◎杨陈
[摘要]纳米纤维素具有优异的可降解性、生物相容性、热稳定性、比表面积、易交织成网、高强度、光学透 明性、机械稳定性与增稠性等，在诸多领域有着较广泛的应用潜力。通过对纳米纤维素分类、制备及在不同领域 应用的阐述，表明纳米纤维素作为纳米科技时代来源最广、性能优异、环境友好的生物纳米材料，科研价值与市 场价值巨大。 [关键词]纳米纤维素，特性，分类，制备，应用
中图分类号：TQ352.79 文献标识码：A文章编号：282(2021 )01-0022-06
Title:Research on advances in nanocellulose material
Author：Yang Chen(Jiangxi Institute of Fashion Technology,Nanchang,Jiangxi, 330201) Abstract:There was a wide application potential in many fields of nanocellulose because of excellent properties of degradability,biocompatibility,thermal stability,specific surface area, easy interweaving into a net,high strength,optical transparency,mechanical stability,and thickening,etc.It was showed that nanocellulose owned great research value and market value as the most widely sourced,excellent,and environmentall
y friendly biological nanomaterials in the era of nanotechnology by expounding the classification,preparation,and application of nanocellulose in different fields.
Keywords：nanocellulose；features；classification；preparation；application
纤维素材料来源丰富、可再生，广泛分布在竹、麻、棉、木等各类陆地植物，藻类等海洋植物与少量细菌中。纳米纤维素通过其直径大小进行 定义，将直径约1〜100nm的纤维素归为纳米纤维素。纳米纤维素以其优异的可降解性、生物相容 性、热稳定性、比表面积、易交织成网、高强度、光 学透明性、机械稳定性与增稠性等，被广泛应用 在各领域，市场前景广阔。笔者通过对纳米纤维
[作者简介]杨陈，江西服装学院服装工程学院副教授，纺织设计博士生，研究方向：智能纺织材料。[基金项目]福建省新型功能性纺织纤维及材料重点实验室开放基金项目（FKLTFM1720)。
素材料的应用研究进展进行综述，旨在为纳米纤 维素材料的进一步开发利用提供借鉴。
一、纳米纤维素的分类与制备
纳米纤维素现阶段通行的分类方法是将其简单的分为细菌纳米纤维素、纤维素纳米晶与纳 纤化纤维素。纤维素在木材中含量高达40%~ 45%，是构成植物细胞壁重要组成材料。一定数量 的纤维素大分子组成原细纤维，进而构成微细纤 维。纳米纤维素的制备是基于功能、尺寸等指标 利用生物法、化
学法、机械法或几种方法的组合，将纳米纤维素制备出来。每种制备方法针对不同 种类的纳米纤维素，如生物法主要针对细菌纳米纤维素的制备，细菌纳米纤维素呈现纳米网状结构，其制备机理是细菌利用醇类和低分子量碳源作底物进行降解组装而制备的纳米聚合物。细菌 纳米纤维素具有良好的生物相容性、较高的聚合 度、纯度、力学性能、结晶度与保水性能。诸如此 功能的细菌有八叠球菌、根瘤菌、土壤杆菌、木醋 杆菌，其中木醋杆菌效果最佳[1]。化学法主要针对 纤维素纳米晶体的制备，其机理是利用硫酸[2]、磷 酸™或盐酸[4]等无机酸的水解的特性去除原纤维中的非结晶区而保留结晶区，从而制得具有棒状 结构的纤维素纳米晶体。该法制备的纤维素纳米 晶体具有高拉伸强度、杨氏模量与结晶度，但其 力学性能、物化性能与形貌等受到提取工艺与原料来源影响。纳纤化纤维素顾名思义即利用纤维 素制备纳米纤维，目前，主要通过2,2,6,6-四甲基（TEMPO)介导氧化法与机械法制备w。TEMPO介导氧化法是在制备过程中引人带电荷羧基，在均质化处理制备出纤维素纳米纤维悬浮液后过滤制得。机械法则是通过静电纺丝法、球磨法、超声波法与高压均质法等，该法在实践中存在时间长、耗能高、机械设备损耗严重等问题，因此采用该法前往往通过其他手段进行预处理以提高效率。纤维素经过纳纤化后，具有极高的热稳定性、强度和加大的比表面积和长径比等优点。
