pH敏感型海藻酸钠/木炭缓释凝胶球的制备及性能

王维聪，张馨睿，滕敏，黄占华

(东北林业大学材料科学与工程学院，哈尔滨 150040)

近年来，随着农业的迅速发展，土壤退化问题已经成为世界性的急需解决的关键问题。施用土壤改良剂是改善土壤结构、调节土壤酸碱度和提高土壤肥力的有效办法。但传统改良剂存在效率低、难降解、损害环境及无法提供作物养分等问题。因此，实现高效、绿色及长期的养分供给已成为土壤改良剂现阶段面临的最大问题。随着缓释技术的不断发展和工艺成本的不断降低，一次性施用的缓释型土壤改良剂备受青睐。建立良好的缓释体系可以有效调控改良剂的释放速率，延长作用时间，提高改良剂的利用效率[1]。但其仍存在以下缺点：一是不能对外界环境如温度、pH及盐分含量等做出响应；二是制备过程复杂，制造成本高；三是降解难度大且会对土壤造成污染。因此，开发一种低成本、制备简单、对外界环境响应的土壤改良剂缓释体系尤为重要。

海藻酸钠(SA)作为一种常用的纳米控释材料，具有无毒、良好的生物相容性和稳定性等特点，被广泛应用于包埋和缓释领域[2]。Sathisaran等[3]利用壳聚糖/海藻酸钠和明胶/海藻酸钠包埋尿素制备土壤调理剂，其溶胀研究表明壳聚糖-海藻酸盐和明胶-海藻酸盐微球在酸性条件下具有较强的溶胀性。Xie等[4]利用淀粉/壳聚糖/海藻酸钙凝胶球控释螺虫霉素，螺虫霉素在1 h内呈现突释，释放率约为40%，并在15 h内趋于稳定。Zhang等[5]通过SA交联聚丙烯酰胺制备了互穿聚合物网络水凝胶缓释农药，水凝胶在54 h释放农药的量为34.4%。但单一的SA凝胶球存在机械强度低、遇水溶胀以及突释严重的现象，因此常采用物理化学方法进行改性。SA凝胶球中加入低成本的无机材料是克服其缺陷的有效途径[6]。生物质炭作为一种低成本的无机材料，具有疏松多孔、比表面积大和官能团丰富等特点，将其用于土壤改良体系中，可以起到改善土壤理化性质、调节土壤酸碱性、增加土壤微生物丰富度以及提高微量元素含量等作用[7]。生物质炭引入到SA水凝胶中不仅可以提高对改良剂的固载，减少突释，提高SA凝胶球的稳定性[8]，还可以充分发挥生物质炭的土壤改良作用，从而在实际应用中达到养分控释和改善土壤理化性质的双重作用。

以海藻酸钠(SA)和木炭(AC)为原料，采用一体化滴注法制备了SA/AC凝胶球。研究了SA/AC凝胶球的微观形貌，揭示了各组分间的相互作用，探究了AC在延长SA/AC凝胶球缓释性能方面的作用，揭示了SA/AC凝胶球在不同pH条件下的释放规律和缓释机理。为增强土壤改良剂的利用效率并延长其使用时间，提供了一种低成本、简便易行的制备方法，在实际应用中具有潜在的应用前景。

1 材料与方法

1.1 试验材料

腐殖酸(HA，纯度90%)，购自上海麦克林生化技术公司；木炭(AC，比表面积2 673.53 m2/g，平均孔径3.817 6 nm)，实验室自制；海藻酸钠(SA)，购自天津光复精细化工研究所；氢氧化钠、盐酸，购自天津市科密欧化学试剂有限公司；磷酸二氢钾、磷酸氢二钠、无水氯化钙，购自天津基准化学试剂有限公司。以上药品皆为分析纯，实验室用水均为去离子水。

1.2 试验仪器

QUANTA200型扫描电子显微镜(SEM，荷兰FEI)，IRPrestige-21型傅里叶红外变换红外光谱(FT-IR，日本岛津)，ASAP2020型比表面及孔径分析仪(美国Micromeritics)，FD-1A-50型冷冻干燥机(北京博医康实验仪器有限公司)，TU-1950型紫外可见分光光度计(北京普析仪器有限公司)，EL20型pH计(上海梅特勒-托利多仪器有限公司)，JY92-2D型超声波细胞粉碎机(宁波新芝生物科技股份有限公司)。

