納米纖維素材料成為研究熱門——近一個月該材料頻繁出現在頂刊上

【引言】

納米纖維素是一類具有高機械性能的可再生高縱橫比納米粒子，其表面具有化學反應基團可以官能化。在努力開發可持續的高級功能材料時，納米纖維素最近引起了廣泛的關注。納米纖維素的范圍從棒狀的高結晶度纖維素納米晶體到更長，更糾纏的纖維素納米纖維，之前也被稱為微纖化纖維素和細菌纖維素。近年來，推動了廣泛應用的研究，從納米復合材料，粘度調節劑，薄膜，阻隔層，纖維，結構色，凝膠，氣凝膠和泡沫以及能源應用到過濾膜等等，在材料方面已成為科學和技術領域的重點領域。我們列舉近一個月納米纖維素在頂刊發表的優質文章，梳理該材料近期的研究進展。

1. 瑞典皇家理工學院Monica Ek（ACS Sustainable Chemistry & Engineering）：通過生物精煉方法從樹皮中分離納米纖維素，可用作多種材料

納米纖維素的生產處于不斷發展的狀態，重點在于降低生產成本以及將不同的官能團引入纖維素結構中。草酸纖維素（COX）是通過使纖維素纖維與熔融的草酸二水合物反應而制得的，而草酸二水合物在102°C時相對較低的熔點使得無溶劑反應成為可能，并使該方法成為其他方法的綠色替代品。可以通過草酸纖維素分離納米纖維素用于從木材中漂白的牛皮紙漿和溶解漿，其中大部分木質素，半纖維素和雜質被去除。而在林產品工業中生產木漿和材料時，也會產生大量副產品，尤其是樹皮。合理利用樹皮，將可以使效益變得更加好。

瑞典皇家理工學院Monica Ek應用生物精煉概念，使用丙酮和加壓熱水萃取方法實現挪威云杉樹皮成分的萃取，接著通過溫和的過乙酸處理使樹皮脫木質素，然后在無溶劑的反應中生成草酸纖維素，最后分離出納米纖維素。在萃取和分離過程中對其化學成分和熱性能進行了監測，結果表明，草酸纖維素的收率為82%，取代度為0.3，表面電荷為1.53 mmol g^-1。分離的納米纖維素是棒狀納米晶體和納米纖維的混合物。最后，對分離得到的納米纖維素進行了初步的熱分析，顯示出了良好的性能。納米纖維素的形態和熱學性質使其成為一種很有前途的材料。該材料來自可再生資源，是化石基材料的可持續替代產品。草酸纖維素及其衍生的納米纖維素可以用作納米復合材料，透明薄膜或化妝品中的增強劑。

?參考文獻：Rietzler B and Ek M. Adding Value to Spruce Bark by the Isolation of Nanocellulose in a Biorefinery Concept. ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2021.

2. 馬來西亞石油大學Muhammad Moniruzzaman（ACS Sustainable Chemistry & Engineering）：綜述——離子液體作為生物資源加工納米纖維素的可持續平臺

在過去的幾十年中，尋找與石油來源環境友好和可持續的替代化學品和材料的需求越來越顯得重要。納米纖維素（NC）是天然纖維素的一種產品或提取物，存在于多種資源中，例如植物，動物和細菌。目前NC可以根據其大小和加工方法分為三類：纖維素納米晶體（CNC），納米原纖化纖維素（NFC）和細菌納米纖維素（BNC）。但是，高能耗，低收率以及與使用高濃度酸和其他化學品有關的健康和環境危害是這些方法的主要缺點。而且，酸水解嚴重惡化了納米纖維素的熱完整性，這對于納米復合材料的制造是不利的。為了解決上述局限性，研究人員將注意力集中在利用離子液體（ILs）作為NC生產中潛在的溶劑，溶脹劑和催化劑。

