低甲氧基(LM)果胶凝胶由于其出色的生物相容性，近年来在组织工程和药物输送领域获得了发展势头。LM果胶通过在二价离子如Ca2+的存在下形成具有蛋盒结构的超分子组装体来形成稳定的水凝胶，二价离子通常由氯化钙(CaCl2)溶液或碳酸钙(CaCO3)提供。特别是，使用CaCO3可以制备形状可控的LM果胶凝胶。

先前的研究表明，水凝胶合成前体参数的微小变化会对水凝胶性能及其应用产生重大影响。例如，降低pH值或酸化前体可加快胶凝速率并增加LM果胶水凝胶的机械强度。CO2是一种常用的酸性试剂，因为它可以降低pH值并且在胶凝后很容易从系统中去除。

然而，尽管CO2是一种很有前途的酸剂，但对其对水凝胶合成和性能的影响的准确了解却知之甚少。

由东京理科大学(TUS)硕士生RyotaTeshima先生领导的一组来自日本的科学家决定填补这一空白。为此，他们使用标准方法并在受控热力学条件下使用碳酸水作为CO2源制备了LM果胶/CaCO3水凝胶。

研究团队还包括ShigehitoOsawa博士(目前在东京女子医科大学)，以及来自TUS的YayoiKawano博士、TakehisaHanawa教授、AkihikoKikuchi教授和HidenoriOtsuka教授。他们的研究发表在ACSOmega上。

Teshima先生在解释这种方法背后的原因时说：“我们选择碳酸水作为胶凝的酸性剂，因为传统方法需要高压条件以确保向水凝胶前体适当供应CO2。相反，使用碳酸水允许我们向水凝胶混合物提供碳酸根离子和CO2，并在环境压力和温度条件下引发胶凝。”

该团队同时制备了两种LM果胶/CaCO3水凝胶——一种添加了碳酸水，另一种没有添加。他们观察到，与没有碳酸水的相比，含有碳酸水的凝胶凝胶化速度更快，机械强度更高。

这些改进可能是由于碳酸水的较低pH值提高了CaCO3的溶解度，这进一步增加了游离Ca2+离子的可用性。更多的Ca2+意味着果胶聚合物之间更好的交联、更快的凝胶化和更坚固的水凝胶。

水凝胶形成后，碳酸水/CO2从与大气接触的表面挥发。研究小组发现，CO2逸出后，最终水凝胶的pH值高于不含碳酸水制备的水凝胶。该团队认为这可能是因为许多羧基在交联过程中被消耗掉了。Ca2+和酸性组分CO2在胶凝后从水凝胶中完全挥发。

该团队通过冷冻干燥水凝胶进一步制备了气凝胶。他们在通过碳酸水路线制备的那些中发现了高度有序的细长孔隙率网络，这表明来自碳酸水的CO2可以引起水凝胶的内在结构变化。

研究人员还在碳酸水中制备了含有不同CO2量的水凝胶，以证明可以通过这种方式调整LM果胶水凝胶的pH值和强度。在制造具有定制特性的功能性水凝胶时，这项研究的见解可以证明是有用的。

这项研究有助于实现联合国的可持续发展目标(SDG)，因为LM果胶主要来自食物垃圾，例如苹果和柑橘类水果。“每年，全世界有25亿吨食物被浪费，其中包括因质量问题而未进入市场就被丢弃的蔬菜和水果。我们相信，我们研究的有希望的结果将鼓励其他研究人员将丢弃的物品用作食物垃圾作为他们科学事业的原材料，”Teshima先生总结道。