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武漢大學鄧紅兵教授團隊《Nano Lett.》：面向可持續發展未來的甲殼素/殼聚糖納米纖維 - 從層級結構調控到功能化應用

2024-09-12 來源：高分子科技

隨著全球對氣候變化和環境問題的關注日益增強，低碳材料在可持續未來中的重要性日趨凸顯。甲殼素作為一種可再生的天然高分子材料，有望成為下一代功能材料的綠色基石。受生物體內纖維在多尺度下構建層級結構并由此決定其性能的啟發，甲殼素納米纖維在環境保護、醫療健康等領域展現出廣泛的應用前景。因此，深入探討甲殼素納米纖維材料合成工藝中的環境影響，對于確保其在推動綠色發展過程中發揮關鍵作用至關重要。

近日，武漢大學鄧紅兵教授、李巍副研究員等人圍繞甲殼素/殼聚糖納米纖維，綜述了其自上而下剝離與自下而上組裝的合成技術（圖1 板塊1-6），并進一步討論了這些方法對環境的影響。此外，總結了甲殼素納米纖維在環境和醫學應用中的最新進展，并強調了結構與效能間的對應關系（圖1 板塊7-8）。最后，從原材料、結構調控、綠色制造、政策等方面提出了甲殼素納米纖維的潛在挑戰及解決方案。相關工作以“Chitin/Chitosan Nanofibers Toward a Sustainable Future: From Hierarchical Structural Regulation to Functionalization Applications”發表于《Nano Letters》。文章共同第一作者是武漢大學博士后董向陽和博士生石蕾。該研究得到國家自然科學基金委、湖北省杰出青年自然科學基金項目、中央高校基本科研業務費專項資金和CRSRI開放研究計劃的支持。

圖1 甲殼素/殼聚糖納米纖維加工技術及應用

從蝦殼中提取甲殼素對環境的負面影響主要源于大量使用酸堿、氧化劑、高能耗的機械處理和水資源消耗。完全去除礦物質和蛋白質的甲殼素纖維膜具有較高的全球變暖潛能值（GWP），而部分去除的膜則顯著降低了GWP（圖2a-c），表明在提取純度與效能間找到平衡至關重要。使用真菌代替傳統酸水解的方法雖然更環保，但尚不成熟（圖2d-e）。生物精煉廠提供了更環保的解決方案，通過綜合利用蝦殼廢料，可大幅降低GWP。此外，甲殼素納米纖維材料的成型技術也影響其可持續性。冷凍干燥的高能耗導致了較高的溫室氣體排放，通過創新技術降低生產過程的能源需求，可實現更環保的材料生產（圖2f-g）。

圖2 甲殼素/殼聚糖納米纖維材料合成過程環境影響評價

結論：本綜述回顧了甲殼素納米纖維的基本化學特性和主要加工方法。甲殼素納米纖維可通過機械研磨或化學剝離實現自上而下的分離，或通過濕法紡絲、靜電紡絲等技術自下而上組裝成納米纖維。得益于所帶正電荷，這些材料表現出廣譜抗菌性，結合纖維直徑、長徑比、孔道取向等微宏觀結構的定向調控，可以實現其在傷口敷料、組織工程、空氣凈化、油水分離、微塑料吸附等多領域的高效應用。這種分層結構調控的策略將有效促進這種獨特的陽離子多糖纖維在傳統和新興領域的綠色加工，助力走向可持續發展的未來。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c02632

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（責任編輯：xu）

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