基于二氧化硅和菊粉的复合系统设计，研究其在极性和非极性物质存在下吸附层的形态与结构

《Journal of Molecular Liquids》：Design of composite systems based on silica and inulin, study of their morphology and structure of the adsorption layer in the presence of polar and non-polar substances

本研究探索了预生物菊粉与不同亲疏性纳米硅（A-300、AM-1）形成的复合系统，通过氮吸附、电子显微镜、低温氢核磁共振和热重分析，揭示了复合体系中纳米级吸附水簇的强氢键网络及表面-水相互作用特性，证实疏水硅的加入可增强界面作用，且制备的凝胶在剪切应力下呈现显著的流变相变行为。

　　在当前的研究中，科学家们探讨了以天然预生物菊粉为基础，结合不同性质的二氧化硅（如亲水性A-300和疏水性AM-1）构建复合体系的可能性。这项研究不仅关注了复合体系的物理化学特性，还深入分析了其在生物应用中的潜在价值。研究团队通过一系列先进的物理化学手段，包括氮气吸附等温线、电子显微镜、低温氢核磁共振（¹H NMR）以及热重分析（TGA）等方法，对复合体系的结构、水分吸附行为以及热稳定性进行了全面评估。这些分析方法能够提供关于材料微观结构、表面特性以及与水分子相互作用的详细信息，从而揭示复合体系在不同条件下的行为特性。

菊粉作为一种天然来源的可溶性多糖，因其在调节肠道微生物群方面的作用而备受关注。它能够选择性地促进某些有益菌群（如双歧杆菌）的生长，这使其成为一种重要的益生元。在消化过程中，菊粉能够维持和刺激正常肠道微生物的生长，从而有助于降低结肠癌的风险，并减少肠道慢性炎症的发生。此外，菊粉在预防糖尿病、提升免疫力以及在农业中作为动物饲料添加剂等方面也展现出广泛的应用前景。这些特性使得菊粉在医药、食品和农业等多个领域具有重要的研究价值和应用潜力。

研究团队发现，当菊粉与亲水性或亲水-疏水混合的二氧化硅结合时，复合体系在机械处理过程中仍能保持较高的比表面积。这一特性对于复合体系的性能至关重要，因为比表面积直接影响材料的吸附能力、反应活性以及在生物体内的分布效率。同时，研究还指出，聚合物分子在矿物颗粒表面均匀分布，这种均匀分布有助于提高菊粉在肠道中的释放效率，从而增强其作为益生元的功能。这一现象可能与二氧化硅表面的物理化学特性以及菊粉分子的结构有关，进一步揭示了复合体系设计中的关键因素。

在吸附水的结构方面，研究发现无论是原始材料还是复合体系，吸附水都以纳米尺度或亚纳米尺度的簇状结构存在。这些水簇是由高度结合的水分子构成的，它们不仅能够维持材料的稳定性，还能影响其在生物环境中的行为。研究还指出，弱极性有机介质对水分子具有一定的紊乱（chaotropic）效应，这可能与水分子在不同环境下的排列方式和相互作用有关。然而，随着温度的降低，吸附水分子的有序性会增加，这表明温度在调控水簇结构方面具有重要作用。值得注意的是，某些复合体系中存在固定的温度区间，在这些区间内，材料表面的特性会对吸附水产生一定的凝聚（cosmotropic）效应，从而影响其行为和功能。

当疏水性二氧化硅（AM-1）被加入到A-300/菊粉复合体系中时，复合体系的表面-水相互作用显著增强。这种增强的相互作用可能源于疏水性二氧化硅表面的特殊化学性质，使其能够更有效地结合水分子，形成更稳定的水簇结构。此外，研究还发现，界面能的大小与水簇的半径之间存在一定的相关性，即水簇的半径越小，界面能越高。这一发现对于理解复合体系在生物环境中的行为具有重要意义，因为水簇的尺寸直接影响其在肠道中的释放速度和生物利用度。

为了进一步验证这些发现，研究团队制备了基于A-300/菊粉复合体系的凝胶，并通过实验观察其在剪切应力作用下的流变行为。结果表明，该凝胶在剪切应力增加时，会发生从假塑性（pseudoplastic）状态向膨胀性（dilatant）状态的急剧转变。这种转变可能与水簇的结构变化以及菊粉分子在凝胶网络中的排列方式有关。假塑性状态通常指材料在受到剪切应力时表现出粘度降低的特性，而膨胀性状态则相反，表现为粘度随剪切应力的增加而升高。这种流变行为的变化可能对复合体系在肠道中的释放和吸收过程产生重要影响，因此在药物设计和食品添加剂开发中具有潜在的应用价值。

研究还指出，由于纳米结构矿物基质（如气相二氧化硅）的存在，水分子可以在其表面形成不同组成的水簇。这些水簇的形成不仅受到材料表面性质的影响，还与环境条件（如温度、湿度）密切相关。在某些情况下，水簇可能表现出与普通水不同的物理化学特性，例如氢键网络的破坏或对极性物质的溶解能力降低。这些特性可能对复合体系在生物体内的行为产生深远影响，特别是在药物释放和生物利用度方面。

此外，研究团队提到，之前已有相关工作探讨了二氧化硅与植物、真菌以及琥珀酸等有机物质的复合体系，这些研究的结果为当前的工作提供了理论支持和实验基础。通过这些研究，可以观察到有机物质在二氧化硅表面的固定方式，以及它们与水分子之间的相互作用。这些相互作用不仅影响材料的物理化学性质，还可能对材料的生物活性产生重要影响。因此，研究团队认为，理解水簇在复合体系中的形成机制和行为特性，对于优化材料的性能具有重要意义。

值得注意的是，虽然本研究主要集中在物理化学特性上，但其对生物应用的潜在影响同样值得关注。例如，通过调控水簇的结构和尺寸，可以影响菊粉分子在肠道中的释放速度，从而提高其作为益生元的活性。此外，水簇的特性可能还影响材料在体内的稳定性，使其能够在特定的生理条件下保持其功能。因此，研究团队认为，进一步探索水簇在复合体系中的行为，不仅有助于理解材料的物理化学性质，还可能为生物医学研究提供新的思路和方法。

综上所述，这项研究通过系统地分析菊粉与不同性质二氧化硅复合体系的物理化学特性，揭示了其在生物应用中的潜在价值。研究不仅关注了复合体系的结构和表面特性，还探讨了水分子在其中的行为及其对材料性能的影响。这些发现为未来的材料设计和生物医学应用提供了重要的理论依据和实验数据。同时，研究团队也指出，虽然本研究主要基于物理化学方法，但其结果可以为后续的生物医学研究奠定基础，特别是在药物释放、生物利用度以及肠道微生物调节等方面。通过进一步的研究，可以更深入地理解这些复合体系在实际应用中的表现，并探索其在更广泛领域的应用潜力。