细菌纤维素的应用进展

细菌纤维素的应用进展（精选五篇）

细菌纤维素的应用进展 篇1

细菌纤维素(Bacterial cellulose,BC)是多种细菌新陈代谢产生的胞外天然产物[1,2,3]。BC的合成是多步的、连续的化学反应。最初的反应是细菌将葡萄糖单元组合成β-1,4-葡萄糖链,再经过在细胞表面的旋转、挤压和重排,形成了最初的纤维素束。10~100个这样的纤维素束交缠在一起,形成了透明的、尺寸约3.5nm的微细纤维[4],随后这些微细纤维聚集在一起形成了带状物[5]。这种带状物与另外一个细菌细胞缠绕在一起,形成了二维结构层,然后又与另外的结构层以氢键和范德华力结合在一起,形成了三 维网状的 微细纤维,最后在培养液中形成了凝胶状的薄层[6,7]。

BC与天然纤维有着相似的化学结构,但与天然纤维相比,BC没有半纤维素和木素等这些复杂的成分,因此BC具有高结晶度[8]、高机械强度(如拉伸强度)、高纯度[9]和高聚合度等特点[10,11,12,13]。由于其特有的结构和别致的来源,BC还具有亲水性、吸收能力强、非过敏性、易生物降解性、流变性、 灭菌性等[14]。

2细菌纤维素的应用

由于细菌纤维素特有的结构,造成它具有许多特别的性质。其在多个领域都 有充分的 应用,如生物医 药与组织 工程、食品工程、造纸等,如图1所示[11]。

2.1生物医药与组织工程

由于BC具有纳米立体结构,导致它特有的物理特性、机械特性,还有其较高的纯度、生物相容性、高弹性、无毒性、易生物降解等特点,使得人们对BC在生物医药领域的应用有着很大的兴趣,如伤口治愈[15,16]、药物传送[17]、抗菌[18]等。

Nuno等制备出BC膜,然后用甘油作为塑型剂,调节其结构、形态和膨胀等特性,得到BC-diclofenac膜。将此膜用于双氯芬酸钠(一种消炎药)经皮肤传送到体内。结果表明, 此载药膜非常均匀,并且十分柔软,有着非常高的润胀能力。 在用人体表皮细胞膜做弗朗茨细胞扩散研究中,使用了BCdiclofenac膜,结果表明此膜与市面上的传输膜对双氯芬酸钠的传输能力相似[19]。

Lin Wenchun等将制备好的BC膜冷冻干燥后浸泡在壳聚糖中,制备出Bacterial cellulose-chitosan(BC-Ch)膜,得到的BC-Ch膜没有脱水,湿度不变,拉伸强度和裂断长有所降低,但杨氏模量很高,此膜也没有细胞毒性。经过在小鼠上治愈伤口的实验表明,BC-Ch形成上皮组织和细胞重建速度更快[20]。

由此表明,BC在生物医药方面的应用非常广泛,为以后生物医药的发展开启了新的方向。BC是由菌种生物合成的具有网状结构的天然纤维[21]。在显微镜下进行观察,它的结构和胶原蛋白的纳米纤维类似[22],有很好的生物降解性、细胞定向生长性、生物相容性等特点[23]。因此它广泛地应用于移植、愈合、神经恢复等组织工程[24,25]。

Maximilian等采用葡糖醋杆菌和Matrix水储技术制备出具有超分子网状结构的小直径的水凝胶血管,其具有3层血管壁,可用这种BC血管来代替颈动脉血管[26]。

Magdalena等用石蜡微球制备具有微孔的BC支架,将MC3T3-E1骨质细胞放入此支架中生长,如图2所示。结果表明制备出了300~500μm孔径的多微孔BC支架,细胞在此BC管中生长状况和分布状况良好。因此多微孔BC管支架对以后骨的重建有着积极的影响[27]。

由此表明BC在组织工程上的应用对以后人类治疗一些疾病如癌症、眼部疾病、神经疾病等有着巨大的贡献[28]。

2.2食品

BC是由微生物生产的,没有过多的、甚至没有 化学处理,而且其纯度较天然纤维素高。不同生产方式和生产环境下,能够产生不同品种的BC。这使BC在食品中的应用有着优越的前景。其可用于 食材,也可用于 食品包装。作为食材,它可以改变食物的流变状态[29,30],可以生产低热量[31]、低胆固醇[32]的食物。Lin等用BC代替肥肉来制作鱼丸。这种特制鱼丸与普通鱼丸有着类似的口感,且避免了肥肉带来的热量。BC用于食品包装能够承受食物中所加入的抗菌剂、 防腐剂和水分等[33]。有的甚至在包装上做了抗菌效果,代替了向食物中加入抗菌剂,更加健康。Nguyena等将尼生素接到BC上,使得包装具有对抗Listeria单细胞菌和全部的好氧菌的能力,使香肠能够在更好的环境下保存,并且更加健康、环保[34]。

由此可见,BC具有生物友好性、可降解性、无毒性以及其结构的独特性,在食品方面有着可观的发展前景。

2.3电学

经研究可知,由于BC纤维素固有的机械强度和弹性,使得其可以作为传 导材料的 基层,从而增加 了传导材 料 (如PPy、PANI)的强度,形成独立的电极[35]。

BC可以大量生产于微生物发酵过程,是廉价的、可再生的天然聚合物。它的特点是杨氏模量可以达到138GPa,拉伸强度可以达到至少2GPa[36]。这些特点使BC更加适合与传导材料复合,来弥补传导材料的缺陷。由此可见,BC在电学方面有着一定的应用,如传导材料和电子设备。

Yu Wendan等将BC经过热处 理后,制备成碳 纳米颗粒,然后将Ni3S2纳米颗粒嫁接到碳纳米颗粒上,得到的复合材料表现出极高的电容密度(883F·g-1,2A·g-1),并且能表现出很好的循环稳定性。他们设计了非对称超级电容器, 此电容器正极是将CNFs外涂于有Ni3S2纳米颗粒的电极上,负极涂有CNFs。将正负电极放在2 mol·L-1的KOH电解液中,由于两个电极的协同作用,不对称表现出极强的电化学现象,在2mol·L-1的KOH电解液中,给予经过优化的非对称电容器1.7V的电压,其表现出极强的电流密度 (56.6F·g-1,1A·g-1)。同时此电容器经过2500次循环后,保留了97%的电容,有很好的、稳定的循环特性[37]。由此可见BC在电学方面也有着巨大的发展潜质。

2.4造纸

与植物纤维相比,BC的结晶度和机械强度更高,而且不含有木素、半纤维素、其他生物 聚合物以 及提取物 等,所以BC用于纸张抄造要优于植物纤维。

Sara等将BC覆盖在纸张表面,用于恢复已经老化的纤维。他们采用了两种不同的处理方法,一种方法是先制备出BC层,然后将其覆盖在纸张表面,考察纸张的恢复情况;另一种方法是直接让BC生长到纸张表面,考察纸张的恢复情况。实验结果表明:BC表现出很强的结晶度、机械强度、稳定性,同时空隙少等特点,使得BC对纸张的老化有着很好的修复功能[38]。

