纤维素纳米晶制备方法及应用研究进展

朱顺顺 木泰华 孙红男

(中国农业科学院农产品加工研究所/农业农村部农产品加工综合性重点实验室，北京 100193)

煤、石油、天然气等能源资源的短缺使得学者们更加关注可再生、可持续的生物质材料的研究。生物质材料是以可再生资源为原材料，经物理、化学和生物学等处理得到的有机高分子材料。合理开发与利用生物质材料有助于缓解能源的短缺[1]。目前可直接用于提取的生物质原料主要有纤维素、淀粉、木质素等，其中纤维素是自然界中含量最丰富的有机材料，占自然界中碳含量的50%以上，是宝贵的可再生资源。2019年我国纤维素材料产量高达21.2万吨[2]。纤维素纳米晶(cellulose nanocrystals，CNC)，是纤维素经化学法、机械法、生物等加工方法制成的至少有一维为纳米级的高分子材料。CNC可由多种来源获得，如木材、蔗渣、棉花、办公废纸、洋麻、稻壳秸秆、海藻和毛竹等。CNC的物理化学性质与其来源密切相关[3]，如，以硬木材为原材料制得CNC的长度为140～150 nm，直径为4～5 nm，结晶度为43%～65%；稻壳CNC的长度为75～100 nm，直径为15～20 nm，结晶度为78%～82%；棉花CNC的长度为70～300 nm，直径为5～11 nm，结晶度为74%～91%。近年来，CNC在生物医药、食品、光电等领域广泛应用，得益于CNC既保留了纤维素可生物降解、良好的生物相容性等原有性能，同时具有纳米材料特有的比表面积大、高结晶度等特性[4]。本文综述了CNC的制备、表征、改性方法及其近几年在食品、生物医药、环保、光电能源等领域的应用进展，分析了现今面临的挑战，并进行展望，以期为CNC的高效绿色制备及广泛应用提供理论参考。

1 CNC的制备方法

CNC通常通过酸水解、纤维素酶水解等方式破坏纤维素的无定形区，释放结晶区而制得。目前CNC的制备方法主要有酸水解法、纤维素酶水解法和四甲基哌啶氧化物(2,2,6,6-tetramethylpiperidinooxy, TEMPO)氧化法、生物合成法、离子液体溶解等，不同的制备方式及特点见表1。酸水解法分为无机酸水解、有机酸水解和低共熔溶剂等方式。低共熔溶剂(deep eutectic solvents, DES)是由氢键受体和氢键供体组合而成的两组分或三组分的混合物，可破坏纤维素内部氢键，是一种新型CNC水解方法[8]，DES也可以被高效回收。

表1 CNC的制备方法Table 1 Preparation methods of cellulose nanocrystals

2 CNC的表征方法

纳米材料的尺寸、形态和结构影响其性能，有效控制尺寸的分布及精确检测，是合理利用纳米材料的重要步骤。由于大分子结构CNC的尺寸可控性较差，难以精准表征。2014年，加拿大标准协会(Canadian Standards Association, CSA)颁布了全世界第1条与纤维素纳米材料相关的标准：CSA Z5100-14纤维素纳米材料-表征测试方法[24]，2017年第2版CSA Z5100-17[25]发布。该标准包括26种特征指标(如纯度、结晶度、形貌、尺寸、分子量、表面积、热稳定性等)的测试方法。附录进一步提出了今后修改标准时可能增加的方法[26]。2016年5月，ISO/TR 19716∶2016[27]颁布，这是国际标准化组织(International Organization for Standardization，ISO)颁布的第1条与纤维素纳米材料相关的标准。2011年纸浆和造纸工业技术协会(Technical Association of the Pulp and Paper Industry，TAPPI)根据不同特征对材料性能的影响程度，把CNC的特征分为几个等级[28]，如纤维素纳米材料最重要的特征是形貌尺寸，然后是稳定性、结晶度等，其他特征则属于次要特征[29]。目前国内外对CNC的常用表征方法见表2。

3 CNC的改性方法

CNC表面含有丰富的羟基，使得CNC具有较好的亲水性，同时也导致其难以在某些非极性介质中均匀分散，因此为了提高CNC的生物兼容性和分散性，需要对其进行表面功能化改性，拓宽其应用领域[41]。可以通过表面吸附改性即静电或吸附作用将基团吸附在CNC表面，或化学反应将CNC表面的羟基转化为羧酸、胺、醛或硫醇基团，或在其表面进行共价接枝[42]对CNC乾地改性。CNC的改性及应用见表3。

