《Journal of Functional Biomaterials》：Sustainable Carboxymethyl Cellulose-Based Foams via Deep Eutectic Solvent Processing for pH-Responsive Drug Delivery
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羧甲基纤维素（CMC）基材料在功能材料和多孔平台应用中受到广泛研究，但其稳定性通常需要高能耗热固化或有毒化学交联剂，限制了工艺可持续性。在这项工作中，研究人员提出了一种更可持续的方法，利用低共熔溶剂（DES）作为多功能结构剂制备CMC基泡沫。CMC水凝胶在室温
羧甲基纤维素（CMC）基材料在功能材料和多孔平台应用中受到广泛研究，但其稳定性通常需要高能耗热固化或有毒化学交联剂，限制了工艺可持续性。在这项工作中，研究人员提出了一种更可持续的方法，利用低共熔溶剂（DES）作为多功能结构剂制备CMC基泡沫。CMC水凝胶在室温下用不同DES制备，随后冷冻干燥获得泡沫。在测试的DES中，氯化胆碱:草酸（1:1）结合甘油制备的泡沫表现出最有利的性能，包括高吸水率（1小时后288.24 ± 3.02%）和28天水稳定性。形态学分析揭示了均匀且互连的多孔网络（32.2 ± 13.3 μm），而压缩测试显示良好的机械恢复（10次循环后93.29 ± 3.12%）。傅里叶变换红外光谱表明CMC与DES之间存在相互作用，尤其是氢键。泡沫表现出pH依赖性行为，在酸性条件下白藜芦醇释放有限（24小时后22.2 ± 4.0%），在pH 7.4下显著释放（85.30 ± 5.75%），在pH 13.0下完全释放。药物释放动力学表明在酸性pH下为扩散控制机制，在较高pH值下转变为非正常传输机制。这项研究表明DES可用于制备CMC基泡沫，为多孔材料提供更可持续的途径。尽管需要生物学验证以确认治疗安全性，但该研究为将这些基质用作可调谐和刺激响应性多孔材料提供了初步的理化基础。
论文解读文章
**研究背景**
多糖衍生物如羧甲基纤维素（CMC）因其化学多功能性、可生物降解性和丰富性，在功能材料领域备受关注。CMC可通过形成水凝胶进而冷冻干燥获得泡沫材料，广泛应用于药物递送系统。然而，传统策略为稳定水凝胶网络通常依赖高能耗热固化或使用毒性化学交联剂（如戊二醛），违背绿色化学原则，限制了工艺可持续性。低共熔溶剂（DES）作为绿色介质，可通过氢键与聚合物链强相互作用，有望作为多功能结构剂替代传统交联方法。但现有DES改性多糖系统仍需额外交联剂或增强剂，尚未实现以DES为唯一结构剂在室温条件下制备结构稳定的多糖泡沫。因此，本研究旨在开发一种更可持续的方法，利用DES作为唯一结构剂在室温凝胶化生产CMC基泡沫，并探究其在pH响应型药物递送中的应用潜力。该论文发表于《Journal of Functional Biomaterials》。
**主要技术方法**
研究人员采用氯化胆碱（ChCl）和甜菜碱（BET）作为氢键受体，草酸（OA）、柠檬酸（CA）、甘油（GLY）和乙二醇（EG）作为氢键供体，按特定摩尔比加热制备六种DES。CMC水凝胶（9.0% w/w）在室温下与DES（9.0% w/w）或甘油（3.0% w/w）混合后直接冷冻干燥获得泡沫。关键表征方法包括：扫描电子显微镜（SEM）观察孔形态，傅里叶变换红外光谱（FTIR-ATR）分析分子相互作用，单轴压缩及循环压缩测试评估力学性能，吸水率和质量保留实验评价水稳定性，以及白藜芦醇（RSV）在不同pH（2.0、7.4、13.0）下的体外释放实验结合Korsmeyer-Peppas模型分析释放动力学。试剂均购自商业供应商（如Thermo Scientific、Sigma-Aldrich等）。
**研究结果**
**3.1 DES筛选**
通过六种DES的初步筛选，发现羧酸类DES（ChCl:CA和ChCl:OA）制备的泡沫水稳定性最佳，而多元醇类DES（ChCl:GLY和ChCl:EG）泡沫迅速溶解，甜菜碱类DES泡沫脆弱。添加甘油可进一步提高ChCl:OA泡沫的结构完整性并稳定超过28天。单独添加ChCl和OA组分（而非预成型DES）仅7天即完全溶解。因此，选择ChCl:OA（1:1）结合甘油作为最优配方进行后续研究。