1.3 木炭的制备

将废弃木料粉碎，用去离子水反复洗涤并过滤去除杂质，在80 ℃下烘至质量恒定得到干燥的木粉。将木粉置于管式炉中，在N2气氛下升温至250 ℃并恒温2 h，升温速率为5 ℃/min。将预碳化后的粉末(C)与氢氧化钾按一定的质量比混合并置于烧杯中，分散均匀并在80 ℃烘干，将烘干后的样品放置于管式炉中，在N2气氛下升温至800 ℃，恒温2 h，升温速率5 ℃/min。取出炭化后的样品，用1 mol/L HCl和去离子水反复洗涤至中性，80 ℃得到活化后的木炭(命名为AC-X，其中X为木炭与NaOH的质量比，X=1，3或5)。

1.4 海藻酸钠/木炭凝胶球的制备

将0.5 g SA溶解于50 mL的HA溶液(1 mg/mL)中，600 r/min下搅拌30 min，得到均匀的悬浮液；用针径1.2 mm的注射泵滴入100 mL质量分数1% CaCl2溶液中；静置，用去离子水冲洗3～5次，冷冻干燥得到SA凝胶球。

将0.5 g AC粉末添加到上述HA溶液中超声20 min，分散均匀后在黑暗条件下搅拌24 h；向混合溶液中加入SA并搅拌30 min，形成均匀悬浮液；用1.2 mm管径的注射泵逐滴加入100 mL质量分数1% CaCl2溶液中，静置；用去离子水反复冲洗所得凝胶球，冷冻干燥得到SA/AC凝胶球。

1.5 凝胶球载药率、缓释性能及缓释动力学

制备过程中，凝胶球中加入的HA总质量为W总，制备得到的凝胶球经冷冻干燥后，将其置于50 mL pH为10.0的缓冲溶液中，通过细胞粉碎机破碎1 h，游离在溶液中的HA含量为WHA，并用下式计算凝胶球的载药率：

载药率=(WHA/W总)×100%

(1)

将50 mg的SA/AC凝胶球放入50 mL pH分别为4.0～10.0的缓冲溶液中。然后将系统稳定在室温下，定时抽取4 mL上清液，并将4 mL具有相同pH的缓冲溶液添加到相应的系统中。然后，将抽取的上清液离心，取离心后的溶液，用紫外分光光度计于271 nm处检测的HA浓度，并用下式计算HA的累积释放量：

(2)

式中：Ct为溶液在时间t的质量浓度，mg/mL；Vt为溶液在时间t的体积，mL；Vtotal是溶液的总体积，mL；m0是指SA/AC凝胶球中HA的总量，mg。

采用零级模型、一级模型、Higuchi模型和Ritger-Peppas模型分析HA在SA/AC凝胶球中的释放动力学[9]：

Mt/M∞=kt

(3)

ln (1-Mt/M∞)=-kt

(4)

Mt/M∞=kt1/2

(5)

Mt/M∞=ktn

(6)

式中：Mt/M∞是HA在时间t之前释放的分数；k是动力学常数；n是反映释放机制的指标(n<0.43，符合Fick扩散；0.430.85符合骨架溶解主导扩散)。

2 结果与讨论

2.1 SA/AC凝胶球的结构表征

SA/AC凝胶球在SEM下观察得到的样品形貌图见图1。图1a和b为SA/AC凝胶球的表面形貌图，其致密且粗糙的表面可在阻碍HA从凝胶球中释放的过程中起关键作用。此外，凝胶球表面不规则地分布着AC颗粒，其存在为分布于凝胶球表面的HA提供了良好的载体。在制备方面，相比于手动滴注法[10]，本研究利用的注射泵结合超声、搅拌系统，通过有效控制注射速度，可以避免拖尾现象，得到的凝胶球质地均匀，大小可控。图1a的插图为凝胶球的实物图照片，可以清晰地看出SA/AC为大小均匀、直径在1～2 mm的球体。图1c和d为凝胶球横截面的SEM图，其直径约为1.5 mm。凝胶球的横截面呈现出不均匀的三维网格结构，网格尺寸为10～500 μm。这种不均匀性可能是由于交联反应过程中水分的流失或AC嵌入凝胶球的三维骨架造成的[11]。从图1d中可以看出，被SA包覆的AC颗粒分散在凝胶球的三维孔隙和骨架中，使得AC吸附的HA分子能够更好地包覆在凝胶球内，延长其缓释时间。

a、b) 表面结构形貌图; c、d) 横切面结构形貌图。图1 SA/AC凝胶球表面及横切面结构形貌图Fig. 1 SEM images of the surface and cross-sections of SA/AC gel spheres

