纤维素基复合材料及其在医用方面的研究进展

马明国，付连花，李亚瑜，王斌

(北京林业大学材料科学与技术学院，北京 100083)

纤维素基复合材料及其在医用方面的研究进展

马明国，付连花，李亚瑜，王斌

(北京林业大学材料科学与技术学院，北京 100083)

以纤维素为基体制备的功能复合材料，可赋予纤维素光、电、磁以及催化等性能，在制浆造纸、精细化工、组织工程、生物医药等领域具有广阔的应用前景。纤维素基生物医用复合材料是纤维素功能复合材料的典型代表，它结合了生物质材料和生物材料的优点，在骨修复替代、组织工程、药物缓释、基因载体以及蛋白质吸附等领域具有潜在的应用价值，是当前生物质领域的研究热点。综述了目前制备复合材料常用的3种方法, 即水热(溶剂热)法、微波辅助法和超声波法，并对这几种方法的特点进行了分析；同时对纤维素功能复合材料发展现状进行了概述，系统介绍了纤维素/羟基磷灰石、纤维素/碳酸钙以及纤维素/银等生物医用复合材料的研究进展。最后，结合笔者自身的研究经历，探讨了纤维素基生物医用复合材料开发过程中存在的问题以及今后的发展方向。

纤维素；复合材料；功能复合材料；生物医用；制备方法

近年来，随着资源、能源和环境等问题的日益加剧，可再生生物质资源的转化利用越来越受到重视[1]。生物质资源主要包括农业生物质、林业生物质、动物粪便以及城市垃圾等。我国是一个农业大国，每年农作物收获之后产生大量的废弃物。此外，我国的森林面积位列世界第五位，还具有丰富的林业生物质资源[2]。农林生物质是由植物通过光合作用产生，具有可再生且再生周期短，以及可生物降解等特点。农林生物质综合开发利用有利于现代农业可持续发展，我国政府在中长期发展规划(2006—2020年)中，将“农林生物质工程”列为重大项目之一，涵盖农林生物质转化为气体、液体、固体能源以及生物基材料与化学品等领域。

农林生物质主要由纤维素、半纤维素及木质素组成，三者含量占总量的90%以上[3]。利用现代科学技术将农林生物质各组分进行有效分离转化，可以获得新型粉体材料、膜材料、凝胶材料、半导体材料以及生物材料等一系列高附加值产品[4]。纤维素是自然界含量最丰富的天然可再生多糖，具有来源广泛、价格低廉、可再生、可降解、无毒、可衍生化等特性，是重要的生物质材料之一。基于纤维素的功能复合材料可广泛应用于纺织、催化、食品包装、生物医用、水处理等领域[5]。纤维素转化为功能复合材料，有利于开辟农林生物质利用新途径，对实现经济可持续发展具有重要意义。

复合材料是指通过物理或化学的方法，将两种或两种以上不同性质的材料组成具有新性能的材料。所制备的复合材料不仅能保持原单一组分的部分特性，而且由于各组分之间的相互作用还可使其整体性能得到提高，并可获得原组分不具有的特性，即“复合效应”。近年来，基于纤维素的功能复合材料研究受到广泛关注。在本论文中笔者介绍了复合材料的水热(溶剂热)法、微波辅助法和超声波法等3种制备方法，简要回顾了纤维素功能复合材料发展历程，重点概述了纤维素基生物医用复合材料的最新研究进展，最后结合笔者自身经历，探讨了纤维素基生物医用复合材料的发展方向，以期对以纤维素为代表的生物质材料的资源化、功能化、高值化以及循环利用提供参考。

1 复合材料的制备方法

复合材料的制备方法很多，如共沉淀法、共混法、模板法、气相沉积法以及仿生矿化法等[6-7]。这些方法各具特色，广泛应用于复合材料的制备，极大地促进了复合材料的发展。此处将重点介绍在纤维素功能复合材料制备过程中应用到的水热(溶剂热)法、微波辅助法以及超声波法的特点和局限性。

1.1 水热(溶剂热)法

水热法是指在密闭的容器中，以水作为溶剂，通过对反应体系进行加热加压处理而进行的化学反应。按照反应温度水热法又可分为亚临界和超临界反应两种，其中亚临界水热反应的温度范围为100～240℃，而超临界水热温度可达1 000℃，压强可达0.3 GPa。在水热反应中，水既可以作为一种化学组分参与反应，也可以作为溶剂或膨化促进剂，还可以作为压力传递介质[8]。利用水热法制备复合材料具有诸多优势，例如可明显降低反应温度，可制备结晶度高、纯度高、分散性好、尺寸均匀、无团聚且形状可控的复合材料。溶剂热法是在水热法基础上发展起来的，其与水热法的区别在于所用溶剂为有机物而非水。在溶剂热条件下，产物受溶剂性质的影响较大，包括溶剂的密度、黏度和分散作用等。

1.2 微波辅助法

自20世纪80年代中期研究人员第一次将微波加热技术引入到液体化学反应中后，微波加热技术在化学反应和材料制备中的应用得到了快速发展[9-11]。微波是频率范围在0.3～300 GHz的电磁波，微波加热是通过分子间偶极矩的交互作用协同高频率的电磁辐射实现，具有体加热、加热速度快、热量损失小等优点，因此可以极大缩短反应时间。Kijima等[12]通过微波加热2 min就可以制备出平均粒径小于10 nm的α-Fe2O3纳米颗粒。研究发现，采用微波加热时，α-Fe2O3快速形成，即使延长加热时间至1 h，也无副产物如α-FeOOH等的生成；而采用传统加热1 h得到α-Fe2O3和α-FeOOH的混合物。传统水热法一般需要加热数小时甚至数天，与传统加热相比，微波水热法具有反应转化率高、反应时间短(只需几分钟到几十分钟即可完成)、节省能源及绿色环保等特点[13]。