Hossein等对经过机械粉碎的纳米纤维(GC)所做的纸张、BC纳米纤维所做的纸张和微细纤维所抄造的纸张的一些性能进行比较,得到的3种纸张如图3所示。结果表明: BC纳米纤维纸的结晶度最高(80%),结晶的尺寸最大(6.2 nm),热稳定性最好(320 ℃),阻碍能力也较高。同时它的拉伸强度、杨氏模量 也是最大 的,分别为185 MPa和17.3 GPa[39]。因此BC用于纸张抄造有着很大的优势。

Aya等制备BC时以针的 形状生长,制备成BC纸针。 由于BC具有较强的吸收液体能力、膨胀能力、拉伸强度、药物释放能力和生物相容性等特点,因此将它应用于牙洞的治疗。结果表明:BC纸针相对于普通纸针有着更高的吸收膨胀强度,甚至在湿的时候还维持着较好的拉伸强度,表现出更好的药物释放和生物相容性[40]。

由此可见,BC抄造成的纸张相对于普通的植物纤维纸张有着很多优势,而且由于BC独特的结构,使得BC有着特殊的性能,如抗菌性、生物相容性、光学性能等。这使得BC用于特种纸的抄造有着美好的前景。

2.5材料

BC的结晶度和机械强度比木质纤维素高,使得它在许多领域有着很好的应用。但是,BC的抗氧化性、抗菌性、带电性和磁性等特性不是非常明显[41],聚合物复合膜可以改善这些缺陷并且给予它一些额外的特点。不同的合成材料和合成方法都会给予BC复合材料以不同的特性。因此BC的聚合膜材料有着非常广泛的应用[42]。

3纳米微晶纤维素

纳米微晶纤维素(CNC)是构成肉眼可见的纤维素纤维的基本结构。经过酸处理、物理机械[43]、酶处理[44,45]和氧化处理[46],将非纤维成分和纤维素的无定形区去除,得到直径为10~30nm、长为100~300nm[47]的棒状纤维结晶。CNC较普通纤维有着很多特有的性质,例如高的比表面积、高结晶度、特有的光 学性能和 极强的力 学性能等[48,49,50]。 因此CNC的应用领域也十分广泛,如增强剂[43]、阻碍膜[51]、包装材料[52]、生物医药[53]、光感材料[54]、电感材料[55]、传感器[56]和催化剂[57]等。

Cha Ruitao等用羧基化的CNC来提高纸张机械强度和PVA纤维的强度。结果表明,羧基化CNC的添加有效提高了强度。当羧基化CNC的用量为0.7%时,纸张的撕裂度和抗张强度分别达到了12.8 mN·m2/g和100.7N·m/g。 当羧基化CNC的用量达到1.0%时,PVA纤维的撕裂强度和抗张强度分别增长了67.29%和22.55%[58]。

Yu Ping等利用CNC的刚性棒状结晶的多区域手性向列结构,使得CNC具有虹彩 膜性质,并将其用 于湿度感 应器。如图4所示,当其暴露在高湿度或者含水液体中时,它将会从蓝绿色转化为红黄色。这种颜色转变是不需要加入显色剂的。颜色变化是由于CNC吸附水后内部结构发生了一定的变化,使得光折射出不同的颜色[59]。

Masuduz等将阳离子化的CNC加入到织物上,使织物表面具有亲水性,结果如图5所示,未加入CNC的织物表面很光滑,而加入CNC后,其表面布满了具有亲水性的CNC, 使得织物的亲水性能明显提高[60]。

BC是微生物发酵产生的纤维素膜,它的化学结构和微细纤维(MCC)很相似,而且纯度很高。BC制备的微米颗粒的形状比处理前的BC和MCC更加趋近于球型。这提高了MBC(Micro-bacterial cellulose)的物理强度和流变性。相对于MCC,MBC还具有较高的热稳定性、保水能力和膨胀系数[61]。这些特点都使得BC制备成CNC具有很好的特性。

相对于BC而言,CNC不仅在尺寸上较小,其力学性能、 光学性能等也相对较好。制备CNC的原料也十分广泛,有木浆[62]、棉浆[63]等天然纤 维,而且细菌 纤维素也 可制备CNC。简言之,CNC是以天然纤维、合成纤维或者细菌纤维素等纤维为原料制备出的尺寸更小的、具有一定特性的纤维素晶体,而BC是细菌经过新陈代谢形成的纤维薄膜,它的尺寸相对CNC较大,也具备一些特性。

目前,已经有一些将BC制备成CNC的研究。Marta等将BC薄膜干燥后磨成粉,以硫酸作为催化剂,BC粉末与硫酸的比例为8~10g·L-1,在50 ℃下反应,考察水解时间对BC晶须性质的影响。结果表明,水解时间越长,纤维素晶须的长度越短,结晶度较水解前更高。水解后BC晶须的热稳定性变差,但中和后BC晶须的结 晶度和热 稳定性明 显提高[64]。Johnsy等用NaOH纯化BC薄膜,再用搅拌器将其分解成微细纤维,最后用HCl将其水解成纳米微晶细菌纤维素 (BCNC)。他们用BCNC与羟丙基甲基纤维素制备成纳米复合膜材料,同时再复合上AgNPs纳米颗粒,制备出的复合膜具有强的拉伸强度和大的拉伸系数,并且亲水性降低,这种复合膜可用于食品包装上[65]。Jhon等用酒石酸酯化BCNC, 改变了BC的亲水性和热稳定性[66]。类似的BCNC应用或将其改性再应用的研究还有很多[67,68]。

4展望

BC的生产相对于植物纤维素而言需要的时间较长,这需要继续研究,寻找效率更高的菌种,改变基因,改变培养环境等。BC有着特别的性质,这使得它在多个领域有着很好的应用,但是还不够充分,需要继续探索,将其充分应用于各个领域,并且尽量做到利用率高,消耗小。BC除了拥有一些特性,还有一些缺点,这需要继续改进,使得BC的性质能够达到需要的性质特点。同时,BC在CNC领域的研究还 不多,这方面需要继续探索,发掘BC在纳米状态下还有哪些没有开发出的性质,以使其应用更加广泛。

摘要：细菌纤维素(Bacterial cellulose,BC)是由多种细菌新陈代谢的产物形成的不含木素、半纤维素以及其他抽提物的高结晶度的三维网状结构。这种结构使得BC有着一些特有的特性,如高纯度、高结晶度、较大的机械强度、高保水值、抗菌性、无毒性、生物相容性和生物降解性等,从而在多个领域有着广泛应用,如生物医药与组织工程、食品、电学、造纸、功能材料等。CNC是纤维素的纳米微晶状态,大部分CNC都是由天然植物纤维制备的。BC有着与天然植物纤维相似的结构,将BC制备成CNC,其特性又会发生一些变化,从而扩大了应用领域。

