《International Journal of Biological Macromolecules》：Impact of oxidation method on the properties of carboxymethylcellulose hydrogels: Enzymatic versus chemical TEMPO/periodate systems
編輯推薦：
本研究通過TEMPO介導(dǎo)的氧化和NaIO?處理，對比了酶催化（Laccase/TEMPO/O?/NaIO?）與化學(xué)氧化（TEMPO/NaOCl/NaBr/NaIO?）兩種方法對羧甲基纖維素（CMC）功能化及水凝膠性能的影響，發(fā)現(xiàn)酶促氧化能生成高電荷、剪切稀化特性優(yōu)異的納米顆粒，而化學(xué)氧化產(chǎn)物結(jié)構(gòu)松散。氧化CMC水凝膠在體外展現(xiàn)出與布洛芬相當(dāng)?shù)目寡谆钚裕胰苎实陀?%，證實(shí)酶催化與化學(xué)氧化系統(tǒng)在開發(fā)生物相容性水凝膠中的差異化應(yīng)用潛力。
Bouhidel Zineb|Elkolli Meriem|Bouanane Zohra|Lisa Moni|Cavallo Dario|Pettineo Simone|Baouch Zakarya|Vicini Silvia|Castellano Maila
L.P.M.A.M.P.M，過程工程系，技術(shù)學(xué)院，F(xiàn)erhat Abbas-Sétif大學(xué)，塞蒂夫，19000，阿爾及利亞
摘要
本研究報(bào)道了一種環(huán)保的、一步法制備新型功能性羧甲基纖維素（CMC）水凝膠的策略，該方法結(jié)合了兩種廣泛使用的選擇性氧化方法：TEMPO介導(dǎo)的氧化和過碘酸鈉（NaIO?）處理。研究了兩種氧化途徑：(i) 化酶系統(tǒng)，包括TEMPO/O?/漆酶/NaIO?，生成氧化后的CMC，記為OCMCTLP；(ii) 化學(xué)系統(tǒng)，使用含氯氧化劑（TEMPO/NaOCl/NaBr/NaIO?），生成氧化后的CMC，記為OCMCTP1H NMR、TGA/TDA、XRD、DLS和Zeta電位分析進(jìn)行了表征。流變測量表明，聚合物濃度顯著影響粘度。原始CMC表現(xiàn)出明顯的剪切稀化行為（n ≈ 0.3–0.4）。酶促氧化主要產(chǎn)生對剪切極為敏感的OCMC溶液（n ≈ 0.0001），而化學(xué)氧化則導(dǎo)致中等流變性能。SEM-EDX和AFM的形態(tài)學(xué)研究表明，水凝膠具有纖維結(jié)構(gòu)且表面粗糙，這些特性因氧化途徑和NaIO?濃度而略有差異。熱重分析顯示，酶促氧化樣品的熱穩(wěn)定性降低。選定的OCMC水凝膠在體外表現(xiàn)出優(yōu)異的抗炎活性，與參考藥物雙氯芬酸相比，其溶血率低于5%。這些結(jié)果突顯了酶促和化學(xué)TEMPO/過碘酸鹽氧化系統(tǒng)在開發(fā)生物相容性和功能性CMC基水凝膠方面的潛力。
引言
工業(yè)發(fā)展給地球帶來了巨大代價(jià)，導(dǎo)致氣候變化、污染和資源損失。這種緊迫性促使研究轉(zhuǎn)向更環(huán)保的技術(shù)。生物催化是這一綠色轉(zhuǎn)型的核心，它利用酶或微生物作為溫和水相條件下的選擇性催化劑[1]。這種方法減少了有毒廢物，符合綠色化學(xué)的基本原則。同時(shí)，先進(jìn)的材料科學(xué)提供了多功能解決方案，例如高吸水性的三維聚合物網(wǎng)絡(luò)。這些材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，如傷口敷料、藥物輸送系統(tǒng)和組織工程支架[2]。將這兩個(gè)領(lǐng)域——綠色生物催化過程和功能性水凝膠設(shè)計(jì)相結(jié)合，為開發(fā)下一代可持續(xù)材料提供了有力策略[3]。
在開發(fā)創(chuàng)新和環(huán)保的生物材料方面，多糖的酶促氧化是一種有前景的方法，可用于其選擇性功能化。在研究的系統(tǒng)中，漆酶（一種多銅氧化酶）能在分子氧存在下催化酚類化合物的一電子氧化[4]。然而，由于多糖的較高氧化還原電位和空間位阻，它無法有效氧化初級(jí)羥基（C6-OH）。為了克服這一限制，使用了TEMPO等媒介物來傳遞氧化活性：媒介物首先被漆酶激活，然后擴(kuò)散到多糖鏈上并選擇性氧化C6基團(tuán)[5]。這種溫和且選擇性的酶促過程非常適合用于化學(xué)修飾多糖，以設(shè)計(jì)適用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的反應(yīng)性、多功能和生物相容性的生物材料[6]、[7]。
羧甲基纖維素（CMC）作為最早和最廣泛使用的纖維素衍生物，自20世紀(jì)以來一直是一種有價(jià)值的材料。其水溶性、無毒性和生物相容性以及可生物降解性使其適用于多種應(yīng)用，尤其是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[8]。CMC還具有形成薄膜、乳化、懸浮、保水及增稠等理想特性，適用于醫(yī)藥、食品、衛(wèi)生產(chǎn)品、電子和紡織行業(yè)[9]。由于含有大量羥基，CMC可以通過氧化引入羰基或羧基，從而增強(qiáng)其反應(yīng)性。與其他天然聚合物相比，CMC更容易加工，無需使用有毒溶劑[10]。