1.3 超声波法

超声波是一种频率高于20 kHz的声波，具有方向性好、穿透能力强等特点。超声合成是利用溶液中连续形成、生长并瞬间破裂的气泡产生的空化效应，导致溶液在局部位置产生瞬时高温(gt;5 000 K)、高压(gt;1 00 MPa)以及极快的加热、冷却速率(gt;1 010 K/s)，从而驱动化学反应的进行[14-15]。这些直径可达几个微米的气泡在破裂瞬间产生的局部效应可使介质发生物理和化学变化，产生机械、热和化学效应[15]。利用超声波的空化效应可以制备出性能可调的单分散Fe3O4/SiO2核壳结构纳米复合材料[16]。在笔者先前的研究工作中，通过系统比较微波法、超声波法及传统油浴加热法制备纤维素/CaCO3复合材料发现，与微波法或油浴加热法相比，超声波法更有利于制备尺寸均匀、形貌一致且物相较纯的复合材料[17-18]。

2 纤维素基复合材料的兴起

纤维素是重要的生物质材料，性能优越，应用广泛。然而，纤维素也存在如不耐化学腐蚀、强度有限等不足，限制了它的应用范围。将纤维素与其他有机或无机材料相结合制备复合材料，不仅可以保留纤维素原有的性能，还可赋予其新的性能，极大地扩展纤维素的应用领域。近年来，纤维素功能复合材料受到广泛关注，因其具有良好的生物相容性、生物可降解性、低毒、磁/光学/力学性能等，在纤维、催化、纺织、水处理、生物医用等领域都具有潜在的应用前景[19-21]。

纤维素的分子链中含有大量的—OH，可以通过静电相互作用吸附金属离子，然后通过原位还原的方法制备出纤维素基金属纳米复合材料。早在2003年，He等[22]采用多孔纤维素作为纳米反应器通过原位合成的方法制备出Ag、Au、Pt和Pd纳米颗粒。Wang等[23]以聚环乙胺为还原剂和交联剂制备出细菌纤维素/Au纳米复合材料，并将复合材料用于固定辣根过氧化物酶制备H2O2生物传感器，可检测出浓度低于1 μmol/L的H2O2。Jiang等[24]将Ag纳米颗粒原位沉积在棉织物上获得具有抗菌性能的棉织物，所制备棉织物具有优异的抗菌性能及耐水洗性能，在经过20次洗涤之后对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀灭率仍达到98.5%和94.3%。此外，纤维素还可与Cu、Pd、Co和Ni等金属复合制备出具有优异的抗菌性能、催化性能及磁性能的复合材料[25-28]。

纤维素亦可以与氧化物如Fe2O3、TiO2、ZnO、CuO、Mn3O4等复合制备出纤维素功能复合材料[29-33]。例如，Xiong等[29]以离子液体[Bmim]Cl为溶剂，采用共沉淀方法原位合成纤维素/γ-Fe2O3纳米复合材料，该复合材料具有超顺磁性，在外加磁场下表现出敏锐的磁响应性。采用Pb(Ⅱ)和亚甲基蓝(MB)为模型污染物研究复合材料的吸附性能发现，其对Pb(Ⅱ)和MB的吸附能力分别为21.5和40.5 mg/g，利用材料的磁性在外加磁场作用下能够对材料进行有效回收。Lu等[30]利用竹纤维素作为模板制备出长度为毫米级、直径约为30 nm的锐钛矿TiO2纤维，该材料具有优异的光催化性能，在紫外光照射下可以有效分解苯酚。Asiri等[33]研究纤维素/Mn3O4复合材料对包括Cu2+、Cd2+、Co2+、Cr3+、Fe3+、Ni2+、Zn2+和Zr4+在内的一系列重金属离子的吸附性能发现，该复合材料对Cr3+表现出较强的选择性吸附性能，其吸附能力为61.0 mg/g，对其他金属离子的吸附能力大小顺序为Zn2+gt; Fe3+gt; Cd2+gt; Zr4+gt; Ni2+gt; Co2+gt; Cu2+。

纤维素也可与金属硫化物(如CdS、PbS、ZnS等)复合制备纤维素基复合材料[34-37]。早在2005年，Ruan等[34]以NaOH/尿素为纤维素溶剂，采用原位合成的方法制备出CdS/再生纤维素复合材料，所制备材料显示出较窄的光致发光光谱发射带。Ke等[35]研究了具有不同孔径的CdS/再生纤维素纳米复合膜在可见光照下的催化性能，与CdS纳米颗粒相比，所制备CdS/再生纤维素纳米复合膜具有更好的光解产氢气性能、持久耐光性及可再生性。Thongtem等[36]以Pb(NO3)2和氨基硫脲为原料，以羧甲基纤维素为模板，通过水热法制备得到羧甲基纤维素/PbS复合材料。通过改变羧甲基纤维素、NaOH的加入量及水热反应温度可以制备出不同形貌(如花状、纳米颗粒、管状)的CdS微纳米结构。

此外，纤维素还可同时与多种金属或无机材料复合制备多元复合材料。例如纳米纤维素亦可同时作为模板和还原剂制备Fe3O4/Ag/纳米纤维素三元复合材料，并且该材料对4-硝基苯酚具有优异的催化还原性能，回收7次对4-硝基苯酚的转化率依然可达到81.8%。此外，所制备材料对金黄色葡萄球菌具有较强的抗菌活性，有望作为循环使用的催化剂和抗菌剂应用于医药或环境领域[20]。Sun等[38]以细菌纤维素为模板，以KBH4为还原剂，从含有PdCl2和CuCl2的水溶液中制备出Pd-Cu/细菌纤维素复合材料，所制备复合材料可用作水的反硝化催化剂。Liu等[39]采用羧基化纳米纤维素为支架，NaBH4为还原剂，制备出Ag-Pd合金/羧基化纳米纤维素复合材料，他们认为所用支架材料中的羧基和羟基组在吸附金属阳离子及Ag-Pd合金纳米颗粒方面具有协同作用，共同促进了纳米颗粒的聚集。