**3.2 形态学分析**
SEM显示，预成型DES制备的泡沫具有高度多孔、均一且互连的网络，孔径32.2 ± 13.3 μm，计算孔隙率85.01%，密度0.2024 g cm
-3。而单独组分制备的泡沫形貌不规则、塌陷，孔壁厚且致密，表明预成型DES避免了相分离，促进了均匀多孔骨架的形成。
**3.3 吸水性能**
最优泡沫在1小时内快速吸水288.24 ± 3.02%，并在48和96小时保持稳定（约289-300%），表明网络强健。28天浸没后质量保留率为88.4 ± 1.8%，证实了长期水稳定性。
**3.4 力学行为**
单轴压缩显示，预成型DES泡沫在50%应变下峰值应力15.23 ± 0.55 kPa，压缩模量19.48 ± 2.01 kPa，显著高于单独组分泡沫（5.32 kPa和7.46 kPa）。10次循环压缩后，DES泡沫恢复率93.29 ± 3.12%，损耗系数仅3.35%，而单独组分恢复率降至56.92%，损耗系数26.99%。能量耗散分析表明DES泡沫以弹性储能为主，结构完整。
**3.5 FTIR-ATR分析**
FTIR谱图显示，DES泡沫中O-H伸缩振动峰从CMC的3335 cm
-1移至3398 cm
-1，且1600 cm
-1附近出现分裂（1612-1641 cm
-1），表明氢键增强及DES与CMC羧酸根之间的配位相互作用。单独组分泡沫则呈现尖锐单峰，保留更多自由基团，相互作用较弱。
**3.6 不同pH下的泡沫稳定性**
在pH 2.0下泡沫保持完整24小时，因羧基质子化减少静电排斥；在pH 13.0下迅速崩解并完全溶解，因羧酸根去质子化产生强静电排斥，网络解体。表明泡沫对pH敏感且在碱性环境中可通过结构破坏释放内容物。
**3.7 白藜芦醇体外释放行为**
RSV释放实验显示，pH 2.0下24小时累积释放仅22.18 ± 3.99%，pH 7.4下达85.30 ± 5.75%，pH 13.0下5小时即完全释放。Korsmeyer-Peppas模型拟合得pH 2.0时释放指数n=0.225（Fickian扩散），pH 7.4时n=0.597（非Fickian异常传输），pH 13.0时n=0.702（异常传输），表明高pH下释放机制由扩散控制转为结构崩解主导，与泡沫稳定性观察一致。
**讨论与结论总结**
研究证实DES可替代传统交联剂，在室温下实现CMC基泡沫的可持续制备。预成型DES通过氢键网络促进均匀孔隙和强机械性能，所得泡沫兼具高吸水率、水稳定性和pH响应性。RSV释放行为表明其在酸性胃环境中保护药物、在近中性肠道环境可控释放的潜力。讨论部分指出，当前工作聚焦于理化性能，未来需进行生物学验证（如细胞毒性、血液相容性）及工艺放大（如冷冻干燥批次一致性、灭菌影响）。结论部分翻译如下：本研究成功展示了一种简化方法，利用DES作为唯一多功能结构剂开发CMC基泡沫。通过在室温下形成水凝胶并避免使用外部化学交联剂，该方法有助于多糖基材料的更可持续加工。在所研究的体系中，ChCl:OA（1:1）与甘油的组合产生了结构完整性、水稳定性和力学性能最佳平衡的泡沫。此外，结果表明预成型DES的使用对定义最终材料性能至关重要。与使用单独DES组分制备的泡沫相比，DES基配方产生了更均匀、互连的多孔结构，进而转化为改善的抗压强度和93.29 ± 3.1%的高恢复率（10次压缩循环）。FTIR-ATR分析表明这些效应可能源于增强的分子间相互作用，尤其是CMC与DES之间的氢键，与初步光谱证据一致。所开发的CMC基泡沫表现出高吸水率（1小时288.24 ± 3.02%）和至少28天的水环境稳定性，以及明确的pH依赖性行为。白藜芦醇释放研究显示酸性条件下释放有限（24小时22.18 ± 3.99%），pH 7.4下释放较高（85.30 ± 5.75%），动力学分析表明从扩散控制向异常传输机制的转变。这些结果突出了以DES制备的CMC基泡沫作为可调谐、刺激响应性多孔基质的潜力，适用于pH依赖性递送平台。然而，由于本工作主要关注可持续加工和探索性理化表征，当前发现为基本工程原型。为成功将这些泡沫转化至真实生物医学语境，需进一步研究工艺放大障碍（如冷冻干燥批次一致性、终端灭菌影响和产品货架期）。此外，广泛的生物学验证（包括体外细胞相容性、血液相容性和含酶模拟生理体液中的长期降解动力学）仍是评估其治疗安全性和结构适用性的关键。本工作突出了DES调控CMC基泡沫结构与性能的能力，为传统化学交联策略提供了有前景的绿色替代方案。