馬來西亞石油大學Muhammad Moniruzzaman重點介紹了離子液體輔助的最新技術發展，該技術已成功地用于包括纖維素生物質在內的生物資源的納米纖維素加工。從可再生資源中進行NC萃取時，使用離子液體（ILs）作為具有出色組合化學多樣性和獨特性能的出色化合物，涵蓋了12種綠色化學原理中的至少2個關鍵元素。同時，IL也可以誘導高結晶度和高產量的超薄納米纖維素纖維的提取。同時，IL介導的NC的潛在發展可以建立在基于咪唑的IL上。在使用IL賦予NC纖維以新功能并開辟新途徑和市場的過程中，正在取得重大進展。進而進一步探索IL的新興方面，例如源自低成本可再生原料的納米IL，再加上新穎的回收技術，將使得IL有望用于大規模NC處理。

?參考文獻：Haron GAS, Mahmood H, Noh MH, Alam MZ and Moniruzzaman M. Ionic Liquids as a Sustainable Platform for Nanocellulose Processing from Bioresources: Overview and Current Status. ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2021.

3. 廣西大學黃崇杏（Materials Today）：綜述——纖維素納米晶體材料結構彩色顯示的最新進展

結構色，也稱為物理色，是由沒有任何顏料的純物理結構產生的顏色。常規彩色顯示器在使用染料或顏料通過選擇性地吸收和反射光產生典型顏色，而結構顏色通過光散射，衍射和干涉有序的結構周期性產生的。與使用染料或顏料的方法相比，結構色的生產具有多個優點，包括將光源轉換為顏色的高效效率，環境友好性以及如果材料的結構沒有損壞或變形的情況下仍能保持穩定的長期顏色。纖維素納米晶體（CNC）對環境無害，并且源自植物，細菌或被膜。CNC控制器是紡錘狀納米級材料的獨特性質，例如高強度，高比表面積，高的熱穩定性，光透過性，生物降解性，生物相容性和自組裝能力。在結構彩色顯示有良好的前景。

廣西大學黃崇杏總結了納米纖維素膜的制備中涉及的各種因素對結構顏色，納米纖維素膜對環境因素的顏色響應以及纖維素納米材料在顯色領域中的結構設計的影響。描述了近年來納米纖維素材料的結構著色領域的進展。最后，討論了在納米纖維素材料結構顏色方面預期的未來發展。隨著越來越多的國家開始禁止使用一次性塑料，作為可生物降解替代品的纖維素基材料將成為更廣泛研究的主題，而纖維素納米材料的結構顏色將成為各種應用中的關鍵參數之一。

參考文獻：Xu C, Huang C and Huang H. Recent advances in structural color display of cellulose nanocrystal materials. Applied Materials Today 2021;22:100912.

4. 東京大學Tsuguyuki Saito（ACS Nano）：機械強度高，可擴展的中孔納米纖維素干凝膠，具有透光性，隔熱性和火焰自熄性

可伸縮性是納米級顆粒分散體結構化中的普遍挑戰，特別是在干燥這些分散體以生產功能性多孔結構（如氣凝膠）時。但是氣凝膠的生產依賴于超臨界干燥，使得表現出較差的可擴展性。解決此可擴展性限制的方法是在環境壓力下使用蒸發干燥。然而，包含納米級顆粒的濕凝膠的蒸發干燥伴隨著強大的毛細作用力。因此，生產具有氣凝膠特定結構特征（例如中尺度孔，高孔隙率和高比表面積（SSA））的蒸發干燥凝膠或“干凝膠”具有挑戰性。

東京大學Tsuguyuki Saito報道了具有杰出的機械強度，適度的透光性，隔熱性和自熄功能的單塊納米纖維素（CNF）干凝膠。這種干凝膠是通過精細的CNF的納米結構工程獲得的，其寬度為2-3 nm。通過TEMPO-氧化制備CNF，使得單個CNF的表面以高密度位置選擇地羧化。結果表明CNF干凝膠的多功能性，具有出色的強度（壓縮E = 170 MPa，σ= 10 MPa；拉伸E = 290 MPa，σ= 8 MPa），適度的透光性，隔熱性（0.06-0.07 W m^–1 K^–1），并且具有火焰自熄性能。作為干凝膠在采光和隔熱方面，在應用承重墻體構件的研究具有廣闊的前景。

參考文獻：Sakuma, W., Yamasaki, S., Fujisawa, S., et al., Mechanically Strong, Scalable, Mesoporous Xerogels of Nanocellulose Featuring Light Permeability, Thermal Insulation, and Flame Self-Extinction[J]. Acs Nano, 2021.