3 纤维素基生物医用复合材料的发展

近年来，纤维素与无机材料(如Ca5(PO4)3(OH)、CaCO3、CaSiO3、Ag/AgCl等)复合制备生物医用复合材料受到广泛关注。例如，Fang等[40]通过仿生矿化的方法制备HA/细菌纤维素纳米复合材料，并以人骨髓细胞的基质细胞为模型，研究了材料对骨髓基质细胞的增殖以及成骨细胞分化的影响。研究发现，接种于复合材料的基质细胞比接种于纯细菌纤维素的细胞具有更好的黏附性和活性。Liu等[41]也采用生物矿化的方法合成出细菌纤维素/Ag/AgCl纳米复合材料，该材料在琼脂板及液体培养基中均对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有较强的抑菌效果。此外，Liu等[42]通过蛋白诱导原位仿生矿化的方法制备出新型细菌纤维素/CaCO3复合材料，CaCO3具有薄片状结构，所制备复合材料具有粗糙的表面和孔隙率可调的复杂三维结构。在笔者团队前期的工作中，通过水热、微波、超声波等方法制备出纤维素/HA、纤维素/CaCO3和纤维素/CaSiO3等一系列纳米复合材料，并初步探索了其生物学性能[43-50]。

将纤维素与无机材料相结合制备成复合材料，可应用于蛋白吸附、组织工程、抗菌等生物医用领域。利用纤维素作为基体材料具有诸多优势：基于纤维素大分子链的结构特点，使其具有较强的反应性和相互作用性能，因此该类材料成本低、加工工艺较简单；纤维素本身具有良好的生物相容性及生物可降解性，因此是一种环境友好型材料；相对于胶原蛋白等高分子材料，纤维素具有优异的机械性能，可有效克服胶原蛋白等高聚物机械性能不足的缺陷。此类材料所用纤维素原料来源广泛、价格低廉且绿色环保，生产成本低且具有很好的生物活性，因此将其开发应用于生物医用领域将具有良好的社会和经济效益。

3.1 纤维素/羟基磷灰石纳米复合材料

羟基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)常以非化学计量比、离子取代或钙缺位的形式存在于脊椎动物的骨骼、牙齿等硬组织中，并赋予这些硬组织必需的机械性能(如强度、硬度、韧性和稳定性等)，同时HA也是众多钙磷盐在生理条件下最为稳定的结晶相[51]。人工合成的HA由于其良好的生物活性、生物可降解性及骨传导性，广泛应用于骨修复和骨替代等组织工程领域、基因转染以及药物/蛋白输运等领域。然而，作为一种生物材料，人工合成HA也有许多缺陷，例如弯曲强度和断裂韧性不足从而限制其应用。骨骼或其他钙化组织可以看作是一种由生物矿物(一种或多种钙磷盐，占骨骼总量的65%～70%)嵌入蛋白基质组成的天然各向异性的复合材料，另外还含有其他有机物和水分[51]。研究人员从中受到启发，开发出一系列以高分子聚合物为基质材料制备HA-聚合物复合材料，以期提高其机械性能和生物学性能。其中，纤维素由于其优异的机械性能、良好的生物相容性、可衍生化并且价格低廉等特性而受到广泛的关注。

近年来，科研人员在利用纤维素(或其衍生物)作为基体，通过不同方法制备纤维素/HA复合材料应用于生物医用领域做了大量研究[52-54]。例如Rodríguez等[55]将静电纺丝醋酸纤维溶于丙酮/N,N-二甲基乙酰胺中，再采用NaOH/乙醇皂化不同时间制备出再生纤维素支架。将所制备再生纤维素支架采用不同的试剂进行预处理，如CaCl2、羧甲基纤维素和CaCl2、NaOH和CaCl2，再浸泡在模拟体液中诱导HA在其表面成核和生长，所制备HA矿化的再生纤维素支架材料可应用于骨修复领域。Ramani等[56]采用化学沉淀法制备氧化石墨烯/HA(GO-HA)复合材料，然后与细菌纤维素(BC)复合制备GO-HA-BC三相复合支架材料，研究发现GO-HA均匀吸附在BC表面。将GO-HA-BC支架与MG-63细胞及NIH-3T3细胞共培养发现，所制备GO-HA-BC支架具有良好的骨诱导能力及生物相容性。Park等[57]采用TEMPO/NaBr/NaClO氧化体系对BC进行选择性氧化，得到表面带负电的氧化细菌纤维素(TOBC)。通过HA纳米颗粒表面的羟基与TOBC中的羧基之间的氢键作用使HA与TOBC相结合从而得到HA-TOBC复合材料，所制备复合材料能够很好地分散在去离子水中形成胶体溶液(图1)。向HA-TOBC胶体溶液中加入明胶(Gel)以及交联剂戊二醛，可以制备出HA-TOBC-Gel复合水凝胶。将所制备的多孔HA-TOBC-Gel复合水凝胶与颅骨成骨细胞共培养发现，该复合水凝胶能够有效提高细胞的增殖和分化。Lan等[58]采用静电纺丝法制备出具有核-鞘结构的三乙酸纳米纤维素(CTA，核)/HA(鞘)复合纤维，并将所制备CTA-HA复合纤维用于牛血红蛋白(Hb)吸附。该CTA-HA复合纤维对Hb表现出良好的吸附性能，其最大吸附量为176.04 mg/g，远高于CTA纳米纤维的18.39 mg/g。

A)采用TEMPO-氧化法向细菌纤维素表面引入负电荷基团；B)羟基磷灰石纳米颗粒的羟基与氧化纤维素的羧基通过氢键相连图1 TEMPO-氧化细菌纤维素以及胶体分散态的羟基磷灰石纳米颗粒[57]Fig. 1 Schematic diagram of the TEMPO-oxidation ofBC and the colloidal dispersion of HA nanoparticles[57]

在笔者此前的研究工作中，分别以木质纤维素为基体，通过水热法在NaOH/尿素溶液中制备纤维素/含碳酸根的HA纳米复合材料[47]；以N,N-二甲基乙酰胺为溶剂，采用微波快速加热技术制备纤维素/HA纳米复合材料[59]；通过微波水热法制备出表面疏松多孔的木质纤维/HA纳米复合材料[50]。此外，以NaOH/尿素为溶剂，以含磷生物分子(三磷酸腺苷、磷酸肌酸和二磷酸果糖)为磷源，采用微波水热法快速制备纤维素/HA纳米复合材料[48]。通过改变磷源、微波加热时间和温度，可以实现对纤维素/HA纳米复合材料中矿物晶体的物相、尺寸和形貌的调控，从而获得不同形貌的HA纳米结构。