细菌纤维素的应用进展 篇2

【关键词】 纤维素酶；生物学研究；生物学应用进展

doi：10.3969/j.issn.1004—7484（x）.2012.10.659 文章编号：1004—7484（2012）—10—4174—02

纤维素酶由多种水解酶组成，既能在大自然中合成，也是我国四大工业酶种工业合成的重要组成部分，它是一种可再生的、可持续发展的酶，它的主要作用就是催化纤维素转化成葡萄糖，纤维素酶普遍存在于大自然中，很多真菌能够分泌，纤维素酶多年来也广泛的应用于我国的食品工业、制酒工业以及纺织工业中，对我国发展具有极大的促进作用。近年来，随着生物工程的发展，对于纤维素酶分离纯化、克隆以及其结构的研究已经成为人们研究的热点以及要解决的难点问题。本文主要分析了纤维素酶组分、基因结构、克隆及表达、作用机理、纤维素酶生活中应用以及进展研究。

1 纤维素酶组分

窦全林¹等对于不同真菌产生的纤维素酶性质以及种类做了研究，狭义上一般分成纤维二糖水解酶、内切葡聚糖酶以及β葡糖苷酶，内切葡聚糖酶是最初破坏纤维素链并且起作用的酶，纤维二糖水解酶经内切葡聚糖酶激活之后的酶，β葡糖苷酶可以分解纤维二糖，使之成为葡萄糖。通过三种酶的共同作用，能够成功时的纤维素分解，变成葡萄糖，三者称为完全纤维素酶系。

2 纤维素酶基因结构

真菌编码纤维素酶的基因主要在染色体上面，并且随机分布，形成基因簇，各具备自己的转录以及调节相应的单位，转录单位叫做转录终止子，但是目前纤维素酶基因结构上的主要启动因子还不是很明了，值得进行进一步研究。

3 纤维素酶克隆及表达

陈小坚等对纤维素酶克隆及表达进行了研究，纤维素酶克隆及表达主要包括获得高产菌株以及基因、选择宿主、构建表达载体、进行转化等四大阶段。首先是获得高产菌株以及基因，对微生物进行筛选，选出高产菌株，实施诱变措施进行诱变，然后是获得基因，如果已知基因序列的情况下，可以从基因组中调出，未知的情况下，可以从自然界中进行微生物分离以及培养，选择基因进行克隆。其次，真菌是比较好的表达宿主，可以达到分泌蛋白量，进行乙酰化以及糖基化，获得纤维素酶的正确表达，获得很高的蛋白产量。再者是构建表达载体，对筛选方式、转化以及表达的方式以及载体进行构建，争取能够启动强启动子，实现基因转录，提高启动子效率，表达目标蛋白，提高目标蛋白产量。最后是进行转化，主要的转化方式有氯化锂、原生质以及农杆菌等转化方式，有效提高转化率。

4 纤维素酶作用机理

陈燕勤²等对纤维素酶作用机理进行了探讨，在1954年，GiIIigan等学者提出了纤维素酶能够有效的促进纤维素酶的分解的观点，并且复合分解的效果大于单独分解的效果。此后年间，更过的学者对于這种作用进行了证明，证明方法包括电子显微镜以及多种菌种的纤维素酶的应用。随后，Faterstam等发现，纤维二糖水解酶的分解作用是一般的单组酶的两倍之多，并且分解的时候，与内切葡聚糖酶具有协同的作用，随后更多的学者证明了这种理论，目前，专家以及学者们对于这种协同作用理论也大多呈认可或者不反对状态，具体还要做进一步研究。

5 纤维素酶生活中应用

李燕红³等已经对目前纤维素酶生活中应用做了一个比较系统的研究，从1995到2005年，2005年工业上酶使用已经为1995年的三倍，主要来源为美国以及日本，这两个国家是纤维素酶应用的两大巨头，目前纤维素酶以及被广泛的应用于我国的制酒、纺织、饲料以及食品业中，并且对于我国工业起到了极大的推动作用，首先在食品工业中，一方面，主要是进行橄榄油以及果蔬汁的榨取，去除掉果汁以及蔬菜汁的沉淀物，促进谷物水分吸收，去除豆子中的豆衣，实现谷物蛋白以及淀粉的成功分离等。另一方面，纤维素酶可以用于提取纤维寡糖等可溶性糖，脱离细胞壁，取出有用的蛋白等。

其次在制酒工业中，主要有力于葡萄酒以及啤酒的制造，利用纤维素酶，能够促进水解制酒过程中葡萄汁以及大麦汁，有效的分解沉淀物，提高过滤的效率，增加酒香，提高酿酒的效率，促进酿酒业的发展。

再者是在纺织行业中，纺织行业纤维素酶的应用仍然属于比较新兴的应用，主要用于抛光以及打磨两个阶段，日常应用范围也比较广，主要是能够有效的取出衣物表面存在的碎纤维，方便家庭日常的洗涤工作，通过抛光以及打磨两个阶段，提高衣物光泽。

最后是饲料行业。这个行业我我国农业的基础，是保证满足16亿人口大国温饱的关键环节，而纤维素酶又是其中的重点问题，纤维素酶加入到饲料当中，能够起到很好的补充作用，增强动物体能，防止动物反刍事件发生。除此以外，还能通过应用在纤维素物质如去掉谷物壳等中，有效提高动物消化的效率，并且分泌相应的物质，促进动物体内的粗糙粮食得到消化以及吸收。

当前，无论是能源问题还是食品问题都是建设中要解决的重点以及难点问题，纤维素酶作为一种生物工程主要建设工业酶，其成功的提取以及应用，对于保证我国解决能源以及食品问题，促进我国农业发展有着空前意义，纤维素酶凭借其价格以及成本低廉、应用广泛、使用方便等特点，已经成为人们关注的热点话题之一，只有加强对纤维素酶组分、基因结构、克隆及表达、作用机理、纤维素酶生活中应用以及进展进行研究，才能使得各环节出现的问题得到很好的改善，促进各个环节的完善，使得纤维素酶克隆及表达顺利，实现成功的合成，并且利用纤维素酶，为我国的农业、纺织业、制酒业以及饲料行业做出贡献，随着发展的深入，扩展纤维素酶使用的范围，促进纤维素酶的发展，使其使用范围深入到我们生活的各个方面，为我们生活做出贡献。

参考文献

[1] 窦全林，陈刚.纤维素酶的研究进展及应用前景.畜牧与饲料科学，2006，27（5）：57—61.

[2] 陈燕勤，毛培宏，金湘，曾宪贤.纤维素酶及其分子生物学研究.化学与生物工程，2004，21（2）：1—4.