二、纳米纤维素的应用
纳米纤维素基于以上所述特性，其在医药、电子、复合材料、造纸、能源等均有广阔的潜在应用前景，简要叙述纳米纤维素的应用现状。
(一）纳米纤维素在医药领域的应用
纳米纤维素的可降解性、生物相容性、高强 度与机械稳定性等特点，在药物的运载和组织工程等2方面中有着广泛的应用。目前，常用的药 物控释系统为凝胶、微球、薄膜、离子树脂交换等[M]，作为控释系统常见的载体材料为聚二甲基硅氧烷（PDMS)、聚丙烯（PP)、聚乙烯（PE)等w-11]。但该类传统医药在使用过程中有诸多不良反应，且存在药物半衰期短的弊端，药物不能达到很好的控释性™。纤维素具有低毒性、可降解、可再 生、可得性与稳定性等特点，是作为药物运载的理想载体，不仅可以提供药物的分解率，还可以 稳定药物的控释性，优化了药物。目前，纳米 纤维素在药物运载方面研究的热点主要是药物的运载量与药物的控释性，但这些指标又受到基体比例、药物粒径、温度、p H等因素影响 1(〇131«^(：等[61以制备的纳米纤维素膜为壳，将粑 向药物包裹其中，测试结果表明该结构的设计不仅将药物的控释周期延长至3个月，载药量提髙至40%~50%，包封率达90%以上。李德贵〃5]测试 表明纳米原纤化纤维素基庆大霉素膜材料的药
物释放周期随着均质次数与膜材料中羧基含量的增加而增加。Alkhatib等[16]以三维细菌纳米纤 维素包封泊洛沙姆，通过控制泊洛沙姆浓度和类型，达到延长释放周期从而利于伤口长期抗菌的效果。纳米纤维素在药物运载方面的研究较 多，如Themrnkoon等™集中研究姜黄素控释过程中结构的完整性，上述这些研究为药物的优化奠定了很好的前沿基础。
除在药物运载方面，纳米纤维素在组织工程方面也有较为深入的研究。组织工程是利用体外 支架材料培养损伤器官与组织细胞后再导人机体从而达到器官与组织修复的一门学科，其涉及 工程学、医学、材料学和细胞生物学。由于涉及到 细胞体外培养，这就要求支架材料必须具有较好的力学强度从而支撑起细胞培养的三维空间与生长代谢环境，支架材料导人有机体需要支架材料具有低毒性、可降解性、大比面积和空隙率等以供细胞在体内的繁殖与保证机体健康。纳米纤 维素材料恰能满足这些要求，是极为理想的组织工程材料。L u等[181提取的纳米纤维素氧化后与胶 原和席夫碱结合而制备的胶原/纳米纤维素具有优异的生物相容性、吸水率和空隙率，极大地提髙了细胞繁殖与活性。在血管组织工程中，利用 D-葡萄糖培养基中的木醋杆菌（A.xylinum)可制 得一种管状细菌纤维素，其内径小于3mm，能够 很好地满足人造血管的要求，为血管的移植提供条件[19]。利用离子液体或有机溶剂纺制的纳米纤 维素纤维目前也成为组织工程应用研究的一个热点。在药物运载与组织工程外，纳米纤维素在 医用敷料、基因毒性、炎症反应等具有一定程度的应用，一种具有广阔前景的新型医用材料。
(二）纳米纤维素在过滤吸附材料中的应用
工业的发展产生了大量工业废水，废水的重 金属的累积对环境和人的身体健康造成巨大的安全隐患。目前，废水中重金属的过滤回收利用方法主要有生物吸附法、膜分离法、离子交换法 与化学沉淀法等，其中以吸附法成本最为低廉，可操作性最强[20]。纳米纤维素的优异热稳定性、比表面积、高强度、机械稳定性等特点与表面丰富的羟基为其成为理想的过滤吸附材料奠定了基础。现阶段，纳米纤