3.2 纤维素/碳酸钙纳米复合材料

碳酸钙(CaCO3)不仅广泛存在于大理石、石灰岩、白垩等岩石内，同时也是脊椎动物骨骼和牙齿、珊瑚、蛋壳、珍珠、海胆刺以及甲壳类动物外骨骼的主要无机成分。此外，CaCO3也是一种来源丰富、价格低廉、色泽好的通用填料，广泛应用于涂料、塑料和造纸行业等。天然CaCO3具有3种无水结晶相，即方解石、文石和球霰石，在室温和大气环境条件下方解石的热力学稳定性最高，而球霰石为亚稳相CaCO3，其热力学稳定性最低，另外还有两种含水相和一种无定形相CaCO3。除工业应用外，CaCO3也被广泛应用于研究生物体内矿化过程，并且CaCO3具有良好的生物活性、蛋白质黏结性、细胞相容性、硬组织相容性等，在医用领域也具有广阔的应用前景[42]。

近年来，以纤维素为基体相，CaCO3为增强相制备的纤维素/CaCO3复合材料也受到关注，所制备纤维素/CaCO3复合材料不仅可以用作纸张增强剂或吸附剂[60-62]，而且在生物医用领域也具有潜在的应用前景。例如Cacicedo等[63]将细菌纤维素(BC)膜浸泡在含有CaCl2、甘氨酸、Na2CO3和介孔角叉菜胶(Carr)的溶液中，利用胶体结晶过程制备出BC/Carr-CaCO3复合膜，并将所制备复合膜用于装载抗癌药物阿霉素(Doxorubicin，Dox)。从载药之后的荧光显微镜照片可以观察到，Dox在BC膜上面均匀分散(图2a)；将BC膜浸泡在Carr之后再装载药物Dox时，由于Carr的存在可以从图中观察到一些荧光斑点(图2b)；图2c也观察到类似的现象，但由于CaCO3的存在，导致装载在BC膜上的Dox较少；当BC膜中同时存在Carr和CaCO3时，Dox主要装载于斑点中(图2d)。红外、共聚焦和扫描电镜分析结果表明，采用BC/Carr-CaCO3复合膜装载药物时，Dox主要被包埋在Carr-CaCO3复合微球中，Dox装载率约为80%，并且显示出pH响应性释放性能。在37℃条件下将pH从7.4降至5.8时，其释放量从1.50 μg/d增加至1.70 μg/d。

图2 不同细菌纤维素膜装载Dox之后的荧光显微镜照片[63]Fig. 2 Confocal microscopy images of different BCmembranes loaded with Dox[63]

Liu等[64]研究了在聚丙烯酸(PAA)存在的情况下，CaCO3在静电纺丝醋酸纤维素(CA)上的矿化行为。从SEM照片可以观察到，PAA对CaCO3晶体的成核和生长具有重要影响，加入和不加入PAA时得到CaCO3的形貌具有显著差异(图3)。当溶液中不含PAA时，所得CaCO3为菱面体方解石，且可以观察到一些CA纤维嵌入方解石中(图3a、b)。当CaCl2溶液中含有PAA时，纤维表面变得粗糙，并且CA纤维表面由纳米针聚合形成的CaCO3涂层完全包覆(图3c、d)。从图3c中放大的图可以观察到，CaCO3包覆的CA纤维直径为1～2 μm，CaCO3涂层厚度约为400 nm。在PAA存在条件下，形成的CaCO3涂层并不影响CA纤维原有的形态，并且通过丙酮溶解处理后可以去除CA纤维，得到方解石CaCO3微米管。

注：其中CaCl2和PAA的浓度分别为20 mmol/L和1 g/L。图3 CA在不含有(a，b)和含有(c，d)PAA的CaCl2溶液中矿化10 d后的SEM照片[64]Fig. 3 SEM images of the electro-spun CA fibers afterCaCO3 mineralization for 10 days (a,b) without and(c,d) with the PAA present in CaCl2 solutions[64]

在笔者团队以前的工作中，研究了超声波法和微波法在制备纤维素/CaCO3复合材料时对CaCO3晶体的影响[17]。研究发现，制备方法对CaCO3晶体的物相、微观结构、形貌、热稳定性及生物活性具有影响。例如采用超声波法可以得到尺寸在320～600 nm的纯相球霰石微球，而采用微波法则得到尺寸为0.82～1.24 μm的方解石和球霰石型CaCO3。此外，笔者以离子液体[Bmim]Cl同时作为纤维素的溶剂和微波吸收剂，通过微波快速加热技术制备纤维素/CaCO3纳米复合材料，并通过改变纤维素浓度可以制备出多面体或立方体结构的CaCO3晶体[43]。将所制备的复合材料与人胃癌细胞(SGC-7901)共同培养48 h后，大部分细胞仍然保持正常的纺锤体形态，所制备纤维素/CaCO3复合材料具有良好的细胞相容性，在生物医用领域具有潜在的应用价值。

3.3 纤维素/银抗菌材料

众多抗菌材料都可杀灭体内体外的有害细菌，包括金属氧化物(如ZnO、TiO2、CuO等)、金属硫化物、卤化物，以及贵金属Ag、Pd、Au、Pt等。在这些抗菌材料中，金属银纳米颗粒(Silver nanoparticles，AgNPs)具有较大的比表面积、优异的抗菌性能且对人体细胞无毒害作用，因而被认为是最具前景的抗菌材料。迄今已发现银及其化合物对650多种细菌都表现出很好的抗微生物活性。纤维素具有良好的生物相容性、生物可降解性且无毒害的特点，并且纤维素表面—OH形成分子内、分子间氢键网状结构可有效控制AgNPs的生长从而实现AgNPs形状和粒径的调控。纤维素结构中含有的大量—OH，使其在水溶液中表面带负电荷，对金属离子具有吸附性能。此外，纤维素分子链的还原性末端基还可作为金属离子的还原剂。因此，纤维素可同时作为AgNPs的基体、稳定剂和/或Ag+离子的还原剂[65]，所制备的纤维素/Ag纳米复合材料可应用于纺织、医用、食品包装、水处理等诸多领域。