5. 巴西納米技術國家實驗室Juliana S. Bernardes（Carbohydrate Polymers）：通過靜電絡合法制備納米纖維素海綿能改善其機械性能

對利用生物質生產材料以發展對環境影響較小的可持續未來的興趣正在迅速增長。然而，更環保的材料面臨著與它們的內在特性相關的挑戰，這些特性在機械性能和耐水性方面與油性塑料的特性大不相同。而在水性介質中生物基組分的超分子組裝是一種有前途的策略，可以克服制備具有所需特性的材料中的某些缺點。納米纖維素是制備各種多功能生物基材料的優秀候選材料，如膜、泡沫、水凝膠和納米粒子等等。

巴西納米技術國家實驗室Juliana S. Bernardes通過簡單的靜電絡合法制備了陽離子和陰離子型納米纖維素海綿（CNF）。小角度x射線散射和低溫透射電子顯微鏡實驗表明，帶相反電荷的納米纖維素懸置是糾纏纖維團簇和網絡的混合物。這些結構之間的平衡決定了CNF在水中的膠體穩定性和流變性能。在質量成分為1:1 (約0.12 MPa)時，由懸浮體制備的海綿的壓縮模量達到最大值，并在材料中起到了加強結構的作用。除了靜電吸引外，聚類內部還可能發生氫鍵和疏水接觸，提高了陽離子泡沫的水穩定性。這些結果可為開發在水中制備無毒化學品的堅固全纖維素材料提供基礎。

參考文獻：Mariano M, Souza SF, Borges AC, do Nascimento DM and Bernardes JS. Tailoring strength of nanocellulose foams by electrostatic complexation. Carbohydrate Polymers 2021;256:117547.

6. 中國科學技術大學吳恒安（ACS Nano）：通過濕度介導的界面強化和增韌分級納米纖維素

塑料廢料和微塑料對生態環境和人類健康構成了巨大威脅。 從可持續發展的角度來看，由于納米纖維素具有可再生和可生物降解的特性，以及非凡的機械性能和可調節的表面化學性質，是極好的替代品。但是濕度會導致納米纖維素無法控制的變形和機械下降，所以通常認為它是納米纖維素基材料的一個缺點。但是，由于缺乏對納米纖維素的界面行為的深入了解，特別是在變化的相對濕度下，難以維持纖維素基材料的預期性能。

中國科學技術大學吳恒安結合了密度泛函理論（DFT）計算和MD模擬，研究了分級納米纖維素（CNC）中濕度介導的界面以及相關的多尺度變形行為。在CNC界面處捕獲的水分子和相關的氫鍵競爭觸發了滑動界面的形成以及分層納米纖維素的非彈性變形。在分子水平上詳細討論了應變硬化階段和變形機理。最后，在不同的相對濕度下進行了CNC薄膜的力學實驗，以驗證宏觀尺度上的非彈性變形行為。通過仿真和實驗表明，濕度介導的界面可以促進納米纖維素的機械增強。模擬和實驗為考慮不同濕度的納米纖維素的機械響應提供了參考，這對于通過界面設計獲得高性能纖維素基材料具有重要意義。

參考文獻：Hou Y, Guan Q-F, Xia J, Ling Z-C, He Z, Han Z-M, et al. Strengthening and Toughening Hierarchical Nanocellulose via Humidity-Mediated Interface. ACS Nano 2020.