在氧化方法中，TEMPO介導(dǎo)的氧化和過碘酸鹽氧化反應(yīng)因其高區(qū)域選擇性和效率以及環(huán)保（“綠色”）條件而被廣泛認(rèn)為是最實(shí)用的方法。TEMPO介導(dǎo)的氧化技術(shù)使用催化水平的TEMPO，以NaClO和NaClO?為主要氧化劑，在中性至微酸性pH值的水溶液中，已成功從軟木纖維素、再生纖維素、curdlan和amyloextraction等多糖中生成高分子量羧基化合物[11]、[12]、[13]、[14]。這種氧化方法改善了材料性能，有助于開發(fā)堅(jiān)固的水凝膠和納米復(fù)合支架，這些支架結(jié)合了纖維素納米晶體、羧基化纖維素、羧甲基纖維素和海藻酸鈉-黃原膠混合物，由于它們的生物相容性和可定制性，在組織工程和醫(yī)療應(yīng)用中具有巨大潛力[15]、[16]。
漆酶-TEMPO系統(tǒng)能有效催化多種多糖的氧化和功能化，盡管實(shí)驗(yàn)變量對產(chǎn)物特性的影響尚未得到充分研究[17]、[18]、[19]。為了擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，采用了一種化酶策略，結(jié)合漆酶（一種銅基氧化還原酶）和TEMPO，在微酸性條件下從小麥阿拉伯木聚糖和魔芋葡甘露聚糖等多糖中生成交聯(lián)醛，根據(jù)反應(yīng)條件將初級(jí)醇轉(zhuǎn)化為醛或羧酸[20]。這種方法已成功從可溶性和不可溶性多糖（包括淀粉、菊粉和幾丁質(zhì)）中制備出尿苷酸衍生物，最新分析強(qiáng)調(diào)了其廣泛的適用性[12]。
在本研究中，我們使用兩種不同的催化系統(tǒng)對CMC進(jìn)行了氧化比較：化酶系統(tǒng)（TEMPO/漆酶/O?/NaIO?）和經(jīng)典化學(xué)系統(tǒng)（TEMPO/NaOCl/NaBr/NaIO?）。我們的目標(biāo)是評(píng)估它們引入羰基和羧基功能的效率，從而增強(qiáng)CMC的陰離子特性和反應(yīng)性。酶促系統(tǒng)專門設(shè)計(jì)用于在溫和、無氯條件下實(shí)現(xiàn)區(qū)域選擇性氧化，符合綠色化學(xué)的原則。對所得材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全面表征，并定量確定了它們的氧化程度，揭示了兩種途徑的結(jié)果和機(jī)制的根本差異。
這種方法使得兩種不同類型的氧化材料得以開發(fā)，這些材料在物理、形態(tài)、流變、熱和生物學(xué)特性上存在差異，將在本文后續(xù)部分詳細(xì)討論。
材料
羧甲基纖維素（CMC）（分子量約250 kDa，含水量8%，平均粘度400–800 cps）購自Sigma-Aldrich。漆酶（EC 1.10.3.2）來自Trametes versicolor，TEMPO（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基，≥98%）也購自Sigma-Aldrich。過碘酸鈉（NaIO?）、溴化鈉（NaBr）和次氯酸鈉（NaOCl，9% w/w）以及其他所有試劑和溶劑均為分析級(jí)，無需進(jìn)一步純化即可使用。
漆酶活性
漆酶活性
化酶和化學(xué)氧化系統(tǒng)的機(jī)理探討
化酶和化學(xué)氧化途徑的不同結(jié)果和效率可以通過對其pH依賴性機(jī)制的詳細(xì)分析來解釋，這些機(jī)制決定了關(guān)鍵氧化劑過碘酸鈉的形態(tài)和反應(yīng)性。
化酶系統(tǒng)（TEMPO/漆酶/O?/NaIO?）在微酸性至中性范圍內(nèi)（pH約4.5）運(yùn)行最佳。這種條件具有雙重作用：它使過碘酸鈉主要保持可溶性和中等反應(yīng)性
結(jié)論
本研究表明，氧化方法——酶促（TLP）與化學(xué)（TP）——從根本上決定了功能性CMC的性質(zhì)。光譜（FTIR、1H NMR）分析顯示，酶促處理選擇性地氧化C6位置，同時(shí)保持了主鏈的完整性，生成膠體穩(wěn)定的、高電荷的納米顆粒，具有可預(yù)測的剪切稀化行為。相比之下，化學(xué)氧化會(huì)降解聚合物，生成聚集的、電荷較低的碎片，結(jié)構(gòu)不規(guī)則
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
Bouhidel Zineb：撰寫——初稿撰寫、可視化、驗(yàn)證、方法學(xué)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)據(jù)分析、概念化。Elkolli Meriem：撰寫——審閱與編輯、項(xiàng)目監(jiān)督、方法學(xué)設(shè)計(jì)、資金獲取、概念化。Bouanane Zohra：驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)研究。Lisa Moni：驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)研究。Cavallo Dario：撰寫——審閱與編輯、初稿撰寫、項(xiàng)目監(jiān)督、資金獲取。Pettineo Simone：撰寫——審閱
寫作過程中使用生成式AI和AI輔助技術(shù)的聲明
在準(zhǔn)備本手稿時(shí)，作者使用了AI工具ChatGPT/GPT-4和Gemini來提高語言清晰度、輔助手稿結(jié)構(gòu)優(yōu)化和/或改進(jìn)技術(shù)表述。使用這些工具后，作者根據(jù)需要對內(nèi)容進(jìn)行了審閱和編輯，并對發(fā)表作品的內(nèi)容負(fù)全責(zé)。
利益沖突聲明
作者聲明沒有利益沖突。
