凝胶分子大小积分的原理

近年来，凝胶材料因其灵活可调的力学特性和丰富的功能，受到了各领域研究者的极大关注。然而，凝胶材料往往因溶剂的迁移而具有较低的稳定性，容易溶胀或干燥变形，已经成为制约凝胶材料深入应用的瓶颈难题。尽管已经开发了多种策略来提高凝胶的稳定性，然而，从热力学角度来看，如果凝胶中溶剂的含量偏离了聚合物的平衡溶胀状态，溶剂将不可避免的发生迁移。因此，若要准确控制凝胶中的溶剂含量，保持高稳定性，需要有效抑制溶剂迁移的动力学过程。基于“分子阻塞”超分子机制的有机凝胶构建思路。（论文课题组供图）机械互锁作用通过分子结构中的几何关系将不同的分子连接起来，这使得非共价连接的分子，能够保持稳定的聚集状态。西安交通大学化学学院“智能高分子”团队吴宥伸副教授和张彦峰教授，从机械互锁超分子原理中汲取灵感，提出了“分子阻塞”超分子机制，利用溶剂分子与交联网状结构之间的尺寸差异带来的阻滞，有效抑制溶剂在凝胶内的迁移。通过设计和合成分子尺寸超过1.4 nm的液态支链柠檬酸酯(branched citrate ester, BCE)，并将这种大体积分子作为溶剂与交联聚脲原位聚合，制备获得系列新型“分子阻塞”凝胶。“分子阻塞”凝胶具有与普通聚合物或弹性体相媲美的卓越稳定性，可储存10个月而无任何形貌或力学性能改变，并能耐受高温烘烤，保持质量和性能的稳定。特别是“分子阻塞”凝胶的杨氏模量能够在1.3 GPa至30 kPa的大范围内连续调控，变化幅度达到创纪录的43000倍，有效覆盖了现有交联树脂、塑料、弹性体和凝胶的范围。同时，“分子阻塞”效应作为一种非共价耗散机制，赋予了凝胶材料独特的粘弹性力学特性，使其具有高阻尼，达到和超过了商业化的聚氨酯和聚脲材料。上述研究成果，近期发表于《先进材料》，西安交通大学化学学院为第一单位，西安交通大学生命学院为合作单位。论文第一作者为化学学院吴宥伸副教授，论文通讯作者为化学学院副院长张彦峰教授。这一研究受到了国家自然科学基金和西安交通大学分析测试中心的支持。

北京德泉兴业商贸有限公司作为Cytiva 思拓凡品牌的代理商将继续秉承公司及品牌理念，以客户为中心，为您提供优质的实验室解决方案。凝胶过滤层析 (GF)，也称为尺寸排阻层析 (SEC)，基本原理是根据样品分子大小和形状进行分离的一种常用的纯化方法，属于非吸附性层析。图1: Cytiva全新一代Increase系列分子筛预装柱，专门为小规格制备纯化及分析而设计根据应用目的的不同，凝胶过滤层析主要可以分为以下三种方法：1分析型凝胶过滤层析：对于分辨率有很高的要求，上样体积一般在柱体积的0.3% - 0.5%；使用柱子的高度一般为30cm。而在快速纯度检测和筛选的实验中，常用的是15cm柱高的柱子，可以在提供足够分辨率的前提下，缩短运行时间，节省样品和缓冲液。2制备级凝胶过滤层析：对于分辨率有较高的要求，上样体积一般在柱体积的0.5% - 4%。同时，运行时流速较低，使用的柱子高度也比较高 (一般≥ 60cm)。经过纯化后的样品将被直接置换到合适的缓冲液条件中，用于后续的实验或储存。3脱盐与缓冲液置换：与上述精细分离不同，脱盐或缓冲液置换属于组分分离，即，将大分子样品与小分子或离子进行分离的过程，因此对于分辨率的要求相对不高。上样体积可达柱体积的30%。SephadexSephadex填料是早期发现的一种填料，按照交联度的不同，用Sephadex G加数字来区别，数字越小交联度越大，形成的孔径越小，对应的分离范围越小。Sephadex G系列填料目前一般主要用于脱盐与缓冲液置换，且有多种分离范围、颗粒大小可以选择。粗颗粒 (Coarse)流速较快，细颗粒 (Fine)流速较慢，分辨率较高。图2.不同上样量对于脱盐实验结果的影响SepharoseSepharose填料是高流速大分子分离。作为琼脂糖基质的填料，具有非特异性吸附低、回收率高等特点，分离范围宽阔，从10kD – 2×104kD，适合分子量大小差异大而对分辨率要求不高的样本。Sepharose和2,3二溴丙醇反应而成的Sepharose CL系列填料，增强了Sepharose的物理和化学稳定性。特别适合含有机溶剂的分离，能承受较强的在位清洗，并可以高温消毒，同时在流速方面也比传统的Sepharose填料有了明显的提升。Sepharose Fast Flow填料为粒径90μm的高度交联的琼脂糖填料，大大加强了机械性能，流速特快，适合工业规模生产。该填料经去电荷处理，非特异性吸附特低，回收率也得到了了提高。极高的化学稳定性，可用多种促溶剂、有机溶剂工作及1-2M NaOH进行在位清洗。SephacrylSephacryl填料是葡聚糖与N,N-亚甲基二乙酰胺交联而成的一种新型葡聚糖填料。目前Cytiva提供5种不同分离范围的Sephacryl填料：Sephacryl S-100 HR、Sephacryl S-200 HR、Sephacryl S-300 HR、Sephacryl S-400 HR、Sephacryl S-500 HR，选择性广阔。排阻极限甚至可以达到108，不仅可以用于分离一般的蛋白，也可以用于分离蛋白多糖、质粒、甚至较大的病毒颗粒。同时经济型HiPrep 16/60、26/60 Sephacryl S-100，200，300，400，500HR预装柱提高了分辨率和重复性，具有较好的分离特性。SuperoseSuperose填料是分离范围广的填料，同时宽广的分离范围配合高分辨率，能一次性分离生物分子大小差异大的混合物。刚性相比传统填料有了极大的提升，在高粘性液体如8M尿素下也能保持流速，适合糖类、核酸、病毒，特别是包涵体蛋白在促溶剂中的纯化。Superose填料的颗粒细小，大小分布集中，允许高流速纯化，所以适合中、高压层析系统使用。图3.用于精细分离的凝胶过滤层析产品的分离范围SuperdexIncrease平台系列预装柱：进一步缩小了填料粒径，提高了填料的耐压性能，提升了分辨率的同时有效缩短了分离纯化所需的时间。