细菌纤维素复合材料的应用进展 篇3

1 BC复合材料

BC广泛应用于食品、造纸和医疗等领域,但由于抗氧化性、抗菌性、光透明度和抗压性能差等缺点,限制了进一步应用。BC具有天然的多孔结构,表面含有丰富的羟基,既可以充当基体也可以充当增强体。复合材料制备方法主要有原位及非原位法,制备时添加高分子聚合物[6]、金属或金属氧化物[7]、固体材料[8]以及纳米材料[9]等。笔者综述了近年来BC复合材料在各重要领域的研究进展。

2 BC复合材料的应用

2.1 化学及光催化剂

面对硝酸盐污染,Sun等[10]将BC浸泡在氯化钯、氯化铜溶液中,并用硼氢化钾原位还原金属离子,催化硝酸盐效率可达87%。用聚醚酰亚胺和丙二醇二环氧丙酯冲洗BC膜,并加热到70℃,交联可制得吸附铜、铅的复合膜,该膜还对亚甲蓝表现出良好的催化性能。

光催化应用中,将二氧化钛负载到BC上催化二硝基重氮酚废水,120min内降解率可达87.2%[11]。Weili等[7]通过原位沉淀的方法,将纳米硫化锌颗粒均匀分散在BC纤维上,降解甲基橙的活性达到92%,同时还具有光致变色特性。

利用BC孔洞作为纳米反应器,对吸附在其中的金属离子进行原位化学还原,并将其均匀地植入到纤维孔洞是近年来的研究热点。但是BC复合膜还存在催化降解过程不连续、成本较高等问题,开发转盘式反应器将会使其具有更大的应用潜力。

2.2 电池分离膜

电池中的分离膜不仅要分离阴阳极,还要为离子交换提供通道,因此需要多孔、良好机械强度及热稳定性好的材料。将BC膜浸泡在无水丙酮中,并经过热压处理制得的BC分离膜,在180℃时不会发生热收缩现象。使用紫外线诱导2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸与BC接枝聚合制得的膜,可有效屏蔽甲醇[12]。除了高聚物与BC聚合,Yang等[13]分别由硼氢化钠和甲醛还原制得的铂-BC膜燃料电池中,前者具有的催化活性是后者的163%。

碳材料的复合也是应用的热点。Kim等[14]用BC膜直接过滤碳纳米管(CNT),并将葡萄糖氧化酶固定化在复合膜上,发现葡萄糖氧化膜和BC/CNT之间有直流电子转移,保持了氧化葡萄糖的催化能力,有助于BC在燃料电池方面的应用。

这些新方法具有降低成本、节约资源和减小污染的优点,但仍存在整体能源效率低、工业化基础设施建设投入大、难度高等问题。

2.3 食品包装

近年来,用纤维素制得的包装材料受到关注。Nguyen等[15]制得的抗斯特菌的乳酸链球菌素/BC复合材料,在冷冻保存14d后仍具有杀灭作用。用原花青素作为交联剂,将广谱抗菌剂聚赖氨酸交联到BC纤维表面,交联后氨基保存下来,抑菌圈最大可达2mm。Fernandes等[16]制得透明、柔韧且具有良好机械性能的壳聚糖/BC复合材料,可使食物不宜被氧化。

BC复合材料在食品工业的应用虽取得了一些成果,但是BC生产的高成本、低产量问题,仍需要开发高产菌种以及优化发酵工艺;其次,可采用半连续生产等方式实现高效的连续生产以及实现如高流体压力静力学控制技术、分子结构控制技术以及纳米包裹技术的开发。

2.4 纺织纤维

李露明等[17]通过物理气相沉积技术制备了再生BC/氧化铝复合纤维,表面形成了致密的氧化铝包覆层,当厚度达到40nm时,复合纤维的机械强度提高了近60%,优于商用的粘胶纤维。张迎晨等[18]将BC纤维条浸入到纳米ZnO溶液制得具有发电性能的BC纤维,并可形成不同规模尺度的机械发电组件。

BC纤维用于纺织行业,不仅可以取代植物纤维素繁杂的除杂质过程,缩短纤维素生长周期,而且可以利用如枣汁废液、水果残渣[19]等工农业废弃物,不仅降低了成本,同时减少环境污染。

2.5 生物医学

2.5.1 医学敷料

银具有抗菌效果好、耐候性强等特点,直接负载银颗粒到BC上[20],或者对银盐进行还原反应植入到BC纤维间[21],可制得具有抗菌作用的Ag/BC复合材料。Yang等[22]发现银纳米颗粒含量及大小不同是由于BC膜在微观结构及晶体结构的差异。温晓晓等[23]用高碘酸钠将BC的羟基氧化成醛基,并利用醛基化合物与银氨络合物Ag(NH3)2+的反应,制得纳米银/氧化细菌纤维素复合抑菌材料,抑制细菌生长的同时不影响表皮细胞的正常增殖和分化。

除了金属颗粒,抗菌剂和高分子聚合物也可以进行复合。冻干的BC膜浸入在苯扎氯铵溶液后冷冻干燥制得的复合膜[24]抗菌性可持续24h以上。Lin等[25]制得的BC-壳聚糖膜,可用于上皮组织愈合和细胞重建。Wanna等[26]制得瓷土/BC复合材料,可作伤口愈合材料。

2.5.2 人造血管

BC合成过程的可调控性以及可塑性优点,使得在发酵过程中使用特定的模板可制备特定要求的人造血管。但是,纯BC制得的血管不能制备细小血管。Millon等[27]制得的聚乙烯醇/BC纳米复合材料可代替心血管组织,虽然机械强度比人的心脏阀门组织低,但已经是猪心脏阀门组织强度的70%;通过控制材料和工艺参数[28],可制备出各向异性的复合材料。Andrade等[29]制备了包含纤维素基质以及粘附肽的嵌合蛋白,该蛋白能够显著增加人类微血管内皮细胞对BC的吸附。

2.5.3 骨仿生材料

以羟基磷灰石(HAP)为增强体,以BC为基体制得的复合材料有利于成骨细胞的生长。Hong等[30]将BC先后浸泡在氯化钙、HAP后冷冻干燥制得复合材料。Jian等[31]利用高碘酸氧化BC成2,3-二醛基纤维素,增大用于细胞增殖的空间,有利于HAP的负载。

刘继光等[32]通过物理和化学法制得明胶/BC复合材料,物理组上细胞生长状态最好,胞体较饱满;植入体内后,材料和骨组织由纤维结缔组织构成,物理组更加致密,空隙更小。在模拟体液中可进行骨仿生材料体内降解的研究。陈艳梅等[33]将HAP/BC复合材料在磷酸缓冲盐溶液浸泡一定时间后,由于BC分子链中结合力降低,部分非结晶区内C—O—C键断裂,使得HAP颗粒逐渐溶解或脱落。

BC作为生物医用材料的潜力受到广泛关注,但由于人体内环境的特殊性与多变性,不仅需要BC复合材料拥有全面的力学稳定性以及足够的内部大孔结构作为前提,更需要在较短时间内能够被人体吸收。BC复合材料致密的三维网络结构难以使细胞向内部迁移并形成组织,同时漫长的体内降解周期也是亟需解决的问题。因此,应发展与生物医用对接的BC原位成形技术与后处理技术,并合理选择应用范围。

3 展望

细菌纤维素的应用进展 篇4

磁性纳米复合材料是指通过适当的制备方法使有机高分子与无机磁性纳米颗粒结合形成具有一定磁性及特殊结构的复合材料。磁性纳米复合材料一方面继承了基质材料的优点, 如柔软性、质量轻、耐腐蚀等;另一方面磁性纳米粒子以其独特的超顺磁性与基质材料复合后使复合材料的整体性能得到很大提高, 如增强了磁性性能、改善了力学性能、提高了热性能、增强了耐磨性、提高了成型加工性等。随着现代科学技术的发展, 磁性复合材料已不限于其原有用途。磁性纳米颗粒因具有纳米颗粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使复合材料的多种电磁特性或物理特性发生变化, 故在很多领域具有应用前景。经特殊加工制成的各种磁性纳米复合材料正越来越广泛地应用于信息储存、彩色成像、铁磁流体、细胞分选、细胞治疗 (包括细胞标记、靶向和分离等) 及可控药物载体等诸多领域[1,2,3,4]。