图4 纤维素溶液到再生纤维素海绵和纤维素/Ag复合海绵(上)，纤维素水凝胶、复合水凝胶以及纤维素/Ag海绵的结构示意图(下)[67]Fig. 4 Photographs of cellulose solution to theconstruction of regenerated cellulose sponge andcellulose/nanosilver composite sponges (top), andschematic architecture of the cellulose hydrogel aswell as composite hydrogel and sponge (bottom) [67]

Sureshkumar等[66]采用高压均质的方法制备出磁性BC纳米纤维，然后将磁性BC纳米纤维浸泡在多巴胺溶液中，通过多巴胺的自聚合作用在BC表面生成聚多巴胺层。最后浸泡在AgNO3溶液中，利用聚多巴胺对Ag+的还原作用原位合成磁性BC/Ag纳米复合材料。所制备复合材料对大肠杆菌和枯草芽孢杆菌具有较高的抗菌活性，将新鲜的LB培养基与材料共孵育4 h后没有发现明显的细菌感染。因此，该磁性BC/Ag纳米复合材料还可以用作发酵培养基的灭菌剂，并可以通过外加磁场作用对材料进行回收或去除。最近，Ye等[67]以NaOH/尿素为溶剂、环氧氯丙烷为交联剂制备出纤维素水凝胶，再通过水热和冷冻干燥处理得到纤维素/Ag海绵材料(图4)。抗菌研究结果表明，所制备海绵对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均具有优异的抗菌性能，抑菌环直径分别为15.5～26.8 mm和17.4～23.6 mm。体内试验结果发现，该海绵可以加速受感染伤口的愈合。纤维素海绵的多孔结构可以让充足的空气渗透，同时海绵可以有效吸附伤口渗出物，而海绵中的AgNPs能够有效杀灭有害细菌，因此所制备纤维素/Ag海绵可作为伤口敷料用于感染伤口的愈合。

在笔者前期工作中，采用综纤维素同时作为AgNPs的基体及Ag+离子的还原剂，通过水热法一步合成综纤维素/Ag纳米复合材料[68]。所制备复合材料中AgNPs具有球状结构，通过控制反应条件，可以制备出不同尺寸的综纤维素/Ag纳米复合材料(图5)。复合材料对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌均显示出很高的抗微生物活性，其抑菌环大小分别为13.0～16.0 mm和7.5～12.0 mm。

图5 综纤维素/Ag纳米复合材料的扫描电镜图[68]Fig. 5 SEM images (a-c) of the samples HC/Ag-6, 9, and 12 [68]

有文献报道纤维素基体中AgNPs的杀菌机制为：细菌表面通常带负电荷，AgNPs可通过静电作用附着在细菌细胞膜的表面，阻断细胞的通透性和呼吸功能；AgNPs释放出Ag+离子，Ag+离子可穿透细胞膜进入细菌内，并与细菌细胞壁和细胞质中含S、P的化合物作用，影响细胞的渗透和分裂，导致细菌死亡[69]；Ag+离子穿透进入细菌内，与DNA中巯基蛋白作用，使DNA发生形变从而抑制细菌繁殖，并最终导致细菌死亡[70]。纤维素大分子链含有大量—OH，这些—OH不仅可通过静电作用吸附Ag+离子，还可形成分子内、分子间氢键网状结构，AgNPs被束缚在纤维素网状结构中，从而控制Ag+离子的释放，进而实现持续抗菌作用。

4 结 语

目前，纤维素功能复合材料在制浆造纸、精细化工、食品包装等领域得到广泛的应用。综上所述，纤维素基生物医用复合材料结合了纤维素材料和生物材料的优点，在组织工程、生物医药、基因载体以及蛋白质吸附等领域具有潜在的应用价值。近年来，农林生物质资源化、功能化、高值化以及循环利用成为研究的重要方向，纤维素功能复合材料尤其是纤维素基生物医用复合材料必须紧紧围绕这些研究方向，以国家重大需求为导向，面向世界科技前沿，解决制约行业发展的瓶颈问题，为其应用开辟新途径、提供新思路。今后的研究中，除了继续进行纤维素酯化、醚化等传统改性，拓展其合成方法和材料类型之外，有必要深入探索适合工业化生产的普适性制备策略，研究其合成机理，揭示其复合效应，明确制备方法、性能和机理三者之间的内在有机关系，集成纤维素基生物医用复合材料的方法、材料、机理、性能以及应用，为纤维素功能复合材料的产业化应用提供理论基础和实验依据。以纤维素为代表的生物质，性能稳定，难以溶解于普通溶剂，寻找合适的溶剂是应用的前提。纳米纤维素具有卓越的性能受到广泛的关注，建议在纤维素类型的选择上也适当地采用纳米纤维素，将纳米纤维素的特色和优点应用到功能复合材料中。基于纤维素的多功能复合材料是生物质领域的重要发展方向，建议开展具有新型高效抗菌、阻燃、吸附、防水、耐火、防伪、快速分析检测用等多功能特种复合材料。以纤维素功能材料为前驱体，可以转化为碳基功能材料，应用于环境修复、土壤改良以及超级电容器等领域。纤维素水凝胶可应用于实时健康监护的可穿戴应变传感器，设计集成可导电、高弹性、自修复以及应变敏感等多功能的软性水凝胶传感器有望取得新的突破。

[1]KAMM B, KAMM M. Principles of biorefineries [J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2004, 64(2):137-145.

[2]吴今姬, 宋卫东, 王明友, 等. 农林生物质综合利用现状[J]. 中国农机化学报, 2013, 34(6):32-36.

WU J J, SONG W D, WANG M Y, et al. Development of comprehensive utilization of biomass in agriculture and forestry [J]. Journal of Chinese Agricultural Mechanization, 2013, 34(6):32-36.