2.2 SA/AC凝胶球的结构分析

由于比表面积(BET)对于HA的负载具有很大影响，因此通过N2吸附-脱附等温线对样品进行了研究。如图2a可知，AC-1具有最佳的吸附和解吸能力，其等温线可归为IV型等温线，在中等压力下(P/P0=0.4～0.9)的迟滞线表明存在大量的介孔[12]。根据BET分析可知，C、AC-1、AC-3和AC-5的比表面积分别为916.33，2 673.53，1 991.46和3 040.82 m2/g。与AC-1相比，AC-5的比表面积更大，但AC-1的介孔更加丰富，集中在5～10 nm(图2b)，对大分子腐殖酸具有更好的吸附效果。这与HA的吸附实验结果一致(图2c)。故后续试验采用AC-1来制备缓释凝胶球。

a) N2吸脱附曲线图; b) 孔径分布图; c) HA吸附量图; d) 红外分析图。图2 SA/AC凝胶球的N2吸脱附曲线图、孔径分布图、HA吸附量图和红外分析图Fig. 2 N2 adsorption and desorption curves, pore size distribution, HA adsorption amount, and infrared analysis of SA/AC gel spheres

2.3 SA/AC凝胶球的缓释性能

SA/AC凝胶球的包覆率相比于SA凝胶球从54.89%提高到62.31%，这是由于AC为HA提供了丰富的吸附位点。但是AC也会对SA凝胶球的装载率起到负面作用，AC会造成SA凝胶球的氢键作用力下降[16]，使凝胶球产生缺陷，造成HA更容易从凝胶球中扩散。两种作用相互叠加，导致SA/AC凝胶球的装载率没有显著的提高。

SA/AC凝胶球在不同pH条件下的缓释性能如图3所示，与SA凝胶球相比，SA/AC凝胶球具有更优异的缓释效果。根据前人研究[11,17]，海藻酸钠基凝胶球的缓释时间大多在50～70 h，而本研究中SA/AC凝胶球在pH为4.0～10.0下达到缓释平衡的时间为110～200 h。由此可知，笔者制备的凝胶球具有良好的缓释性能。同时，当pH从4.0增加到10.0时，200 h内HA的累积释放率由(31.89±0.26)%增加到(92.19±0.34)%，说明SA/AC 凝胶球可以通过改变pH来控制HA的释放。从图3a可以看出，在不同pH条件下，HA从SA凝胶球中的释放趋势大致相同。在0～20 h内，SA凝胶球均出现明显的突释现象，在pH 10.0的条件下，HA在20 h的释放率高达(80.27±1.23)%。而SA/AC凝胶球在20 h时HA的释放率仅为(48.47±0.78)%。这可能是由于释放初期AC的加入延长了SA/AC凝胶球吸水溶胀时间，同时由于AC具有较大的比表面积和丰富的孔隙度，可以有效负载HA，使得游离在SA/AC凝胶球三维网络结构内部的HA含量下降，导致HA在凝胶球内外的浓度差降低，从而延长了释放时间。

图3 SA凝胶球和SA/AC凝胶球在不同pH下的缓释性能Fig. 3 Cumulative release of SA gel spheres and SA/AC gel spheres in different pH solutions

凝胶球在不同pH条件下的释放实物图见图4。在酸性条件下，SA/AC凝胶球没有明显的溶胀，200 h以内的存在状态较为稳定。在pH 7.0时，SA/AC凝胶球在20 h内膨胀破裂。当pH进一步增加到8.0时，SA/AC凝胶球仅在1 h内开始溶胀破裂，随后形成大量的小颗粒。结果表明，SA/AC凝胶球的稳定性随着pH的增加而降低。其原因在于SA与CaCl2交联生成的海藻酸钙凝胶球倾向于在碱性条件下溶胀并溶解在水中，海藻酸钙凝胶与Na+的离子交换作用导致Ca2+的释放量随pH的增加而增加。Ca2+的释放增强了凝胶球中—COO—基团间的静电斥力，从而提高了凝胶球的溶胀性能[18]。由此可见，较高的pH可提高海藻酸钙的溶解度，从而导致HA的释放。