1 细菌纤维素

细菌纤维素 (Bacterial cellulose, BC) 是一种具有多孔结构及一定孔径分布的新型纳米生物材料。细菌纤维素 (图1) 与植物纤维素结构非常相似, 都是由葡萄糖以β-1, 4-糖苷键连接而成的高分子化合物 (图2) , 但与植物纤维素相比, 细菌纤维素具有许多独特性质:①高化学纯度和高结晶度, 没有木质素、果胶和半纤维素等伴生产物[5];②独特的超细网状纤维结构, 其宽度为30～100nm, 厚度为3～8nm, 属纳米级纤维, 是目前最细的天然纤维, 其直径仅为人工合成纤维的1/10[6];③比表面积大, 具有比针叶木浆大200倍的比表面积, 氢键结合能力强, 非常低浓度的细菌纤维素就可以很容易地粘结无机或有机粒子以及纤维[7];④极强的水结合性, 其内部有很多“孔道”, 有良好的透气、透水性能, 能吸收60～700倍于其干重的水分, 即有非凡的持水性, 同时具有高湿强度[8];⑤成膜性能良好, 干燥时细菌纤维素结合到纸页表面或成膜, 细菌纤维素膜的抗撕能力比聚乙烯膜和聚氯乙烯膜强5倍[9];⑥生物合成时性能的可调控性, 通过调节培养条件可得到化学性质有差异的细菌纤维素等[10]。

传统物理填充方法仅将磁性纳米颗粒通过物理填充进入细菌纤维素的纳米孔道, 而细菌纤维素所具有的精细三维立体网状结构、纳米级孔径使得铁离子很容易进入其多孔结构的内部, 从而可通过微纤表面大量的螯合基团作为纳米反应器, 再结合原位复合的制备方法将磁性纳米颗粒复合到膜材料中, 形成具有超顺磁性的膜材料。细菌纤维素作为一种环境友好、性能优越的纳米材料, 利用其独特的物理结构可以有效地抑制磁性纳米颗粒的团聚, 制备形貌与尺寸均一的磁性纳米颗粒, 从而获得优越的磁学性能。

2 原位复合制备原理

原位复合来源于原位结晶 (In-situ crystallization) 和原位聚合 (In-situ polymerization) 的概念, 是指材料中的第二相或增强相生成于材料的形成过程中, 它们不是在材料制备之前就有, 而是在材料制备过程中原位就地产生。原位生成的可以是金属、陶瓷或高分子等物相, 它们能以颗粒、晶须、晶板或微纤等显微组织形式存在于基体中。

细菌纤维素的超细纳米网状结构、纳米级“孔道”为金属离子 (如Fe2+、Ni2+、Zn2+等) 进入多孔结构的内部提供了通道[11], 且其孔径在纳米数量级, 大量的纳米级孔洞可作为模板使用。该模板具有高的生物适应性、良好的生物可降解性以及模板合成时性能和结构的可调控性。此外, 细菌纤维素含有的大量电负性的羟基和醚键通过正负电荷吸附将金属离子固定在细菌纤维素的纳米级微纤上[6,12], 再通过化学共沉淀、氧化还原反应等生成纳米级颗粒 (反应机理见图3) , 以该模板为基体进行复合可以控制合成具有预期特定形貌与尺寸的纳米材料, 从而得到具有优异性能的新型功能材料。

表1列出了现阶段研究较为成熟的采用原位复合法制备的细菌纤维素基纳米复合材料。制备的细菌纤维素基纳米复合材料因具有不同的功能, 可大大扩展细菌纤维素功能化的应用领域。此外, 还可以将通过原位复合制得的细菌纤维素基纳米复合材料中的细菌纤维素移除, 得到粒径分布均一、分散性好的磁性纳米颗粒, 改变或优化磁性纳米颗粒的性质。

3 磁性纳米复合膜的研究进展

细菌纤维素的超细纳米网状结构、纳米级孔径以及内部的“多重孔道”等可以有效地在超细微纤网络结构中稳定和分散易团聚的磁性纳米颗粒, 使其具有更加优异的磁学性能。Sourty等[10]在氮气保护下将细菌纤维素先浸入FeCl2·4H2O溶液, 再浸入NaOH溶液, 最后通入H2O2, 通过氧化沉淀的方法 (见式 (1) - (3) ) 成功地将纳米Fe3O4引入到细菌纤维素的精细网状结构上, 如此反复循环3～6次来增大纳米Fe3O4的复合量。从透射电镜 (TEM) 观察到所形成的纳米Fe3O4为针状或圆球的不规则形状 (图4) , 且由于Fe2+很容易被氧化成 Fe3+, 所以在反应过程中应加入少量的Fe来阻止Fe2+的氧化 (Fe3++Fe→Fe2+) 。

BC + Fe2+→ BC-Fe2+ (1)

BC-Fe2+ +2NaOH→ BC-Fe (OH) 2+2Na+ (2)

BC-Fe (OH) 2 + H2O2 →BC-Fe3O4 +H2O (3)

细菌纤维素微纤表面大量的螯合基团可作为“纳米”反应器, Vitta等[13]利用细菌纤维素所具有的精细三维立体网状结构、纳米级孔洞及表面羟基反应活性位点多等特点, 在细菌纤维素的三维网状结构中化学还原生成直径为10～60nm 的多边形/圆形镍纳米颗粒, 得到磁性纳米复合膜。室温下镍/细菌纤维素复合膜的磁滞回线明显地表现出铁磁相和超顺磁相, 这是由于在一些区域Ni的磁性受到Ni (OH) 2的影响。较小直径的Ni颗粒呈现完全的超顺磁性, 而团聚的Ni和Ni (OH) 2则呈现铁磁性。由于颗粒维数降低, 采用该方法制备的纳米Ni颗粒的居里温度为500K, 比大块的纯Ni要低得多, 且该磁性纳米复合膜可用于非生物领域的磁性印刷及生物领域的磁性组织支架。

