓度(CAC)的测定
研究团队通过四种独立方法测得GA在水中的CAC为0.22±0.04 mM。PDT显示界面张力在0.16 mM出现拐点，ITC在纯水中检测到0.26 mM的吸热峰，DLS和电导率分别在0.24 mM和0.23 mM观察到信号突变。特别值得注意的是，pH4缓冲条件下CAC降至0.05 mM，而pH7时即使在高离子强度下也无法形成聚集体，证明单/双去质子化形式对自组装至关重要。

临界凝胶浓度(CGC)的确定
当GA浓度超过2 mM时，旋转流变仪检测到显著粘度上升，SANS出现结构因子贡献峰，cryo-TEM显示纳米纤维网络网格尺寸缩小至约50 nm。这些现象共同确认了CGC的存在，此时纳米纤维通过缠结形成三维粘弹性网络。与Denk等人报道的6 mM凝胶化浓度差异源于样品制备方法——本研究采用80℃加热预处理促使纤维更快生长。

热可逆性结构转变
SAXS温度实验揭示了有趣的热响应行为：25℃时纳米纤维产生0.027?^-1相关峰(对应23 nm间距)，80℃时转变为0.065?^-1峰(9.6 nm间距)，表明纤维解离为球状聚集体。微差示扫描量热法显示60℃存在明显吸热峰，对应这种形态转变。冷却后纤维能完全恢复原有尺寸，仅长程取向性有所损失。

纳米纤维结构模型革新
研究团队整合所有结构数据，提出了突破性的"尾对尾"二聚体构型：两个GA分子通过苷元尾部疏水作用结合，糖醛酸头部向外延伸。这种二聚体通过头-头氢键堆叠形成螺旋纳米纤维，中子与X射线散射对比差异揭示其具有核壳结构——SANS测得的3.6 nm直径反映疏水核心，SAXS的4.2 nm直径则包含亲水壳层。每15个二聚体(厚度0.61 nm)以24°旋转形成9 nm螺距的螺旋结构，完美解释了前人AFM观察到的周期性特征。

这项研究从根本上改变了人们对GA自组装的理解。首先，它明确了这不是经典的胶束化过程，而是由pH调控的动力学各向异性生长——低于pK_a3时，苷元质子化触发"尾对尾"二聚，进而通过氢键导向的一维生长形成纳米纤维。其次，研究建立的CAC-CGC框架为材料性能调控提供了精确的浓度窗口，比如2-6 mM可制备可注射凝胶，而0.2-2 mM适合纤维分散体系。最后，核壳纤维结构模型解决了长期存在的尺寸争议，为后续功能化设计（如药物装载在疏水核心）奠定了结构基础。这些发现不仅推动了对皂苷类分子自组装的理论认知，更为开发新型生物可降解材料开辟了道路。