海藻酸钠-钙离子交联水凝胶该如何制备- 大数跨境

瓴就医疗

2025-11-26

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“很多人在制作海藻酸钙水凝胶时，常被一个问题困扰——钙离子与海藻酸钠的交联反应太快！刚混合溶液就迅速结块，要么内部交联不均、强度差，要么根本无法按照需求成型，最终影响使用效果。今天就来拆解核心技巧，教大家通过选择合适钙源、调控反应环境等方法，精准控制交联速率，轻松做出均匀可控的海藻酸钙水凝胶！”

海藻酸钠（Sodium Alginate, Alg）是从天然褐藻中提取出的一种天然阴离子多糖。海藻酸钠在人体内性质稳定，类似于人体细胞外基质，具有较好的生物相容性，可降解为无毒且不参与机体代谢的多糖，在药物载体、骨组织修复以及受损组织的止血等生物医学领域都有大量的研究和应用。此外，海藻酸钠水凝胶还能够吸附并去除土壤中的重金属离子，在环境保护方面也展现了应用潜力。

海藻酸钠的分子结构

海藻酸钠为直链型（14）键合的β-D-甘露糖醛酸（M）和α-L-古洛糖醛酸（G）的无规嵌段共聚物，如图1所示。其中，G、M含量和排序分布取决于来源植物的产地、季节等因素。

图1 海藻酸钠结构式

G、M单元的比例和组成决定了海藻酸钠的物理化学性质。G单体的糖环相对于M单体的更加紧凑，具备更大的几何刚性，其羧基上的Na+在水溶液中可以与钙、铜、锌等二价金属阳离子（镁除外）及铁、铬等三价金属阳离子发生离子交换，使多个G单元与多价金属阳离子相互交联组成“蛋盒”模型（如图2所示），从而在温和的条件下迅速形成凝胶。相比之下，M单元的结构更加灵活，侧链的空间位阻较小，能够轻松弯曲或旋转，因而具有较高的柔性。然而，M单元的羧基（-COO⁻）位于分子骨架的特定位置，空间位阻较大，无法像G单元那样自由暴露；此外，M单元的电子密度较低，导致其与金属离子的亲和力较弱，不容易发生交联。因此，在海藻酸钠凝胶中，G单元主要参与凝胶的形成，提供刚度，而M单元则增强了凝胶的柔韧性。高G型（G含量高于70%）海藻酸钠形成的凝胶具有较高的刚性，但更脆；而低G型形成的凝胶则较软，但弹性更好。

图2 海藻酸-蛋盒模型

海藻酸钠与Ca²⁺形成的海藻酸钙网络凝胶结构在酸性环境中交联更紧密，药物主要通过扩散作用释放出来，速度缓慢；在碱性环境中，Ca²⁺与海藻酸交联解离，释药速度加快，因此可实现酸性药物的缓释。

海藻酸钙水凝胶的制备

利用海藻酸钠与不同的钙源进行结合，能够制备不同形态的水凝胶，如微球，微囊，可注射水凝胶以及3D打印等，且形成的水凝胶不仅外观上存在差异，性能也各有不同。

CaCl₂是最常见的离子交联剂，但是氯化钙易溶于水，在接触海藻酸钠溶液的时候立即游离出大量的钙离子，迅速形成水凝胶微囊结构包裹海藻酸钠溶液，此方法被称之为外部凝胶法。氯化钙常被用于制备海藻酸钠微珠，微球（包括壳核结构），微囊等。主要操作方法是将海藻酸钠溶液与氯化钙溶液直接接触，可以利用微流控、双相乳液等方法。用于制备块状凝胶时，可以将氯化钙固体直接混匀在海藻酸钠溶液中，但是由于Ca²⁺接触到的海藻酸钠溶液马上形成了凝胶，阻隔了后续凝胶反应的发生，导致海藻酸钠转化率呈梯度变化，凝胶往往会交联不均匀，形成的凝胶强度较差。

为了控制氯化钙和海藻酸钠溶液的反应速度，可以添加钙离子螯合剂。钙离子螯合剂可以将水中的Ca2 +螯合住，使其不能与海藻酸钠结合，通过与海藻酸钠争夺Ca²⁺的方式来控制凝胶形成的速率。这种方法的缺点是要引入螯合剂，并且造成了Ca²⁺的浪费，使添加剂的用量增大，效率降低。另外，可以使用含磷的缓冲液代替纯水介质。这是由于在与钙离子反应过程中，含磷缓冲液中的磷酸基团可以与海藻酸盐的羧酸基团发生竞争，从而减缓凝胶速率。

此外，还有一些不易溶于水的钙源，如CaCO₃、CaSO₄、羟基磷灰石等。这些钙源需要与葡萄糖酸内酯（GDL）联合使用，将钙源和GDL分散在海藻酸钠溶液中，钙源能够在葡萄糖酸内酯（GDL）的作用下缓慢释放出钙离子，从而与海藻酸钠结合形成均匀的水凝胶，这种方法也成被称为内部凝胶法。通过调整海藻酸钠浓度、钙离子与海藻酸钠羧基的摩尔比以及葡萄糖酸内酯与钙离子的摩尔比，可以获得不同力学强度、成胶速度的海藻酸钙凝胶。

CaCO₃能够与GDL 水解得到的氢离子反应，游离出钙离子。但是同时，氢离子也会与碳酸根结合，分解成水和二氧化碳，因此用这种方法制备的海藻酸钙水凝胶中可见许多的小孔。

CaSO₄微溶于水，在接触海藻酸钠溶液时，有少量的钙离子与海藻酸钠溶液迅速形成白色的絮状沉淀，而其余部分由 GDL 水解形成酸性环境而分解，缓慢形成透明水凝胶。因此用这种方法制得的水凝胶中会有一点白色浑浊物。值得注意的是，利用硫酸钙制备的海藻酸钙水凝胶具备超声响应性，并被用于输送不同的药物。

羟基磷灰石也是在葡萄糖酸内酯（GDL）的作用下缓慢释放出钙离子，从而与海藻酸钠结合形成均匀的水凝胶。但是与CaCO₃相比，利用羟基磷灰石形成凝胶的速度相对缓慢。