[3]ZANG H, SU Q, MO Y, et al. Ionic liquid [Emim]OAc under ultrasonic irradiation towards the first synthesis of trisubstituted imidazoles [J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2010, 17(5):749-751.

[4]ZHAO J Q, HE X, WANG Y R, et al. Reinforcement of all-cellulose nanocomposites films using native cellulose nanofibrils [J]. Carbohydrate Polymers, 2014, 104:143-150.

[5]MOON R J, MARTINI A, NAIRN J, et al. Cellulose nanomaterials review:structure, properties and nanocomposites [J]. Chemical Society Reviews, 2011, 40(7):3941-3994.

[6]ZHU Y J, CHEN F. Microwave-assisted preparation of inorganic nanostructures in liquid phase [J]. Chemical Reviews, 2014, 114(12):6462-6555.

[7]XU H, ZEIGER B W, SUSLICK K S. Sonochemical synthesis of nanomaterials [J]. Chemical Society Reviews, 2013, 42(7):2555-2567.

[8]冉献强. 水热法研究进展[J]. 自然科学, 2010(4):5.

[9]TSUJI M, HASHIMOTO M, NISHIZAWA Y, et al. Microwave-assisted synthesis of metallic nanostructures in solution [J]. Chemistry-A European Journal, 2005, 11(2):440-452.

[10] MENG L Y, WANG B, MA M G, et al. The progress of microwave-assisted hydrothermal method in the synthesis of functional nanomaterials [J]. Materials Today Chemistry, 2016(1/2):63-68.

[11] MA M G, ZHU J F, ZHU Y J, et al. Microwave-assisted ionic liquids method:A promising methodology in nanomaterials [J]. Chemistry-An Asian Journal, 2014, 9:2378-2391.

[12] KIJIMA N, YOSHINAGA M, AWAKA J, et al. Microwave synthesis, characterization, and electrochemical properties of α-Fe2O3nanoparticles [J]. Solid State Ionics, 2011, 192(1):293-297.

[13] QI C, ZHU Y J, CHEN F, et al. Porous microspheres of magnesium whitlockite and amorphous calcium magnesium phosphate:microwave-assisted rapid synthesis using creatine phosphate, and application in drug delivery [J]. Journal Materials Chemistry B, 2015, 3(39):7775-7786.

[14] SUSLICK K S, HAMMERTON D A, CLINE R E. The sonochemical hot pot [J]. Journal of the American Chemical Society, 1986, 108(18):5641-5642.

[15] CHATEL G, DE OLIVEIRA VIGIER K, JÉRME F. Sonochemistry:what potential for conversion of lignocellulosic biomass into platform chemicals?[J] ChemSusChem, 2014, 7(10):2774-2787.

[16] MOREL A L, NIKITENKO S I, GIONNET K, et al. Sonochemical approach to the synthesis of Fe3O4@SiO2core-shell nanoparticles with tunable properties[J]. ACS Nano, 2008, 2(5):847-856.

[17] FU L H, DONG Y Y, MA M G, et al. Compare study CaCO3crystals on the cellulose substrate by microwave-assisted method and ultrasound agitation method [J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2013, 20(3):839-845.

[18] FU L H, DONG Y Y, MA M G, et al. Why to synthesize vaterite polymorph of calcium carbonate on the cellulose matrix via sonochemistry process? [J]. Ultrasonics Sonochemistry, 2013, 20(5):1188-1193.

[19] WANG K W, ZHOU L Z, SUN Y, et al. Calcium phosphate/PLGA-mPEG hybrid porous nanospheres:A promising vector with ultrahigh gene loading and transfection efficiency [J]. Journal of Materials Chemistry, 2010, 20(6):1161-1166.

[20] XIONG R, LU C H, WANG Y R, et al. Nanofibrillated cellulose as the support and reductant for the facile synthesis of Fe3O4/Ag nanocomposites with catalytic and antibacterial activity [J]. Journal of Materials Chemistry A, 2013, 1(47):14910-14918.

[21] XIONG R, WANG Y R, ZHANG X X, et al. Facile synthesis of magnetic nanocomposites of cellulose@ultrasmall iron oxide nanoparticles for water treatment [J]. RSC Advances, 2014, 4(43):22632-22641.

[22] HE J H, KUNITAKE T, NAKAO A. Facileinsitusynthesis of noble metal nanoparticles in porous cellulose fibers [J]. Chemistry of Materials, 2003, 15:4401-4406.

[23] WANG W, LI H Y, ZHANG D W, et al. Fabrication of bienzymatic glucose biosensor based on novel gold nanoparticles-bacteria cellulose nanofibers nanocomposite [J]. Electroanalysis, 2010, 22(21):2543-2550.

[24]JIANG T, LIU L, YAO J M.Insitudeposition of silver nanoparticles on the cotton fabrics [J]. Fibers and Polymers, 2011, 12:620-625.

[25] CADY N C, BEHNKE J L, STRICKLAND A D. Copper-based nanostructured coatings on natural cellulose:nanocomposites exhibiting rapid and efficient inhibition of a multi-drug resistant wound pathogen, a baumannⅡ, and mammalian cell biocompatibilityinvitro[J]. Advanced Functional Materials, 2011, 21(13):2506-2514.

[26] CIRTIU C M, DUNLOP-BRIRE A F, MOORES A. Cellulose nanocrystallites as an efficient support for nanoparticles of palladium:application for catalytic hydrogenation and Heck coupling under mild conditions [J]. Green Chemistry, 2011, 13(2):288-291.

[27] PIRKKALAINEN K, LEPPANEN K, VAINIO U, et al. Nanocomposites of magnetic cobalt nanoparticles and cellulose [J]. European Physical Journal D, 2008, 49(3):333-342.

[28] THIRUVENGADAM V, VITTA S. Ni-bacterial cellulose nanocomposite:a magnetically active inorganic-organic hybrid gel [J]. RSC Advances, 2013, 3(31):12765-12773.