7. 山東大學劉宏（Advanced Healthcare Materials）：納米纖維素增強羥基磷灰石納米帶膜作為干細胞多系分化平臺，用于體外仿生構建生物活性3D類固醇組織。

嚴重骨缺損的臨床治療，尤其是血管和周圍神經損傷引起的組織損傷，仍然是一個巨大的挑戰，常常導致骨不愈合和其他后遺癥。因此，支架被設計成模擬天然組織，可在下一代組織工程中使用。同時與骨骼組織工程支架相關的大多數研究都集中在成骨細胞的分化上，因為促進新的骨骼生長是骨骼再生的主要目標。羥基磷灰石（HAp）是骨骼組織的重要無機成分，已廣泛應用于骨骼再生，藥物載體系統，腫瘤治療和細胞成像等領域。細菌納米纖維素（BNC），可生物降解的材料的親水性和優異的載藥量和機械性能，已在體外在傷口愈合，藥物遞送，以及仿生組織模型的重構應用。考慮的BNC和有效成骨能力和HAP的強度的顯著的特性，兩者集成用于骨骼再生支架是一種很有前途的策略。

山東大學劉宏成功地構建了成骨/神經分化和血管生成多分化增強平臺，用于在HApNB-BNC混合膜上修復和重建仿生類骨組織的骨。在合成超過100 μm的HApNB后，將HApNB組裝到纖維素水凝膠中構建的雜化膜顯著改善了其機械性能，親水性和載藥性能，為雜化膜在組織工程中的應用奠定了堅實的基礎。而且動物實驗結果表明，HApNB-BNC生物膜具有出色的修復能力，有趣的是，裝有生長因子的平臺可通過體內骨骼，血管和神經的快速生長進一步改善骨骼修復和再生。這種增強分化的平臺策略為類骨組織提供了一種易于操作的新穎構造方法，為骨再生的臨床治療方法鋪平了道路。

參考文獻：Liu, F., Wei, B., Xu, X., Ma, B., Zhang, S., Duan, J., Kong, Y., Yang, H., Sang, Y., Wang, S., Tang, W., Liu, C., Liu, H., Nanocellulose‐Reinforced Hydroxyapatite Nanobelt Membrane as a Stem Cell Multi‐Lineage Differentiation Platform for Biomimetic Construction of Bioactive 3D Osteoid Tissue In Vitro. Adv. Healthcare Mater. 2020, 2001851.

8. 美國北卡羅來納大學Saad A.Khan（Journal of Colloid and Interface Science ）：由納米纖維素和納米甲殼質形成的締合結構具有pH響應能力，并具有可調節的流變性

生物基納米材料是一個活躍且不斷發展的研究課題，特別是納米纖維素和其類似和互補的特性的納米甲殼素。對這些材料的興趣主要由兩個因素驅動。首先，有可以增加生物基組件的利用，從而減少對環境的負面影響，如對一次性塑料的依賴、對化石燃料的依賴以及使用苛刻的溶劑和試劑。第二，這類材料由于其可調的表面化學和形貌而呈現出許多優點，使它們成為許多不同應用的誘人候選材料。因此，它們被應用于醫療用途、凈水、乳液穩定等許多領域，并取得了巨大的成功。納米纖維素和納米甲殼質都是具有互補結構和特性的生物基材料。兩者均顯示出與pH有關的表面電荷，其符號相反。因此，應該有可能在規定的pH條件下通過離子鍵形成來操縱它們以形成復雜的結構。

美國北卡羅來納大學Saad A.Khan通過在暴露于酸性或中性條件后，將納米纖維素和納米甲殼質混合，以影響其電離狀態。如何通過等溫滴定量熱法監測將納米殼多糖引入納米纖維素過程中的相互作用熱。最后通過流變學測量表征所得結構的強度和凝膠性質。發現在設計的雜化系統中得到的凝膠性質直接取決于起始材料的電荷狀態，而這可以由pH調節來決定。在不同條件下（pH，濃度，納米甲殼素與納米纖維素的比例）會影響不同的粒子間相互作用，包括離子吸引，疏水締合和物理纏結。而且中和的甲殼素與納米纖維素之間的疏水締合強烈地有助于增加彈性模量值。離子絡合物在更寬的pH條件下提供了增強的穩定性，而納米纖維素的物理纏結是所有系統中的重要增稠機理。

參考文獻：Facchine EG, Bai L, Rojas OJ and Khan SA. Associative structures formed from cellulose nanofibrils and nanochitins are pH-responsive and exhibit tunable rheology. Journal of Colloid and Interface Science 2021;588:232-241.