维素在过滤吸附材料方面的应用主要是通过对纳米纤维素进行改性制备。制备方法有直接改性、接枝共聚改性与制备凝胶。直接改性顾名思义是将磺酸基团、磷酸基团、氨基、竣基、羟基等引人到纳米纤维素的骨架中，提高了纳米纤维素的吸附效能。接枝共聚改性利 用纳米纤维素表面数目众多羟基，引人能与羟基 发生共聚反应的聚合物链或基团，从而制备纳米 纤维素基聚合物。依据的化学机理有可逆加成- 断裂链转移聚合、原子转移自由基聚合、传统自 由基聚合等。丫&〇等[21)使用直接法，采用氧化剂高 碘酸钠制备的二醛基纳米纤维素，对铅Pb2+与铜 Cu2+的吸附率分别达到了 37mg/g和155mg/g。Xu 等™采用过氧化剂将纳米纤维素上2号和3号 碳的羟基氧化成醛基后与单宁混合产物，富含大 量苯基与羟基，极大地提高了对Pb2+与Cu2+的吸 附率。邓圣m利用高等化学接枝，以聚乙烯亚胺 为胺化剂，环氧氯丙烷为醚化剂接枝到纳米纤维素上从而制得多氨基纳米纤维素过滤材料。测试 表明，该材料对砷AS(m)与AS(V)的吸附量分 别达到了 53.03mg/g和81.35mg/g。李金玲等[241利 用硫酸铜辅助制备了纳米纤维素，提高了纤维素
比表面积使纳米纤维素过滤吸附材料的研究更进一步。纳米纤维素凝胶可分为水凝胶与气凝胶。凝胶的制备是将纳米纤维素材料以一定的形 式填充到凝胶的三维网状结构中，进一步提高纳 米纤维素的比表面积，发挥其多孔材料的优点。盛超等[251利用聚乙烯醇与壳聚糖为材料，氧化纳 米纤维素为凝胶的填充材料制备的聚乙烯醇/壳 聚糖/氧化纳米纤维素水凝胶，提高了氧化纳米纤 维素的机械性能、热稳定性、耗能模量和储能模量，降低了溶胀度与含水量，增强了材料的过滤吸附性能。殷晓春等％]
核桃清洗机
利用3-巯丙基三甲氧基硅 烷对TEMPO介导氧化法制备的纳米纤维素进行改性制备的气凝胶，比表面积仅有43m2/g，但对 Hg(II )的吸附量高达718.5mg/g。
(三）纳米纤维素在其他领域中的应用
雨水管理系统
纳米纤维素表面有数目众多的羟基，分子间 氢键结合力较强，因此在造纸业也有一定的应用。目前，纳米纤维素在造纸业中的应用主要有3 个方面：一是作为造纸添加剂使用；二是纸张涂料；三是特种纸张材料。马倩倩[27]在纸浆中加人 6%和9%的纳米纤维素混人到纸浆浆料中，不仅 能够满足纸张不透明的书写要求，还避免了打浆 程序。纳米纤维素作为纸张涂料主要用来提高纸 张的均匀性、抗水性、透气性和强度等指标，如 Roy等™利用改性纳米纤维素制备的疏水涂料对纸张的应用极大地提高了纸张的疏水效果，测试 数据表明涂层后的纸张与水的接触角为136°~ 150°，具有很好的疏水性和自清洁性。特种纸张 材料是指将纳米纤维素作为原材料制备纸张。Hentz等[29]利用纳米纤维素悬浮液制备的特种纸张不仅降低了干燥所需热能，还将纸张的含水量降低到50%。
鉴于纳米纤维素材料良好的力学性能和结
构稳定性，可将纳米纤维素材料作为载体材料，将导热、导电、传感器、电磁屏蔽材料等纳人到纳米纤维素材料的载体上。Song等™利用纤维素纳
米晶体作为载体，制备的40组纤维素纳米晶体与还原氧化石墨烯膜的导热率到达>u/Xz=279。H〇u等[31]利用化学还原和真空过滤法制备的还原氧化石墨烯（RG0)质量分数为4%的RG0/ CNF/RG0导电纸，其导电率高达4382 S/m。Yan 等™制备的纳米纤维素/石墨烯复合纳米纸在100%拉伸条件下依然能够全方位传感，是测试动 态指标的理想材料。Huang等®将纳米纤维素网络设计制成纳米片，进而制备高导复合纳米纤维素气凝胶，对特定硫酸乙酯-1-甲基-3-乙基咪唑 (EMI SE)电磁的屏蔽效能高达219 DB*cm3/g，在 航天器及特种武器材料中具有较大的应用潜力。纳米纤维素还有许多诸如复合材料、磁性材料等方面的应用，在此不再一一列举。
三、结语与展望
通过对纳米纤维素分类、制备及在不同领域应用的阐述，表明纳米纤维素作为纳米科技时代来源最广、性能优异、环境友好的生物纳米材料，在诸多领域有着较广泛的应用潜力，目前亟需解 决的难题是纳米纤维素材料制备的工业化与低成本化，相信在不久的将来纳米纤维素材料以其优异的性能必能在特种材料占有一席之地。
参考文献：
刮奖卡制作
[l]T rache Djalal, Hussin M Hazwan, Haafiz M K Mohamad ,et al. Recent progress in cellulose nanocrystals：
sources and production [J]. Nanoscale, 2017, 9：1763-
1786.
