武漢大學(xué)鄧紅兵教授/李巍副研究員《Nano Letters》：面向可持續(xù)發(fā)展的甲殼素/殼聚糖納米纖維

隨著全球?qū)夂蜃兓铜h(huán)境問題的關(guān)注日益增強(qiáng)，低碳材料在可持續(xù)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(nèi)纖維在多尺度下構(gòu)建層級(jí)結(jié)構(gòu)并由此決定其性能的啟發(fā)，甲殼素納米纖維在環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療健康等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)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(huán)境影響，對(duì)于確保其在推動(dòng)綠色發(fā)展過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用至關(guān)重要。

近日，武漢大學(xué)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(shù)（圖1 板塊1-6），并進(jìn)一步討論了這些方法對(duì)環(huán)境的影響。此外，總結(jié)了甲殼素納米纖維在環(huán)境和醫(yī)學(xué)應(yīng)用中的最新進(jìn)展，并強(qiáng)調(diào)了結(jié)構(gòu)與效能間的對(duì)應(yīng)關(guān)系（圖1 板塊7-8）。最后，從原材料、結(jié)構(gòu)調(diào)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(zhàn)及解決方案。相關(guān)工作以“Chitin/Chitosan Nanofibers Toward a Sustainable Future: From Hierarchical Structural Regulation to Functionalization Applications”發(fā)表于《Nano Letters》。文章共同第一作者是武漢大學(xué)博士后董向陽(yáng)和博士生石蕾。該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、湖北省杰出青年自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金和CRSRI開放研究計(jì)劃的支持。

圖1 甲殼素/殼聚糖納米纖維加工技術(shù)及應(yīng)用。

從蝦殼中提取甲殼素對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響主要源于大量使用酸堿、氧化劑、高能耗的機(jī)械處理和水資源消耗。完全去除礦物質(zhì)和蛋白質(zhì)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(guān)重要。使用真菌代替?zhèn)鹘y(tǒng)酸水解的方法雖然更環(huán)保，但尚不成熟（圖2d-e）。生物精煉廠提供了更環(huán)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(shù)也影響其可持續(xù)性。冷凍干燥的高能耗導(dǎo)致了較高的溫室氣體排放，通過創(chuàng)新技術(shù)降低生產(chǎn)過程的能源需求，可實(shí)現(xiàn)更環(huán)保的材料生產(chǎn)（圖2f-g）。

圖2 甲殼素/殼聚糖納米纖維材料合成過程環(huán)境影響評(píng)價(jià)。

結(jié)論：本綜述回顧了甲殼素納米纖維的基本化學(xué)特性和主要加工方法。甲殼素納米纖維可通過機(jī)械研磨或化學(xué)剝離實(shí)現(xiàn)自上而下的分離，或通過濕法紡絲、靜電紡絲等技術(shù)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(xiàn)出廣譜抗菌性，結(jié)合纖維直徑、長(zhǎng)徑比、孔道取向等微宏觀結(jié)構(gòu)的定向調(diào)控，可以實(shí)現(xiàn)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(lǐng)域的高效應(yīng)用。這種分層結(jié)構(gòu)調(diào)控的策略將有效促進(jìn)這種獨(dú)特的陽(yáng)離子多糖纖維在傳統(tǒng)和新興領(lǐng)域的綠色加工，助力走向可持續(xù)發(fā)展的未來。

原文鏈接：

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

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