目前利用细菌纤维素的模板效应原位复合制备出单一组分的无机纳米颗粒的相关报道较多, 但采用原位复合的方法在细菌纤维素的纳米网状结构中制备出两种不同的无机纳米颗粒赋予细菌纤维素多功能的纳米复合材料的报道还较少。Sureshkumar等[14]利用细菌纤维素的三维网状结构采用原位复合的方法先在细菌纤维素上复合了磁性纳米Fe3O4, 再利用多巴胺的自聚合作用在磁性细菌纤维素上形成一层聚多巴胺, 此后将其浸泡在AgNO3溶液中并利用聚多巴胺的强还原作用将Ag+还原成纳米Ag单质, 制备出负载纳米Fe3O4和纳米Ag的细菌纤维素膜材料。制备的磁性抗菌细菌纤维素膜材料不仅呈现出超顺磁性, 而且对革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌都呈现出良好的抗菌效果。此磁性纳米银细菌纤维素膜无需在高温下就可以达到良好的抗菌效果。他们选用聚多巴胺作为Ag+的还原剂, 节约成本、成分单一、反应条件温而且不含有毒元素, 对环境无害。由于银纳米颗粒具有微量作用效应, 即微量的银颗粒就可以抑制细菌的繁殖或具有杀菌作用, 由该方法制备的磁性抗菌细菌纤维素膜有望应用于生物医用领域。此外, 银纳米颗粒对纯化消毒水也同样有效, 有望应用于水进化及水处理领域[15]。

纳米尺寸的Fe3O4粒子表面的失配原子比例很大, 造成粒子间化学键合力、范德华力等作用强烈, 又由于Fe3O4的超顺磁性使得粒子间还存在强烈的库仑力, 这些粒子间强烈的相互作用力使得在不做任何处理的条件下制备的Fe3O4团聚严重。Fe3O4纳米粒子原始平均粒径为10～20nm, 团聚后的粒径可达50～100nm。磁性颗粒间的磁性作用导致颗粒团聚, 从而大大降低了纳米复合材料的磁性性能, 如何有效地控制颗粒团聚并提高磁性纳米颗粒的复合量成为研究热点。Olsson等[16]采用原位复合的方法制备出纳米CoFe2O4质量分数高达95%的磁性细菌纤维素膜 (图5为其制备原理示意图) , 该研究有效利用细菌纤维素的三维纳米网状结构解决了磁性纳米颗粒的团聚问题, 增大了复合材料中磁性纳米颗粒的复合量 (图6为纳米CoFe2O4质量分数为70%、80%、95%的扫描电镜图) 。该磁性细菌纤维素膜克服了无机纤维膜脆性大的缺陷, 承袭了细菌纤维素良好的力学性能, 有望作为电子设备中的传动装置, 且湿态下的该磁性细菌纤维素膜依旧保持了非凡的保水性能和高湿强度, 可以吸收超过自身干重95%的水分。此方法为工业化规模生产纳米细菌纤维素复合材料提供了有利途径。

原位复合反应常根据磁性纳米颗粒团聚的机理引入不同的条件以改善纳米粒子之间的团聚现象, 目前最主要的防止磁性纳米粒子团聚的方法有两种:一种是引入超声场的影响, 利用超声的空化效应防止纳米颗粒团聚[17,18];另一种是加入分散剂 (多为表面活性剂) , 利用分散剂的包覆作用使纳米粒子间存在位阻效应, 改善团聚现象[19], 如PEG[20]、油酸钠[9]、PVA[21]等。Mo等[22]利用超声场作用产生的空化泡在纳米Fe3O4颗粒的表面径向上会产生非线性振动, 这种非线性振动会向四周辐射球面波, 当球面波与微粒相互作用时便会引起显微涡旋。每个显微涡旋都可以实现对反应液的均匀搅拌, 从而消除反应体系的浓度不均, 使核粒同步生长, 大大改善纳米Fe3O4的团聚现象。超声的空化效应在促进晶核形成的同时也控制晶核的长大, 这为以细菌纤维素为基材原位复合分布均匀、尺寸均一的Fe3O4纳米粒子提供了可能。Xu等[23]在共沉淀体系中加入PEG, 生成的Fe3O4纳米粒子会与PEG通过氢键、偶极子的弱静电引力等产生相互吸附, 在Fe3O4纳米粒子表面形成包裹层, 使纳米粒子间形成空间位阻效应而互相排斥, 减弱了Fe3O4纳米粒子的团聚现象, 使Fe3O4纳米粒子在BC膜上的团聚现象得到改善。

Zhou等[24]以NaOH/尿素溶解再生纤维素形成的纤维素溶液为反应体, FeCl2/FeCl3的混合溶液为前驱体, 采用原位复合的方法制备出再生纤维/Fe3O4纳米复合膜。采用此方法制备的纳米Fe3O4均匀分布在再生纤维素的微孔中, 颗粒直径在32～64nm范围内, 纳米Fe3O4的含量可以到达39%, 且磁性膜具有超顺磁性, 饱和磁化强度为4.2～21.2 emu/g, 且发现随着纳米Fe3O4含量的增加, 磁性膜在水平和垂直方向上呈现明显的磁各向异性。Liu等[25]也采用NaOH/尿素溶解纤维素形成纤维素溶液后再将其制成膜, 考察了FeCl2/FeCl3前驱体混合溶液的浓度对所形成的纳米磁性γ-Fe2O3形貌及尺寸的影响。结果显示, 前驱体溶液的浓度对合成的γ-Fe2O3颗粒的形貌及尺寸几乎无影响;48nm宽、9nm厚的薄片状纳米γ-Fe2O3不规则地分布在纤维素中;合成的纳米γ-Fe2O3虽然铁磁性较弱, 但呈现出较明显的磁各向异性并提高了磁性膜的力学强度。

将磁性纳米粒子与纤维素复合制备磁性纳米纤维素复合材料, 采用造纸方法制造磁性纸, 赋予其磁响应、防伪、电磁波屏蔽等功能, 对开拓纤维素应用领域、增加纸张新品种非常重要[26]。Marchessault等[27,28,29]提出了原位复合法, 利用纤维中可进行阳离子交换的基团与亚铁离子、铁离子发生交换, 然后再通过水解和氧化, 转化为纳米级磁性γ-Fe2O3、Fe3O4或CoFe2O4, 并引入到纤维的空腔或无定形区中, 生成的磁性颗粒在纤维中所处位置受制于原来纤维中能进行阳离子交换基团的位置。该磁性材料不仅继承了基底纤维素纤维优良的韧性和强度, 并且由于复合了纳米级磁性γ-Fe2O3、Fe3O4或CoFe2O4而具有超顺磁性, 此方法可以有效调控磁性粒子尺寸及复合量。

4 应用领域与展望

利用细菌纤维素的孔径为纳米数量级、大量的纳米级孔可作为“模板”反应使用的结构特点, 采用原位复合法制备的磁性复合膜材料继承了基质细菌纤维素的优良韧性, 克服了无机纳米纤维[30,31]脆性大的缺点, 且磁性纳米粒子以其独特的超顺磁性与细菌纤维素复合后使复合材料的整体性能得到很大提高, 如改善了力学性能、提高了热性能及增强了磁学特性等。磁性纳米复合膜作为一种功能膜材料, 除了柔韧质轻、加工性能优越外还具有磁记录、磁分离、吸波等磁学特性, 在功能性记忆材料、膜分离材料、隐身材料、微波通信材料等多种军事、商业、民用领域具有重要用途。