[29] XIONG R, WANG Y R, ZHANG X X, et al. Facile synthesis of magnetic nanocomposites of cellulose@ultrasmall iron oxide nanoparticles for water treatment [J]. RSC Advances, 2014, 4(43):22632-22641.

[30] LU Y, SUN Q, LIU T, et al. Fabrication, characterization and photocatalytic properties of millimeter-long TiO2fiber with nanostructures using cellulose fiber as a template [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2013, 577:569-574.

[31] MA J X, ZHU W H, MIN D Y, et al. Preparation of antibacterial self-reinforced zinc oxide-cellulose composite by the synthesis of ZnO in partially dissolved cellulose [J]. Cellulose, 2016, 23(5):3199-3208.

[32] FU L H, YAO K, SHI C M, et al. Ultrasonic-assisted synthesis of cellulose/Cu(OH)2/CuO hybrids and its thermal transformation to CuO and Cu/C [J]. Science of Advanced Materials, 2014, 6(6):1117-1125.

[33] ASIRI A M, KHAN S B, ALAMRY K A, et al. Growth of Mn3O4on cellulose matrix:nanohybrid as a solid phase adsorbent for trivalent chromium [J]. Applied Surface Science, 2013, 270:539-544.

[34] RUAN D, HUANG Q L, ZHANG L N. Structure and properties of CdS/regenerated cellulose nanocomposites[J]. Macromolecular Materials and Engineering, 2005, 290(10):1017-1024.

[35] KE D N, LIU S L, DAI K, et al. CdS/regenerated cellulose nanocomposite films for highly efficient photocatalytic H2production under visible light irrdiation [J]. Journal of Physical Chemistry C, 2009, 113(36):16021-16026.

[36] THONGTEM T, KAOWPHONG S, THONGTEM S. Carboxy-methyl cellulose-assisted hydrothermal synthesis of PbS with nano- and micro-crystals [J]. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2010, 10(4):2853-2857.

[37] LUNA-MARTINEZ J F, HERNANDEZ-URESTI D B, REYES-MELO M E, et al. Synthesis and optical characterization of ZnS-sodium carboxymethyl cellulose nanocomposite films [J]. Carbohydrate Polymers, 2011, 84(1):566-570.

[38] SUN D P, YANG J Z, LI J, et al. Novel Pd-Cu/bacterial cellulose nanofibers:preparation and excellent performance in catalytic denitrification [J]. Applied Surface Science, 2010, 256(7):2241-2244.

[39] LIU H, WANG D, SHANG S B, et al. Synthesis and characterization of Ag-Pd alloy nanoparticles/carboxylated cellulose nanocrystals nanocomposites [J]. Carbohydrate Polymers, 2011, 83(1):38-43.

[40] FANG B, WAN Y Z, TANG T T, et al. Proliferation and osteoblastic differentiation of human bone marrow stromal cells on hydroxyapatite/bacterial cellulose nanocomposite scaffolds [J]. Tissue Engineering Part A, 2009, 15(5):1091-1098.

[41] LIU C, YANG D, WANG Y G, et al. Fabrication of antimicrobial bacterial cellulose-Ag/AgCl nanocomposite using bacteria as versatile biofactory [J]. Journal of Nanoparticle Research, 2012, 14(8):1084.

[42] LIU X, MA Y J, ZHOU Y, et al. A promising hybrid scaffold material:bacterial cellulosein-situassembling biomimetic lamellar CaCO3[J]. Materials Letters, 2013, 102:91-93.

[43] MA M G, DONG Y Y, FU L H, et al. Cellulose/CaCO3nanocomposites:microwave ionic liquid synthesis, characterization, and biological activity [J]. Carbohydrate Polymers, 2013, 92(2):1669-1676.

[44] MA M G, FU L H, LI S M, et al. Hydrothermal synthesis and characterization of wood powder/CaCO3composites [J]. Carbohydrate Polymers, 2012, 88(4):1470-1475.

[45] LI S M, JIA N, ZHU J F, et al. Synthesis of cellulose-calcium silicate nanocomposites in ethanol/water mixed solvents and their characterization [J]. Carbohydrate Polymers, 2010, 80(1):270-275.

[46] JIA N, LI S M, MA M G, et al. Hydrothermal fabrication, characterization, and biological activity of cellulose/CaCO3bionanocomposites [J]. Carbohydrate Polymers, 2012, 88(1):179-184.

[47] JIA N, LI S M, MA M G, et al. Hydrothermal synthesis and characterization of cellulose-carbonated hydroxyapatite nanocomposites in NaOH-urea aqueous solution [J]. Science of Advanced Materials, 2010, 2(2):210-214.

[48] FU L H, LIU Y J, MA M G, et al. Microwave-assisted hydrothermal synthesis of cellulose/hydroxyapatite nanocomposites [J]. Polymers, 2016, 8(9):316.

[49] FU L H, MA M G, BIAN J, et al. Research on the formation mechanism of composites from lignocelluloses and CaCO3[J]. Materials Science amp; Engineering C, 2014, 44:216-224.

[50] FU L H, XIE Y M, BIAN J, et al. Microwave-assisted rapid synthesis of lignocellulose/hydroxyapatite nanocomposites [J]. Materials Letters, 2015, 159:51-53.

[51] SADAT-SHOJAI M, KHORASANI M T, DINPANAH-KHOSHDARGI E, et al. Synthesis methods for nanosized hydroxyapatite with diverse structures[J]. Acta Biomaterialia, 2013, 9(8):7591-7621.

[52] LUKASHEVA N V, TOLMACHEV D A. Cellulose nanofibrils and mechanism of their mineralization in biomimetic synthesis of hydroxyapatite/native bacterial cellulose nanocomposites molecular dynamics simulations [J]. Langmuir, 2016, 32(1):125-134.

[53] KWAK D H, LEE E J, KIM D J. Bioactivity of cellulose acetate/hydroxyapatite nanoparticle composite fiber by an electro-spinning process [J]. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2014, 14(11):8464-8471.

