海藻酸钠，英文名Sodium alginate，简写为ALG、SA或AGS，，是一种从马尾藻或褐藻（如海带、巨藻等）中提取的天然高分子多糖化合物，它的结构由β-D-甘露糖醛酸（M）和α-L-古洛糖醛酸（G）通过1,4-糖苷键连接而成的线性共聚物，不同来源的海藻酸钠中M/G比例不同。海藻酸钠具有可生物降解性、生物相容性和对身体安全性，为组织提供强度和柔韧性，并且由于其具有胶凝、粘性和稳定特性以及保水能力而可在工业上使用，如今被广泛应用于化学、生物、医药、食品等领域。
理化性质
海藻酸钠是一种无支链的线型嵌段共聚物（图2），其分子式为[C6H7O6Na]n，分子量范围通常为32,000–400,000 g/mol。该聚合物以β-D-甘露糖醛酸（M单体）和α-L-古洛糖醛酸（G单体）为基本结构单元，通过1,4-糖苷键连接，并按MM、GG或MG三种模式序列排列。其G/M比例及序列分布受原料藻类的产地、采收季节等条件影响。
图2. 海藻酸钠的化学结构式
海藻酸钠的物理化学性质主要由其G/M单元比例及结构特征决定。在分子构型层面，G单体具有更紧凑的糖环结构和更高的几何刚性，其羧基上的Na⁺可与多价金属阳离子（如Ca²⁺、Ba²⁺等）发生特异性配位。这种作用通过多个G单元与金属离子的协同配位形成经典"蛋盒"结构（图3），构成金属离子交联的海藻酸钠水凝胶。
相较之下，M单元则呈现更柔顺的分子构象，其较低的侧链位阻允许糖环自由弯曲或旋转，赋予分子链更高柔性。值得注意的是，M单元的羧基因空间位阻效应难以充分暴露，加之其电子云密度较低，导致与金属离子的结合能力显著弱于G单元。这种结构差异使得G单元主导凝胶网络的形成（贡献结构刚性），而M单元则通过调节分子链运动性提升材料韧性。具体表现为：当G单元占比超过70%时，所得凝胶硬度较高但脆性显著；反之，低G型凝胶虽强度较低却展现出优异的弹性回复性能。这种结构调控策略为开发定制化海藻酸钠水凝胶材料提供了理论依据。
图3. 海藻酸钙蛋盒模型
海藻酸钠水凝胶的制备方法
基于交联机制的差异，海藻酸盐水凝胶的制备策略主要分为两类：非共价交联（如金属离子配位、氢键作用）与共价交联（如化学基团修饰后的光固化或酶催化交联）。
非共价交联
非共价交联的海藻酸盐水凝胶的制备通常通过冻融、控制pH、阴离子和阳离子聚合物等方法触发。其制备过程温和，无需外源性化学交联剂，因此所得水凝胶几乎无细胞毒性。海藻酸盐在pH低于3时可进行超分子组装，并与Ca²⁺等多价阳离子协同结合，形成水凝胶网络。该过程不涉及共价键的形成，主要依赖于静电相互作用、氢键键合和疏水相互作用等较弱的非共价相互作用。水凝胶的网络强度受pH和温度等因素的影响。
金属离子交联体系优化策略：CaCl₂作为最常用的离子交联剂，因其温和的凝胶特性及生物安全性被广泛应用。然而，Ca²⁺交联形成的海藻酸盐水凝胶存在机械性能弱、网络易解聚和控释效率低等局限性。研究显示，采用Zn²⁺、Ba²⁺或Sr²⁺等替代金属离子可显著提升凝胶性能，其中Zn²⁺/Ba²⁺体系在维持细胞相容性的同时，赋予水凝胶更优的结构稳定性和机械强度。
凝胶动力学调控方法：CaCl₂的高水溶性导致交联速率过快，易引发凝胶结构不均和力学性能下降。通过两种策略可有效调控凝胶动力学：
① 低溶解度钙源替代：以CaSO₄或CaCO₃替代CaCl₂，利用其缓释特性延长交联时间；
② 竞争配位缓冲体系：含磷酸盐缓冲液中的PO₄³⁻与海藻酸盐羧酸基团竞争结合Ca²⁺，通过动态离子交换抑制凝胶过快形成。
共价交联
海藻酸盐的共价交联通过其分子链上的羟基（－OH）和羧基（－COOH）与戊二醛、己二酸二酰肼等化学交联剂的反应实现。此类水凝胶的机械性能和溶胀行为不仅取决于交联密度（直接影响网络强度），还与交联剂类型密切相关。例如，引入含亲水基团的交联剂可优化水凝胶的溶胀特性，其机制在于亲水性基团通过氢键增强网络持水能力。基于此，目前通过调控交联剂种类（如选择不同反应活性或官能团结构的交联剂）及交联密度，可对海藻酸盐骨架进行拓扑结构工程化修饰，从而定向调控水凝胶的力学强度、溶胀动力学等物理参数，最终构建出适配组织再生需求的智能递送载体。
RGD肽（精氨酸-甘氨酸-天冬氨酸序列）作为典型细胞黏附肽，可通过共价键与海藻酸盐骨架结合，实现水凝胶的生物功能化修饰。这种修饰显著增强了材料的细胞亲和性，例如在体外实验中，装载间充质干细胞的RGD-海藻酸盐微球培养21天后，细胞存活率仍维持在90%以上。动物实验进一步揭示，将RGD修饰与未修饰的海藻酸盐水凝胶分别植入大鼠心肌梗塞区域，5周后两组均促进局部动脉新生，但RGD修饰组对人脐静脉内皮细胞（HUVEC）的黏附增殖能力和血管生成效能显著优于对照组，证实其通过整合素受体特异性激活细胞-基质相互作用的关键机制。
图4. 细胞黏附性肽修饰的海藻酸盐的交联示意图
紫外光交联反应是一种常用的交联方式，因为它条件温和且副产物少。常用的方法是用甲基丙烯酸酐（MA）对海藻酸盐进行改性，得到具有光敏特性的甲基丙烯酸酯化海藻酸钠（AlgMA）。在紫外光照射下，AlgMA会发生交联反应。这种材料在光引发下能够快速固化，同时保留与多价阳离子螯合的能力。这种交联方法避免了传统凝胶需要现配现用的限制，制备的水凝胶具有更好的力学性能和结构稳定性，从而在生物医学领域有更广泛的应用。
【免责声明】发布内容来源于互联网、业内人士投稿以及微信公众号等公开资源，我们对文中观点持中立态度，文中观点不代表本平台的立场。所有文章仅供读者参考和交流使用。转载的文章版权归原作者所有，如有侵权行为，请及时与我们联系以便删除。