细菌纤维素基磁性纳米复合材料具有较广阔的应用前景。一方面细菌纤维素的制备将现代生物分离纯化技术融入到传统发酵工艺中, 保证了产品的高品质和稳定性, 通过原位复合的方法可以制备出细菌纤维素基磁性纳米复合材料, 实现低成本、高附加值细菌纤维素的批量生产;另一方面细菌纤维素的精细三维立体网状结构、纳米级孔径、比表面积大、表面羟基反应活性位点多的特点可以有效控制磁性纳米颗粒的团聚, 提高磁性纳米颗粒在细菌纤维素中的分散性能, 从而使复合物的电学、磁学及热稳定性等得到较明显的改善。目前, 细菌纤维素基磁性纳米复合材料的研究热点是制备颗粒均匀分散、兼具多种功能的细菌纤维素基磁性纳米复合材料。未来磁性纳米颗粒/细菌纤维素复合材料的开发领域主要集中在磁敏传感器、磁敏开关、磁性药物靶向传递、电磁屏蔽、重金属处理等诸多方面。

摘要：细菌纤维素作为一种新型的生物纳米材料, 不同于植物纤维素, 其较高的比表面积、精细的三维纳米网状结构和表面大量的活性反应位点可以作为“模板”反应使用, 通过原位复合的方法可有效地控制、合成具有预期特定形貌与尺寸且分布均匀的磁性纳米复合材料, 从而获得良好的综合性能。从细菌纤维素作为“模板”制备功能化材料的机理出发, 归纳总结了近年来细菌纤维素基磁性材料的研究进展, 着重归纳了解决磁性膜材料的颗粒团聚问题的方法, 并展望了细菌纤维素基磁性材料的发展趋势。

纳米纤维素的应用研究进展 篇5

纳米纤维素不但具有轻质、可降解、可 再生、生物可 相容等纤维素的基本结构与性能, 还具有纳米颗粒的特性, 如巨大的比表面积、超精细结构和高透明性、高纯度、高结晶度、高强度、高杨氏模量、高反应活性等[2,3], 其性质与普通纤维素有很大差异。因此, 纳米纤维素是一种真正可 再生、性能优 越、环境友好的新型材料。本研究主要介绍了纳米纤维素在酶固定化、催化作用、生物传感和成像、医药及造纸工业 等方面的 用途, 对纳米纤维素的应用进展进行综述和展望。

1 纳米纤维素的应用

近年来, 由于纳米纤维素优越的性能, 研究人员对其在各个领域的应用表现出了极大兴趣, 使其应用范围不断拓展。

1.1 医药应用

1.1.1 药物缓释

纳晶纤维素由于其特殊的物理特性常被用 于制药行 业, 与其他药物赋形剂混合制成片剂口服药物。Roman等[4]采用纤维素纳米晶体作为药物缓释的纳米材料, 毒理研究表明, 纤维素纳米晶体对大脑微血管内皮细胞没有毒性作用, 可在定向药物缓释疗法中作为载体。

将纳米纤维素制成薄膜, 利用其优越的机械性能, 使药物缓释系统易于控 制和成型。Kolakovic等[5]通过溶出 实验来评估药物的释放, 结果表明, 药物释放持续大约3个月, 反应接近零级动力学。这说明纳米纤维素薄膜可以形成紧密的纤维网络结构来维持药物的释放。

1.1.2 抗菌剂

细菌纤维素作为一种新颖的生物医学材料因其生物相容性、高强度和高持水性引起了人们的注意, 其能保持 湿润, 有利于伤口愈合, 机械强度高, 对液、气通透性好, 与皮肤相容性好, 无刺激, 并且结构极为细密, 可用作抗菌剂[6]。

纳米纤维素与银纳米颗粒结合可制备各 种伤口敷 料, 如敷布、绷带等。王华平等[7]将氯化银和细菌 纤维素复 合制成抗菌薄膜, 这种薄膜制备简单, 可以用于抗菌包扎和萃取氯化银纳米颗粒。

1.1.3 医学移植物

由细菌纤维素制备的水凝胶是直径小于10μm高度透明的纤维素网络, 与水分子通过氢键结合而稳定。水凝 胶可被加工成不同的形式, 如球体, 薄膜和管状, 当植入到 老鼠和猪的体内, 这些移植物 不会造成 任何不利 于身体的 异物反应。 这表明细菌纤 维素对人 体不具有 显著的细 胞毒性和 基因毒性[8]。

马霞等[9]将细菌纤维素与聚乙烯醇 溶液混合, 制备了人 工硬脑膜, 其在湿态时有良好的柔韧性和弹性, 不渗水, 缝合时不撕裂不脱边, 且成本低、生产工艺简单、生产过程环保, 适合于推广。

1.1.4 组织工程

纤维素作为组织工程支架的材料具有来源 丰富、成本低 和生物相容性好等优势, 因此受到人们关注。

由于纤维素结晶度高, 使得纤维素既不溶于水也不溶 于一般的 有机溶剂, 因此难以 通过溶液 途径制备 成多孔支 架。使用溶解性好的纤维素 衍生物作 为支架材 料是目前 最常用的方法。Verma等[10]将纤维素与高 碘酸盐反 应制备得 到二醛纤维素 (DAC) , 将其与肼反应 生成二腙 纤维, 制备膜状 和海绵状 的多孔支 架, 用于小鼠 成纤维细 胞培养, 生长动力 学和细胞相容性试验表明二腙纤维可以作为组织工程的支架。

李帅[11]通过配置血液模拟液, 将纳米纤维素膜应用于制备医学透析膜, 结果表明, 加入纳米纤维素后, 透析复合 膜的渗透性能、力学 性能、亲水性 能、抗污染性 能等都有 了明显改善。

1.2 催化作用

纳米纤维素表面纳米颗粒的沉积能使新型复合材料在不同的反应中作为非均相催化剂[12]。

如将金属纳米颗粒与纳米纤维素结合, 可用于催化反应, 这种高度分散的金属纳米颗粒能够保证底物与金属表面充分接触从 而发生反 应。Reddy等[13]研究发现, 将钯纳米 颗粒 (PdNPs) 负载于纳米纤维 素中制备 成复合物, 其可以将 苯酚催化氢化成环己酮, 且能催化苯乙烯与碘代苯的耦合反应, 这是因为NCC可以作为形成稳定PdNPs的支撑基质, 同时在催化过程中为底物的吸附和参与提供位点。

但是, 纳米纤维素的一个缺点是其热稳定性较低 (热重分析, 小于250℃时降解率为95%) [14], 这大大限制了其在高温催化反应中的应用。Wang等[15]用混合酸水解微晶纤维素得到球形纤维素纳米晶体, 采用两种方法提高其稳定性:通过脱硫作用使硫酸氢盐减少, 或者用NaOH溶液中和, 而后者显示出更高的效率。

1.3 生物应用

1.3.1 酶固定化

由于NCC大的比表面积和无孔结构, 它被用于蛋白质和酶的固定化, 纳米颗粒固 定化的酶 的作用pH和温度范 围更广, 热稳定性更强[16]。

丁玲[17]制备了PA6/PVA复合纳米纤维膜, 并将其用作酶的固定化载体, 结果表明, 固定化酶的米氏常数Km相比自由酶的明显增大, 并且固定化酶的热稳定性、重复使用稳定性和贮藏稳定性均得到提高。