表2 CNC的表征方法Table 2 Characterization methods of cellulose nanocrystals

4 CNC的应用

4.1 生物医学

利用CNC制得的生物材料具有良好的生物兼容性和生物可降解性，而且CNC对环境和人类都是安全有益的，故在生物医药领域应用广泛。

4.1.1 纳米载药 现有的给药方式存在用药量不可控、副作用大等不足。如何做到控制释放和精准靶向给药是近几年生物医学领域的研究热点。CNC由于具有良好的生物相容性、可生物降解性等特性，可被用于负载及释放药物、活性化合物和靶细胞的转运。Suphatra等[56]制备了负载联苯苄唑的亲脂性药物，改性制备CNC为载体的稳定水包油型乳液，用于亲脂性药物的局部给药。荧光标记结果表明，该药物载体可以很好地从角质层到真皮穿透皮肤层，该载体在促进亲脂性药物渗透方面显示出巨大的潜力(图1)。田彦等[57]使用CNC与聚乙二醇发生酯化反应浓缩形成新的纳米凝胶，可提高姜黄素在水溶液中的溶解度，保持药效的持续性。

4.1.2 伤口敷料 伤口愈合是一个复杂的过程，需要有效的疗法来促进组织再生。具有愈合能力的抗微生物生物分子被固定到基质上形成伤口敷料[58]。敷料的生物相容性和吸附能力可以使得伤口渗出液被快速吸收，防止感染。伤口敷料能够提供适当的湿润环境，促进愈合，阻止细菌入侵，或者具有抑制微生物生长的抗菌活性[59]。Thomas等[60]使用海藻酸盐、芦荟、蜂蜜和CNC来制备伤口敷料。将芦荟的抗菌活性和CNC的机械性能混合在一种材料中，发挥每种生物聚合物的有益效果，而不破坏其独特的固有特性。体外细胞活力、体外抓伤和抗菌研究结果揭示了该薄膜用于伤口敷料的作用潜力。纳米复合材料具有适宜的机械强度、体内生物降解性、抗菌性能、体内止血功效、血液凝固能力，可用作促凝剂和止血剂来控制内部出血并促进伤口愈合[61]。

表3 CNC的改性方法Table 3 Modification methods of cellulose nanocrystals

图1 CNC-g-PIPP载体药物释放示意图Fig.1 Schematic diagram of CNC-g-PIPP druGCarrier release

4.1.3 人工器官组织 Lai等[62]研发的CNC壳聚糖支架能有效延长骨骼的局部固定和与壳聚糖的协同作用时间，为骨组织工程提供了一种新思路。张春亮[63]使用冻融循环和浇筑法，制备了具有良好细胞兼容性和血液兼容性的肝素功能化CNC/聚乙烯醇水凝胶人造血管，能够缓释肝素，有效抑制血栓，延长人造血管使用寿命。Torgbo等[64]评估了BC-Fe3O4-HAp纳米复合材料的物理化学特性，观察到纳米粒子均匀分布于BC基质中。通过将纳米粒子引入到BC基质中，BC的溶胀能力降低，且基质的孔隙率保持在80%。复合材料的机械性能得到改善，并与人体小梁骨的机械性能相匹配。Krishna等[65]分析了隐形眼镜形式的聚乙烯醇(PVA)-CNC复合水凝胶与HCE-2(人角膜上皮)细胞的生物相容性，证实了聚乙烯醇-CNC水凝胶对蛋白质的吸附具有亲和力，水凝胶的存在不影响角膜上皮细胞的代谢活性或完整性。聚乙烯醇-CNC水凝胶可作为眼科生物材料应用于医学领域。

4.2 光电能源材料

超级电容器是一种重要的储能设备，具有较高的功率密度、超长循环寿命等优良性能，且制造成本低[66]。CNC的高纵横比可以提高复合材料的机械性能，使得聚乙烯醇链和CNC能够有效地相互作用[67]。Lai等[68]通过双金属有机骨架的简易碳化制备了一种新型碳纳米笼。催化剂具有多碳层，宽晶格间距为0.434 nm，孔径约为10 nm，超高比表面积和丰富的氮掺杂量，电化学性能优异，可用作超级电容器的新电极材料(图2)。Phomrak等[69]制备得到以乳酸作为交联剂的薄膜，该薄膜在土壤中三个月内降解，并且表现出较强的机械性能。