化妆品，如护发素，必须符合许多的要求，来切合客户的需求。稳定性，香味和外观，奶油状的质地和改变头发表面亲水性的能力都是一些最重要的要求。在适当的处理条件下，少量的长链醇和阳离子表面活性剂可以形成膨胀的双分子层，从而锁住大量的水。这些凝胶网络主要由多层囊泡（MLVs）组成，囊泡壁是由六边形填充的酒精和表面活性剂分子组成的脂质双分子层。这种多层囊泡凝胶网络使得护发素呈现奶油质地。 尽管冷却速度在长链醇和表面活性剂凝胶的生成中一直是一个重要的因素，但造成这些差异的物理化学原因仍然难以捉摸。鲸蜡硬脂醇和氯化十六烷基三甲基氯化铵（CTAC）是构成许多药品和化妆品配方的基础。在一项研究中，来自意大利巴里大学化学系的研究人员与欧莱雅和瑞典隆德大学合作，阐明了冷却过程和凝胶流变特性之间的联系。利用多种技术方法，他们发现使用不同的冷却速率会生成具有不同重复距离的多层囊泡。不同工艺形成的凝胶具有明显不同的弹性模量和粘性模量。 在加热至85℃的条件下，制备了含有5%的鲸蜡硬脂醇和6%的CTAC的凝胶样品。样品在冰水中淬火，或在空气中冷却到室温。淬火凝胶的弹性（G’）和粘性（G’’）模量是空气中的冷却凝胶的4倍，因此影响了凝胶的涂抹性能和手感。两种样品的小角X射线散射（SAXS）结果证实了多层囊泡的存在。Kratky图分析显示，两种样品的层间长周期存在差异，淬火样品为31.4 nm，空气冷却样品为28.5 nm。通过对比Lβ相的理论值，发现淬火样品完全由膨胀的Lβ相组成，而空气冷却样品则是由Lβ相为主的多相凝胶网络组成。利用脂质双分子层形状因子，对散射密度进行拟合，得出两种样品相似的双分子层厚度为3.8 nm (δ)。结合两种样品的双层膜厚度和平均长周期，可以计算出淬火样品中鲸蜡硬脂醇和CTAC的体积分数为0.83，空气冷却样品为0.77。也就是说，在空气冷却的样品中，较大体积分数的鲸蜡硬脂醇和表面活性剂形成的脂质双分子层没有合并到囊泡中。这对平均弯曲刚度有影响，淬火样品的弯曲刚度更大。 综上所述，本研究表明，尽管快速冷却和缓慢冷却都能导致多层囊泡的形成，但囊泡中所含物质的数量不同，层间的膨胀程度也不同。这些差异导致了不同的弯曲刚度和不同的流变性能。了解这些参数有助于制备具有所需厚度、丰富质感和涂抹性能的复杂药物和化妆品配方。