HA的释放过程可分为2个阶段，第1阶段HA的释放主要是由于SA/AC凝胶球内外的HA产生浓度差，同时凝胶球溶胀破裂释放出游离在凝胶球内部的HA分子；第2阶段HA的释放主要发生在凝胶球破裂以后，其内部三维网格中被海藻酸钙包覆的AC被释放出来，AC表面的海藻酸钙发生溶解，HA由于扩散作用从AC中脱附，从而使HA从AC内部释放到溶液中。

图4 SA/AC凝胶球在不同pH下缓释的实物图Fig. 4 Digital photographs of SA/AC in phosphate buffer solutions of different pH values

2.4 不同pH条件下的缓释动力学模型拟合

将不同pH条件下的释放动力学曲线用零级、一级、Higuchi和Ritger-Peppas模型进行拟合，分析SA凝胶球和SA/AC凝胶球中HA的释放动力学(图5)。表1列出了4种数学模型的参数和回归系数R2。其中，SA凝胶球在4种模型中一级模型的R2最高，所以一级模型能更好地反应HA从SA凝胶球中的释放(图5b)。在释放初期的突释阶段，凝胶球内外的浓度差是影响HA释放的主因。当凝胶球溶解时，HA的释放主要是受控于基质溶蚀与扩散渗透机制。然而，AC的加入使释放机理发生了变化。对于SA/AC凝胶球，4种模型中Ritger-peppas模型的R2明显高于其他模型，说明其能更好地反应HA从SA/AC凝胶球中的释放。

图5 SA凝胶球和SA/AC凝胶球在不同pH下的动力学拟合曲线图模型Fig. 5 Kinetic fitting curves of SA gel spheres and SA/AC gel spheres at different pH values

表1 SA凝胶球和SA/AC凝胶球在不同pH下的动力学参数Table 1 The kinetic parameters of HA release of SA/HA gel spheres and SA/AC gel spheres at different pH values

如表1所示，HA的释放机制与Ritger-Peppas模型中的释放因子n有关，在pH 4.0～10.0的条件下，释放因子n均小于0.43，说明HA的释放遵循Fick扩散机制。其主要包括：凝胶球表面未被包埋的HA的释放扩散、镶嵌在凝胶球表面的AC吸附的HA的释放扩散和凝胶球内外HA的浓度差不同引起的以渗透压为驱动力的扩散[19]。此外，海藻酸钙易溶胀的特性导致水分渗透进入凝胶球内部时，其分子链的缠结程度逐渐降低，骨架逐渐松散，从而使凝胶球发生溶胀破裂；随着凝胶球的溶解，HA受到扩散及溶胀的作用从凝胶球内部向外转移。凝胶球溶解后，释放出海藻酸钙包裹的AC，随着海藻酸钙包裹层的溶解，被吸附在AC内部孔隙结构的HA逐渐被释放。上述5种释放机制共同作用于SA/AC凝胶球缓释过程的整个阶段，使得SA/AC凝胶球具有优异的缓释性能。

3 结 论

1)以海藻酸钠(SA)、腐殖酸(HA)为原料，采用一体化滴注法制备了SA凝胶球，在引入木炭(AC)之后，制备了SA/AC复合凝胶球，HA的负载量从54.89%增加到了62.31%，在pH 4.0～10.0的缓冲溶液中，20 h内HA的释放量有19.71%～40.95% 的下降，证明AC的加入可有效阻止SA/AC 凝胶球产生突释。同时，随着pH从4.0增加到10.0，HA在SA/AC凝胶球中的平衡释放量由31.89% 增加至92.19%，说明SA/AC凝胶球更倾向于碱性条件下释放。

2)由缓释动力学模型拟合结果可知，SA凝胶球的释放过程主要受制于扩散、溶蚀，渗透机制符合一级模型，而SA/AC凝胶球的释放过程为Fick扩散，符合Ritger-Peppas模型。所制得的SA/AC凝胶球成本低，方法简便，具有良好的缓释效果和明显的pH响应性，在实际应用中具有潜在价值和应用前景。

3)在今后的研究中，将针对不同类型土壤进行特定改良。通过对所制备的土壤改良剂进行功能优化，使其可以针对温度、光热、离子等作出响应，从而在特定条件下，发挥改良剂最大的效用。