图2 双金属有机框架制造N-CNC-900的方法示意图Fig.2 Schematic diagram of manufacturing N-CNC-900 with bimetallic organic frame

4.3 环保材料

有机溶剂的排放会对环境造成严重污染，目前科学家正在寻找能够有效去除和吸收水中有机溶剂和重金属的材料。改性CNC的优异性能可以提高吸附容量，减轻环境污染。Park等[70]采用原子转移自由基聚合的方法制备了聚丙烯酰肼接枝CNC，并将其应用于六价铬的吸附(图3)。多环芳烃在重复吸附-解吸循环中表现出优异的可重复使用性。张碟[71]等使用静电纺丝法，制备出热稳定性高、比表面积大的三维网状多孔互穿结构复合水凝胶，对亚甲基蓝溶液进行吸附研究。Zhang等[72]通过水解硅烷缩合制备了巯基化CNC海绵，将其作为绿色载体，用于催化炔烃硼氢化反应，负载铜的海绵显现出优良的转化率和高达99%的区域选择性。Zhang等[73]以CMC为原料，经酸水解制备CNC，并以其悬浮液为载体制备球形CNC水凝胶。对该CNC水凝胶进行接枝改性，并通过冷冻干燥得到改性气凝胶，由于存在化学吸附作用，改性气凝胶对二氧化碳的吸附量提高。

图3 多环芳烃接枝的CNC(CNC-PAH)吸附剂的制备。Fig.3 Preparation of the PAH-grafted CNC (CNC-PAH) adsorbents.

4.4 食品材料

CNC具有生物可降解特性，可与其他材料复合制备用于保鲜、抑菌的食品包装材料、抗菌薄膜、可食用薄膜等，也可以作为食品添加剂用于稳定食品中的油脂。蔡晨晨等[74]证明CNC为高聚合物，具有较高的粘结能，在低湿度条件下具有较低的透气性，可在一定程度上延长食品货架期。Yadev等[75]制备的CNC/银/海藻酸钠复合膜，其抗拉强度比纯海藻酸钠薄膜提高了39%～57%，抗紫外线和防水性能均优于海藻酸钠膜。史军华等[76]利用农林废弃物油茶果壳制备CNC复合材料。复合材料的拉伸强度提升，水蒸气透过率和氧气透过率均下降，同时可降解，实现废弃包装材料的降解回收。Zhang等[77]研究发现CNC和CNF作为优良的控释剂和稳定剂显著提高了可食用食品包装膜的抗氧化和抗菌性能(图4)。然而目前我国食品行业并未对CNC建立相关的检测方法及标准，因此，明确CNC制备工艺的具体技术参数，设定相关的检测标准，促进我国CNC产业的规范发展刻不容缓。

图4 CNC和CNF在可食性食品包装薄膜中的应用Fig.4 Application of CNCAnd CNF in edible food packaging film

5 结论与展望

在能源缺乏、环境污染严重的今天，可持续发展是科学家研究的重点。CNC具有来源广泛、可再生、生物降解性、物理化学性能优异、可改善材料的机械强度、耐热性、阻隔性能等优势，可被广泛应用在光电材料、智能材料、功能特性材料、食品保鲜材料、生物医药材料、包装材料中。目前，CNC的制备及应用存在以下问题：①纤维素原材料利用度低，资源浪费严重；②制备过程中常采用强酸水解，腐蚀性强，损害设备，废酸难以回收利用；③在制备过程中用水量大，环境污染严重，能源损耗大；④CNC的尺寸分布较宽，不稳定，影响其在生产中的应用；⑤CNC有较好的亲水性，但难以在某些非极性介质中均匀分散，影响其加工应用。因此，如何合理的利用纤维素原材料；改善CNC的制备工艺，并解决制备工艺带来的环境污染和能源消耗问题；控制CNC尺寸分布均一，提高稳定性，提高其质量及性能；研发可持续、有效的CNC功能化改性方法，制备复合材料，提高CNC的生物利用度，是今后的重点研究方向。