[54] FAVI P M, OSPINA S P, KACHOLE M, et al. Preparation and characterization of biodegradable nano hydroxyapatite-bacterial cellulose composites with well-defined honeycomb pore arrays for bone tissue engineering applications [J]. Cellulose, 2016, 23(2):1263-1282.

[56] RAMANI D, SASTRY T P. Bacterial cellulose-reinforced hydroxyapatite functionalized graphene oxide:a potential osteoinductive composite [J]. Cellulose, 2014, 21(5):3585-3595.

[57] PARK M, LEE D, SHIN S, et al. Effect of negatively charged cellulose nanofibers on the dispersion of hydroxyapatite nanoparticles for scaffolds in bone tissue engineering [J]. Collids and Surfaces B:Biointerfaces, 2015, 130:222-228.

[58] LAN T, SHAO Z Q, WANG J Q, et al. Fabrication of hydroxyapatite nanoparticles decorated cellulose triacetate nanofibers for protein adsorption by coaxial electrospinning [J]. Chemical Engineering Journal, 2015, 260:818-825.

[59] MA M G, ZHU J F, JIA N, et al. Rapid microwave-assisted synthesis and characterization of cellulose-hydroxyapatite nanocomposites in N,N-dimethylacetamide solvent [J]. Carbohydrate Research, 2010, 345(8):1046-1050.

[60] HE M, CHO B, WON J M. Effect of precipitated calcium carbonate-cellulose nanofibrils composite filler on paper properties [J]. Carbohydrate Polymers, 2016, 136:820-825.

[61] SHEN J, SONG Z Q, QIAN X R, et al. Carboxymethyl cellulose/alum modified precipitated calcium carbonate fillers:Preparation and their use in papermaking [J]. Carbohydrate Polymers, 2010, 81(3):545-553.

[62] CHONG K Y, CHIA C H, ZAKARIA S, et al. CaCO3-decorated cellulose aerogel for removal of Congo Red from aqueous solution [J]. Cellulose, 2015, 22(4):2683-2691.

[63] CACICEDO M L, CESCA K, BOSIO V E, et al. Self-assembly of carrageenin-CaCO3hybrid microparticles on bacterial cellulose films for doxorubicin sustained delivery[J]. Journal of Applied Biomedicine, 2015, 13(3):239-248.

[64] LIU L, HE D, WANG G S, et al. Bioinspired crystallization of CaCO3coatings on electrospun cellulose acetate fiber scaffolds and corresponding CaCO3microtube networks [J]. Langmuir, 2011, 27(11):7199-7206.

[65] KAUSHIK M, MOORES A. Review:nanocelluloses as versatile supports for metal nanoparticles and their applications in catalysis [J]. Green Chemistry, 2016, 18(3):622-637.

[66] SURESHKUMAR M, SISWANTO D Y, LEE C K. Magnetic antimicrobial nanocomposite based on bacterial cellulose and silver nanoparticles [J]. Journal of Materials Chemistry, 2010, 20(33):6948-6955.

[67] YE D D, ZHONG Z B, XU H, et al. Construction of cellulose/nanosilver sponge materials and their antibacterial activities for infected wounds healing [J]. Cellulose, 2016, 23(1):749-763.

[68] FU L H, DENG F, MA M G, et al. Green synthesis of silver nanoparticles with enhanced antibacterial activity using holocellulose as a substrate and reducing agent [J]. RSC Advances, 2016, 6(34):28140-28148.

[69] LANSDOWN A B G. Silver I:its antibacterial properties and mechanism of action [J]. Journal of Wound Care, 2002, 11(4):125-130.

[70] FENG Q L, WU J, CHEN G Q, et al. A mechanistic study of the antibacterial effect of silver ions onEscherichiacoliandStaphylococcusaureus[J]. Journal of Biomedical Materials Research, 2000, 52(4):662-668.

Researchprogressofcellulose-basedbiomedicalfunctionalcomposites

MA Mingguo, FU Lianhua, LI Yayu, WANG Bin

(College of Materials Science and Technology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China)

Cellulose-based functional composites exhibit the functional characteristics, such as light, electric, magnetic functions and catalytic properties, which have been widely applied in pulping and papermaking, fine chemical, tissue engineering, biomedical and other fields. Cellulose-based biomedical composites are typical cellulose materials, combining the advantages of both biomass and biomaterials, which have potential applications in bone repair and replacement, tissue engineering, drug delivery, gene carrier, protein adsorption, and other fields. In this review, we introduced three synthetic methods of composites including hydrothermal (solvothermal) method, microwave method and ultrasonic method, discussed the advantages and disadvantages of these three kinds of preparation methods, reviewed the research progress of cellulose-based materials, and systematically summarized cellulose-based biomedical composites such as cellulose/hydroxyapatite, cellulose/calcium carbonate, and cellulose/Ag composites. Based on our research experience, we pointed out the problems and future development of cellulose-based biomedical composites. It is expected to provide reference for the resourceful, functional, high-value, and recycling applications of biomass. In the future, it is desired to develop the manufacturing strategy for large-scale synthesis of cellulose-based functional composites, explore its synthetic mechanism, and reveal the intrinsic relationship among the cellulose, functional materials, methods and properties. It is well known that cellulose is difficult to dissolve in water or organic solvents under normal conditions because of the intra-and inter-molecular hydrogen bonds. Therefore, the development of suitable solvent for the dissolving of cellulose is of great importance for broadening and improving their industrial applications. More recently, the cellulose nanocrystal has

more attentions due to its excellent performance. It is suggested that the cellulose-based functional composites can be fabricated by using cellulose nanocrystal as matrix. Furthermore, rapid progresses are anticipated in the preparation of various cellulose-based multifunctional composites including efficient antibacterial, flame retardant, waterproof, fireproof, adsorptive, anti-counterfeiting, rapid detective and analytical functions.

cellulose; composites; functional composites; biomedical applications; preparation method

2017-07-21

2017-08-23

国家自然科学基金(21674013)；中央高校基本科研业务费专项基金(2017ZY49)。

马明国，男，教授，研究方向为纤维素功能材料。E-mail:mg_ma@bjfu. edu. cn

S216.3

A

2096-1359(2017)06-0001-09