通过高压与超临界二氧化碳技术集成工艺制备的灭菌海藻酸盐-明胶气凝胶的保质期

《The Journal of Supercritical Fluids》：Shelf-life of sterilised alginate-gelatine aerogels developed through an integrated high-pressure and supercritical CO 2 process

研究考察了四种储存条件（C1-C4）对超临界CO2干燥制备的灭菌 alginate-gelatine 气凝胶结构和功能的影响。C1（25℃、60%湿度、避光）下气凝胶化学稳定性最佳，机械性能保持良好，伤口愈合能力维持3个月；而加速条件（C2-C4含高温、高湿或光照）导致显著降解，表现为网络破坏、热性能下降及生物活性受损。微生物检测显示储存未促进污染。结论强调温和储存的重要性及包装改进的必要性。

　　### 解读：生物聚合物气凝胶的储存条件对其性能的影响

本研究聚焦于一种新型生物聚合物气凝胶——藻酸盐-明胶气凝胶的储存性能，旨在评估其在不同环境条件下随时间推移的结构、功能及生物特性变化。这类气凝胶因其独特的物理和化学特性，如生物相容性、可降解性和可再生性，近年来在生物医学领域迅速发展，广泛应用于伤口敷料、组织工程和药物输送等场景。然而，尽管其应用前景广阔，但其长期储存稳定性仍然是一个尚未完全解决的关键问题。为此，研究者设计了一项实验，评估了四种不同的储存条件对气凝胶性能的影响，并通过综合分析，为未来的产品开发和包装设计提供了重要参考。

#### 1. 储存条件对气凝胶结构和功能的影响

研究中选择了四种储存条件，分别代表不同的环境应力因素：温度、湿度和光照。其中，C1和C3属于温和储存条件，而C2和C4则属于加速储存条件。温和储存条件（C1）设置为25℃、60%湿度且无光照，而加速储存条件（C2）则设定为40℃、75%湿度且无光照，C3则是在温和条件下加入光照，C4则是将所有因素（高温、高湿和光照）结合在一起。

研究发现，在温和储存条件下，气凝胶的结构和功能性能得到了良好保持。即使经过6个月的储存，其外观和颜色变化也较为轻微，且没有明显的体积收缩现象。这表明，在这些条件下，气凝胶的物理结构未受到显著影响，从而维持了其机械强度和热稳定性。相比之下，加速储存条件（C2和C4）导致了气凝胶的明显退化，出现了颜色变化和体积收缩，尤其是在C4条件下，这种退化更加严重，表明高温、高湿和光照的共同作用对气凝胶的化学结构和物理性能产生了强烈影响。

在储存过程中，气凝胶的体积变化也反映出其结构稳定性。例如，在C1和C3条件下，体积变化较小，而C2和C4条件下，体积减少更为显著。这些结果表明，温度和湿度是影响气凝胶结构稳定性的主要因素，而光照则在温和条件下仅造成轻微影响。此外，研究还指出，储存时间的增加可能加剧气凝胶的退化过程，尤其是当环境条件较为恶劣时，这种趋势更加明显。

#### 2. 化学稳定性与FTIR分析

为了进一步探究气凝胶的化学稳定性，研究团队采用了傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术。FTIR分析可以检测气凝胶中的化学键和官能团的变化，从而判断其是否发生降解。结果显示，在温和储存条件下（C1），气凝胶的化学结构保持稳定，其氢键和离子相互作用未受到明显破坏，表明其在常规环境下具有良好的稳定性。

然而，在加速储存条件下（C2和C4），FTIR谱图显示出明显的波峰变宽和位移，这表明气凝胶可能经历了水解和氧化反应。具体来说，C2条件下的气凝胶在高温和高湿环境下发生了显著的水解，导致链断裂和结构损伤，而C4条件下的气凝胶由于同时受到高温、高湿和光照的影响，其化学结构受到更为严重的破坏。这些变化与气凝胶的热稳定性、机械性能和功能活性密切相关，进一步证明了储存条件对气凝胶性能的直接影响。

#### 3. 热稳定性与DSC分析

差示扫描量热法（DSC）用于评估气凝胶的热稳定性。DSC分析结果显示，在温和储存条件下（C1），气凝胶的热事件保持稳定，其热稳定性未受到显著影响。然而，在加速储存条件下（C2和C4），气凝胶的热稳定性明显下降，表现为热峰温度的降低和热焓的减少，这可能与气凝胶内部的结构重组和水分吸收有关。