纳米纤维素也可与金属纳米颗粒结合, 应用于酶 的固定化, 如负载Au纳米颗粒 (AuNPs) 的NCC能作为优良的酶固定化的载体。。

1.3.2 生物传感和生物成像

纳米纤维素表面的功能基团能与不同的生物分子结合或者作为金属纳米颗粒的结合位点, 这为其在生物传感或生物 成像中的应用提供了可能。

Liu H等[18]发现, 羧酸化纳米纤维素中的羧基和羟基可 以触发协同作用, 吸附金属阳离子和合金纳米颗粒, 阻止纳米颗粒的聚沉。他们制 备的银—钯/羧酸化纳 米纤维素 复合材料可以用作DNA杂交电检测的标记物。

由于较小的尺寸、天然的成分和亲水性表面, NCC可作为细胞内的潜在载体, 其表面羟基能与荧光剂反应形成纳米荧 光标记物, 对细胞中的纳米颗粒进行定量和检测[19]。同时, 新型纤维素基高效荧光纳米材料在生物成像领域也有越来越广泛的应用。郭延柱[20]经实验发现, 纤维素基纳米胶束可高效包载疏水性荧光染料和量子点, 包载后染料未出现明显的荧 光猝灭现象, 在室温下可稳定保存一周以上。其对小 鼠干细胞无明显生物毒性, 且可通过吞噬作用进入细胞内部, 成功实现疏水性荧光染料于水相体系中的细胞成像。

1.3.3 吸附剂

纤维素及其衍生物因来源广、价廉等特点 近来被广 泛应用于吸附金属离子、染料、油类、毒素 等。纤维素及 其衍生物 比表面积大, 不溶于水 和有机溶 剂, 且结构中 存在着大 量羟基, 故其在吸附方面具有良好的应用前景。

纤维素能吸附和清除人体内的毒素。孟舒献[21]以纤维素为载体, 开发了一系列纤维素衍生物, 用来清除慢性肾功能衰竭的3种毒素—尿素、肌酐和尿酸。结果表明, 纤维素衍生物对3种毒素的吸附能力良好, 显著降低了大鼠体内的毒素 浓度, 起到较好的治疗效果。

不仅纤维素衍生物, 纤维素基凝胶因具有 高吸水性 和可降解性, 也已被广 泛应用在 重金属吸 附、保水材料 等领域。Chin等[22]研究发现, 纤维素气凝胶能够在10min内吸收大约28倍其本身质量的石油, 且很容易通过外部磁体从水界面移除和恢复。低成本、简便性、可恢复性以及高吸油能力和效率使其在环境领域具有广阔的发展前景。

1.4 增强剂

纳米纤维素是生物高聚物增强相, 其具备质轻、力学性能优异、透光性佳等 特点, 且生物可 降解、可再生, 很低的含 量 (质量分数≤5%) 就能极大改变复合物的性能, 具有其他增强相无可比拟的优点[23]。

Alemdar等[24]将纤维素纳米纤丝加 入到淀粉 基体中, 发现纳米纤丝在处理过程中结晶度提高了35%, 降解温度提高了38%, 且能均匀地分散到淀粉基体中去, 复合物和单一淀粉塑料相比, 抗张强度和模量有很大程度的增加, 玻璃化转变温度 (Tg) 也大大提高。

对于生物基高分子和天然纤维在形成复合材料时的不相容性问题, 由纤维素可以制备单一的聚合物材料, 即自我增强复合材料, 有望得以解决。Gindl等[25]把微晶纤维素Ⅰ型和Ⅱ型按不同的比率添加到再生纤维素基体中, 制成了透明、质轻的单一纤维素纳米复合膜。高结晶度的Ⅰ型纤维素纳米微晶能使复合膜的抗张强度弹性模量显著提高, 机械性能也明显 增强。

1.5 造纸工业

纳米纤维素具有结晶度高、分子取向好、机械强度高的特点, 且比表面积大, 表面羟基丰富, 将其加入纸浆中, 其与纸浆纤维能够紧密的结合, 从而提高纸浆纤维之间的结 合力。因此, 纳米纤维素在制浆造纸中作为增强、助留、助滤剂具 有很好的发展前景[26]。

微纳米纤维素作为一种环保无污染的材料, 可与纸张 纤维相互作用, 填补纸张 表面空隙, 使得涂布 后的纸张 表面光滑, 粗糙度下降, 抗张强度和耐破强度均提高。微纳米纤维素干燥后与纸张纤维形成强烈的氢键作用, 可牢固于纸上, 且安全无毒, 能作为食品包装材料[27]。

1.6 食品工业

目前, 食品工业上应用最为广泛的是微晶纤 维素和细 菌纤维素, 其无毒无味、安全性高, 具有独特的理化性质, 且不影响产品质量, 因而越来越受到人们的重视。其可以作 为食品添加剂如乳化剂、增稠剂、泡沫稳定剂、营养强化剂[28]等, 还可制备成纤维素膜用于食品包装材料。

微晶纤维素应用于乳制 品中, 能使油—水乳 化液中的 水相被增稠和胶化, 从而防止油滴彼此间靠近乃至聚合, 起到悬浮稳定的作用。刘娟等[29]将微晶纤维素与卡拉胶复配使用加入到可可奶中, 使其稳定性提高, 达到保质6个月的要 求, 且稠度适中, 口感爽滑。

Lavoine等[30]将微晶纤维素涂布在纸上, 类似于纤维素膜模型, 并研究了咖啡因分子在水中的释放, 结果表明, 涂布了微晶纤维素后咖啡因分子的扩散和释放更为缓慢, 这为纳米纤维素膜在食品包装领域的应用提供了可能。

1.7 其他应用

此外, 纳米纤维 素在化妆 品、电化学等 方面还有 广泛应用。

由于纳米纤维素能打开气孔、穿过皮下的脂 质层和上 皮层, 清理皮肤的毛孔, 同时有很好的离子渗透性和持 水性, 故可以应用在化妆品、化妆棉、面膜中。薛虹宇等[31]将阳离子纤维素聚合物应用于发用产品中, 结果表明, 阳离子纤维素可在角质层形成透气性强的保护薄膜, 大大减轻由于阴离子表面活性剂侵蚀皮肤而对皮肤造成的刺激损伤。

Samsudin等[32]将羧甲基纤维素作为质子导电生物聚合物电解质应用于制造可充电的质子电池, 其在室温下的离子电导率最高可达1.12×10-4S·cm-1。这项研究表明了衍生化纤维素作为电解质在电化学装置中的潜在应用亟待人们的开发。

2 展望

作为一种具有重要物化性质的新型材料, 纳米纤维 素在很多领域都有广泛的应用。纳米纤维素的表面功能化可能是未来几年的研究焦点。纳米纤维素与金属纳米颗粒结合生产 复合材料, 可以作为具有特殊酶装载量和催化效率的酶载体, 也可以携带特异性抗原和标记的荧光量子点。而功能化不仅能增强纳米纤维素在靶向药物输送中作为载体的作用, 在医学成像定位肿瘤或细菌细胞中也能发挥更大的作用, 可以预见, 未来纳米纤维素在生物和医药领域的发展无疑会是一个热点。