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一、什么是纖維素水凝膠？

 

首先，簡單說一下纖維素水凝膠的結(jié)構(gòu)單元：纖維素是由葡萄糖組成的大分子多糖，是植物細胞壁的主要成分，無色無味，不溶于水和大部分有機溶劑。纖維素是地球儲量最豐富的天然聚合物，具有可生物降解、再生和回收等特性被廣泛應用于水凝膠、氣凝膠等領域。

 

水凝膠是能吸收、溶脹和釋放大量水和生物流體的三維親水性聚合物網(wǎng)絡，一般具有良好的抗壓能力，有良好的生物相容性和環(huán)境友好性。

 

 

圖1. 纖維素納米晶水凝膠的應用領域

 

氫鍵和范德華力的存在，使纖維素或纖維素衍生物具有親水性表面，使其可以通過氫鍵、共價鍵或離子相互作用，交聯(lián)成具有大量不同金屬、有機物和聚合物的三維網(wǎng)絡纖維素水凝膠。其可以保留大量的水或水溶液如生理溶液，而不會溶解或失去其結(jié)構(gòu)完整性，在食品工業(yè)、農(nóng)業(yè)、水凈化和生物醫(yī)學領域均有應用。

 

那么，大自然豐富的天然聚合物纖維素如何變成高性能的纖維素水凝膠呢？

 

二、纖維素水凝膠的制備方法

 

1、物理交聯(lián)

纖維素分子結(jié)構(gòu)中具有大量羥基，可通過氫鍵的形式連接成網(wǎng)絡，通過物理交聯(lián)的方式形成纖維素基水凝膠。用物理交聯(lián)法制備水凝膠時，纖維素分子鏈可通過氫鍵、離子相互作用、分子纏結(jié)或疏水相互作用等形成網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，從而構(gòu)成不被溶解的物理水凝膠。物理交聯(lián)的纖維素凝膠分子間的作用力是可逆的，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可隨物理條件的改變而破壞。物理交聯(lián)的制備方法主要有溶液交聯(lián)法和凍融法等。

 

2、化學交聯(lián)

化學合成方法被廣泛用于制備纖維素基水凝膠。一些雙功能分子被用作纖維素或其衍生物的交聯(lián)劑，以共價鍵結(jié)合不同的聚合物分子，形成三維網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)水凝膠。采用化學交聯(lián)法制備的纖維素基水凝膠，具有更穩(wěn)定的分子結(jié)構(gòu)和更好的溶脹性能，主要方法有化學引發(fā)自由基均聚或共聚法、輻射法等。

 

3、互穿聚合物網(wǎng)絡法（IPN）

互穿網(wǎng)絡聚合物（IPN）是 2 種聚合物以網(wǎng)絡形式相互貫穿而形成的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，其中至少有一種聚合物通過化學交聯(lián)，一種聚合物貫穿于另一種聚合物的網(wǎng)絡中，且 2 種聚合物間沒有形成共價鍵。采用 IPN 法制備的纖維素基水凝膠擁有雙組分網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，使其兼具大溶脹比和良好的力學性能的特性，在生物醫(yī)學組織工程、吸附和分離等領域具有良好的應用前景。

 

三、纖維素水凝膠的應用

 

纖維素作為纖維素水凝膠的前體材料，其來源廣泛，可再生成本低廉，且具有良好的生物相容性，一些纖維素水凝膠還對外界刺激的變化有反應。水凝膠在其三維網(wǎng)絡中可以膨脹和吸收水及其他水溶液，但它們不溶于水?；谝陨媳姸鄡?yōu)點，纖維素基水凝膠不僅可應用于農(nóng)業(yè)和園藝、水處理、生物醫(yī)學、藥物輸送系統(tǒng)和個人保健等，其在建筑、電力、橡膠填料等領域也有應用。

 

1、生物醫(yī)學領域

 

纖維素基水凝膠生物相容性好、細胞識別、生物可降解性以及優(yōu)異的力學穩(wěn)定性，在生物醫(yī)學應用領域（如藥物緩釋、傷口愈合、組織工程支架等）應用廣泛。

 

 

圖2. 纖維素納米晶水凝膠的合成及其在癌癥治療中的應用(x等于水凝膠中NCDs的濃度；x= 2, 4 , 6, 8 mg/mL)

 

A、組織工程

 

纖維素水凝膠含有足夠大的孔結(jié)構(gòu)和三維空間，具有強吸水保水功能和出色的生物相容性，以及與天然組織非常相似的柔韌性，其作為組織器官，可為體內(nèi)活細胞提供生存以及儲存養(yǎng)分的空間。另外，纖維素水凝膠由于其特定的結(jié)構(gòu)和性能，成為可注射型支架的首選材料，用于組織缺損部位的填充。