此外，C4条件下的气凝胶表现出最严重的热稳定性损失，这与FTIR分析结果相吻合。DSC数据还表明，储存时间越长，气凝胶的热稳定性越差，尤其是在高温和高湿环境下。这些结果为气凝胶的储存条件提供了重要依据，强调了选择合适包装材料的重要性，以减少环境因素对其性能的影响。

#### 4. 水吸收能力与膨胀特性

气凝胶的水吸收能力是其在生物医学应用中的关键特性之一。研究中发现，在温和储存条件下，气凝胶的膨胀能力随储存时间的增加而提升，表明其结构在温和环境下逐渐松弛，从而增强了对水分的吸收能力。然而，在加速储存条件下，这种趋势被削弱，甚至出现膨胀能力的下降，说明高温和高湿可能对气凝胶的结构造成破坏，影响其膨胀特性。

值得注意的是，C3条件下的气凝胶在温和储存条件下受到光照影响，但其膨胀能力并未显著变化，这表明光照在温和储存条件下对气凝胶的影响有限。然而，在C4条件下，光照与高温、高湿共同作用，导致膨胀能力显著降低，这可能与聚合物链的断裂和结构的不稳定性有关。这些发现对于气凝胶在实际应用中的性能评估具有重要意义，特别是在涉及长期储存和运输的场景中。

#### 5. 机械性能与压缩测试

为了评估气凝胶的机械性能，研究团队进行了压缩测试，以测量其断裂伸长率和杨氏模量。测试结果显示，在温和储存条件下（C1），气凝胶的机械性能保持良好，其断裂伸长率和杨氏模量均未发生显著变化。然而，在加速储存条件下（C2和C4），气凝胶的机械性能明显下降，表现为断裂伸长率的减少和杨氏模量的增加，这表明其结构变得更加坚硬和脆性。

这些变化可能与气凝胶内部的结构重组和水分吸收有关。高温和高湿条件可能加速了聚合物的降解，导致其机械性能下降。同时，光照虽然在温和条件下对机械性能影响较小，但在加速条件下却可能对气凝胶的结构稳定性产生负面影响。因此，选择合适的储存条件对于维持气凝胶的机械性能至关重要。

#### 6. 无菌性与微生物测试

在无菌性测试方面，研究团队通过微生物培养和计数，评估了气凝胶在不同储存条件下的无菌状态。结果显示，即使在储存6个月后，气凝胶仍然未表现出显著的微生物生长，这表明其通过超临界CO?灭菌技术能够有效保持无菌状态。然而，某些储存条件下（如C3和C4），在储存后期出现了微生物污染，这可能与包装材料的透气性和环境条件有关。

尽管如此，整体而言，气凝胶在储存过程中未表现出显著的微生物生长，说明其灭菌过程在一定程度上有效。这为气凝胶在生物医学领域的应用提供了保障，尤其是在需要长期储存的场景中。

#### 7. 细胞毒性与伤口愈合潜力

细胞毒性测试和伤口愈合实验是评估气凝胶生物相容性和生物功能的重要手段。研究结果显示，无论在何种储存条件下，气凝胶均未表现出细胞毒性，其对L929成纤维细胞的活性保持在较高水平。然而，伤口愈合潜力则因储存条件而异。在温和储存条件下（C1），气凝胶在3个月储存后仍能有效促进细胞迁移，表现出良好的伤口愈合能力。而在加速储存条件下（C2、C3和C4），其伤口愈合潜力显著下降，细胞迁移受到抑制，这可能与气凝胶的化学结构变化和机械性能下降有关。

这些结果表明，储存条件不仅影响气凝胶的物理和化学性能，还可能对其生物功能产生深远影响。因此，在设计气凝胶的储存方案时，必须综合考虑其结构、功能和生物相容性，以确保其在储存期间仍能保持良好的性能。

#### 8. 结论与建议

本研究揭示了储存条件对生物聚合物气凝胶性能的重要影响。温和储存条件（C1）能够有效维持气凝胶的结构、功能和生物特性，而加速储存条件（C2和C4）则可能导致其退化，影响其在生物医学领域的应用。此外，研究还指出，光照在温和储存条件下对气凝胶的影响较小，但在加速条件下可能加剧其退化过程。

为了进一步提升气凝胶的储存稳定性，研究建议采用更坚固的包装材料，如多层屏障薄膜，以提供更好的防护。同时，建议进行更长期的储存研究，以满足监管要求。未来的研究还应关注气凝胶的初始水分含量和化学稳定性，以进一步优化其性能。

综上所述，本研究为生物聚合物气凝胶的储存条件提供了重要的数据支持，强调了选择合适储存环境和包装材料的重要性。同时，也为气凝胶在生物医学领域的应用提供了理论依据和实践指导，有助于推动其在实际中的应用和发展。