[2]郭乃玮，何建新，崔世忠.竹纳米纤维素晶须的制备[J].
纤维素科学与技术，2012, 20(1): 58-61.
[3]闫美玲.无水磷酸法制备纳米纤维素及乙酰化改性脉冲信号
[D]•哈尔滨：东北林业大学，2015.
[4]刘琳.桑枝皮纤维素纳米晶须的制备及其增强再生蚕
丝蛋白纤维的研究[D].杭州：浙江理工大学，2011.
[5]符庆金，王燕云，梁帅博，等.纳米纤维素在功能纳米材
料中的应用进展[J].高分子材料科学与工程，2020,36
(3)：1-12.
[6]Kolakovic R, Peltonen L, Laukkanen A, et al. Nanofib-
rillar cellulose films for controlled drug delivery [J]. Eu
ropean Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics,
2012, 82(2)：308-315.
[7]Kolakovic R, Peltonen L, Laukkanen A, et al. Evalua
tion of drug interactions with nanofibrillar cellulose [J].
European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceu
tics, 2013, 85(3)：1238-1244.
[8] Mohd Amin M C I,Ahmad N, Halib N, et al. Synthesis
and characterization of thermo -and p H -responsive
bacterial cellulose/acrylic acid hydrogels for drug deliv
ery [J]. Carbohydrate Polymers, 2012, 88 (2)：465-
473.
鼻渊散
[9] Valo H, Arola S, Laaksonen P, et al. Drug release from
nanoparticles embedded in four different nanofibrillar
cellulose aerogels [J]. European Journal of Pharmaceuti
cal Sciences, 2013, 50(1)：69-77.
[10] Cardamone M, Lofthouse S A, Lucas J, et al. In vitro
testing of a pulsatile delivery system and its in vivo ap
plication for immunisation against tetanus toxoid [J]. J
Control Release, 1997, 47(3)：205-219.
hcpl2630
[11 ]Sintzel M B, Bematchez S F, Tabatabay C, et al. Bio
materials in ophthalmic drug delivery [J]. European
journal of pharmaceutics and Biopharmaceutics, 1996,
42：358-374.
[12] Wang N, Xu T, Wu C, et al. Organic-inorganic hy
brid anion exchange hollow fiber membranes：a novel
device for drug delivery [J]. International Journal of
Pharmaceutics, 2011, 408(1-2)：39-49.
[13] Mehling T, Smirnova I, Guenther U, et al. Polysac
charide-based aerogels as drug carriers [J]. Journal of
Non-Crystalline Solids, 2009, 355 (50-51)：2472-
2479.
[14] Th6ron C, Gallud A, Carcel C, et al. Hybrid meso-
porous silica nanoparticles with pH-operated and com
plementary H -bonding caps as an autonomous drug -
delivery system [J]. Chemistry-A European Journal,
2014, 20(30)：9372-9380.
[15]李德贵.纳米纤维素基药物控释材料的制备及表征
[D]•广州：华南理工大学，2016.
[16] Alkhatih Y, Dewaldt M, Moritz S, et al. Controlled
extended octenidine release from a bacterial nanocellu-
lose/Poloxamer hybrid system [J]. European Journal of
Pharmaceutical Sciences, 2016, 112：164-176.
[17] Thennakoon M, Udeni Gunathilake, Yem Chee Ching,
Cheng Hock Chuah. Enhancement of curcumin
bioavailability using nanocellulose reinforced chitosan
hydrogel [J]. Polymers, 2017, 9(2)：64.
[18] Lu T, Li Q, Chen W, et al. Composite aerogels based
on dialdehyde nanocellulose and collagen for potential
applications as wound dressing and tissue engineering
scaffold[J]. Composites Science and Technology, 2014,
94(4)：132-138.
[19] Klemm D, Schumann D, Udhardt U. Bacterial synthe
sized cellulose artificial blood vessels for microsurgery
[J]. Polymer Science, 2001, 26(9)：1561-1603. [20] Yi Mu, Zhihui Ai, Lizhi Zhang, et al. Insight into
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
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