 

B、傷口敷料

 

水凝膠醫(yī)用敷料內(nèi)部形成了三維立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，含水量可高達96%，能夠維持傷口表面的濕潤環(huán)境。與傳統(tǒng)醫(yī)用無菌紗布等相比，不會造成傷口與包扎物發(fā)生黏連，造成傷口二次傷害。是新一代傷口敷料的理想材料。纖維素基水凝膠除了具有優(yōu)異的生物相容性和可降解性，還具有高含水量和柔軟性等特點，用作創(chuàng)面敷料材料，可減少病人傷口的疼痛，減少體液的流失，保護皮膚，防止感染，還可以讓傷口呼吸，防止結(jié)痂疤痕的形成，在治療傷口特別是燒傷方面是理想的材料。

 

 

圖3. 水凝膠纖維作為外科縫合線

 

C、藥物釋放

 

藥物制劑研究正向著高效、速效、長效、毒性小、副作用小、劑量小及生產(chǎn)方便、運輸方便、貯存方便、攜帶方便和服用方便的方向發(fā)展。纖維素基水凝膠作為一種新型的藥物緩釋載體，擁有交聯(lián)密度和孔徑可調(diào)控的多孔三維結(jié)構(gòu)，具有開放的孔隙結(jié)構(gòu)及較高的比表面積，藥物分子可以負載在其中，并可通過調(diào)節(jié)外部環(huán)境條件得以釋放，其在藥物控釋領域越來越受歡迎。

 

2、農(nóng)業(yè)用途

 

水凝膠應用于農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的各個方面：增強土壤特性（滲透性、密度、結(jié)構(gòu)、質(zhì)地、水分蒸發(fā)、過濾速率），釋放和攜帶農(nóng)用化學品，在干旱環(huán)境下幫助植物生長刺激發(fā)芽等，確保將農(nóng)用化學品平穩(wěn)連續(xù)地供應給農(nóng)作物，減輕了農(nóng)用化學品對環(huán)境的污染。纖維素基水凝膠的生物降解性和可再生性，以及無毒性和環(huán)境友好性，使其在學術和工業(yè)應用中引起了研究學者和科學家們的極大興趣。

 

 

圖4. 天然木材可作為海水淡化基板

 

3、吸附材料

 

具有豐富羥基的纖維素可用于制備具有迷人結(jié)構(gòu)和特性的超吸收性的纖維素水凝膠。纖維素超吸收性水凝膠可以吸收和保留相當于其自身質(zhì)量很多倍的液體。纖維素基水凝膠的孔隙率高、比表面積大，可引入特殊的表面官能團（如−OH、−COOH、−NH2、−SO3H），作為吸附材料，通過絡合作用去除金屬離子、通過靜電作用吸附去除有機污染物等。

 

4、醫(yī)療保健產(chǎn)品

 

纖維素是一種天然碳水化合物，其優(yōu)良的生物相容性促使了纖維素類醫(yī)療保健產(chǎn)品的大量使用。纖維素水凝膠在這些產(chǎn)品中起到了增稠劑和穩(wěn)定劑或保濕劑的作用，同時改善了產(chǎn)品的皮膚感覺。纖維素基水凝膠的高吸水性，對尿液、血液等大量分泌的液體有吸收和保留的能力，被廣泛應用于個人護理產(chǎn)品和個人安全產(chǎn)品。

 

5、智能材料

 

纖維素基水凝膠因其整體的生物相容性、細胞和小分子的高存儲容量以及凝膠- 水溶液界面處的低界面張力而應用于智能設備的制造?；诶w維素的智能材料具有獨特的特性，比如強大的機械強度和生物相容性等。纖維素與碳納米管制備的復合水凝膠，廣泛應用于導體、可穿戴電子設備、結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、智能紡織品、液體泄漏的檢測、應變傳感器、熱敏電阻、濕度或蒸汽傳感器、生物傳感器、化學傳感器、電池、能源儲存和超級電容器等。水凝膠膜還可用作響應時間短的高靈敏度pH 響應納米傳感器。

 

 

圖5. CNF基離子導電水凝膠

 

四、纖維素水凝膠的發(fā)展方向

 

1、纖維素在制備過程中分散性差，易聚集，溶劑回收成本高；

 

2、纖維素改性工藝的改進，需要超低成本且符合工廠生產(chǎn)方向發(fā)展；

 

3、纖維素凝膠的制備、改性以及應用的研究相對不足，需要從生產(chǎn)工藝等多方面考慮降低成本，使用綠色溶劑，選擇生態(tài)環(huán)保的新方法。