9. 武漢大學常春雨（ACS Nano）：綜述——納米纖維素在聚合物基質中可控排列的最新進展

為了應對全球氣候變化和塑料污染，而納米纖維素由于具有二氧化碳積累的特性，預計本世紀將被用于制造高科技材料和產品。而且可以使用各種類型的來源，例如植物，海洋動物（被膜）和細菌，通過各種提取過程（例如酸水解，機械處理，酶水解，氧化方法和離子液體處理）來衍生具有不同形態的納米纖維素。納米纖維素的低密度和高彈性模量使其成為替代傳統增強劑以制備堅固，輕巧的納米復合材料的理想選擇。納米纖維素具有很強的自聚集傾向，其填料與聚合物基體的界面相容性是獲得高性能納米復合材料的主要挑戰。

武漢大學常春雨概述了包含高度有序的納米纖維素的納米復合材料的最新進展，從其有利的結構-性質關系轉變為潛在的應用。納米纖維素在聚合物基體中的排列決定了納米復合材料的整體性能。本文綜述了三種納米纖維素排列可控的納米復合材料(取向、螺旋和梯度)，為新一代納米纖維素基功能復合材料的發展提供思路。盡管高取向納米纖維素納米復合材料的制備方法多種多樣(電場/磁場、拉伸/剪切力和模板)，但這些各向異性材料的實際應用仍具有挑戰性。此外，將螺旋狀分布的cnc整合到聚合物基體中，使得納米復合材料能夠通過顯示可逆的顏色變化，在潮濕環境或應變傳感器中具有潛在的應用前景。最后，納米纖維素梯度分布納米復合材料的設計和制備為開發新型軟致動器提供了機會。當納米纖維素不對稱地引入環境響應性聚合物基體中時，納米復合材料的膨脹和溶脹在環境刺激下可以轉化為拉伸/收縮、彎曲和旋轉等各種變形。由此，作者給出了三個建議：1.合理安排工業生產功能良好的納米纖維素是未來發展的關鍵。2.在考慮擴大生產規模時，納米纖維素的成本和質量也是重要因素。3.在未來的研究中需要仔細研究納米纖維素的命運和風險。

參考文獻：Peng N, Huang D, Gong C, Wang Y, Zhou J and Chang C. Controlled Arrangement of Nanocellulose in Polymeric Matrix: From Reinforcement to Functionality. ACS Nano 2020;14:16169-16179.

10.?芬蘭阿爾托大學Stina Gr?nqvist（ACS Sustainable Chemistry & Engineering）：酶促原纖化與溫和機械處理相結合生產高固體含量納米纖維素

人們對生物基（尤其是植物來源的）納米級材料的興趣與日俱增，這不僅是因為它們具有可替代替代化石的同類材料的可再生，可持續發展的特性，而且還因為纖維素納米原纖維具有獨特的特性，例如生物相容性和具有高強度和吸濕性的特性，使其成為在許多技術應用中得以利用的有利候選者，以及先進材料的基礎。基于植物的纖維素材料是功能材料的重要組成部分，并且已經對可持續的納米纖維素生產策略進行了深入研究。

芬蘭阿爾托大學Stina Gr?nqvist介紹了在溫和的機械攪拌下通過酶的作用產生一種新型的納米纖維素。納米纖維素的產物及相應的工藝稱為纖維素的高濃度酶纖顫，簡稱HefCel。纖維在低含水量的纖維摩擦產生剪切力，結合CBH的持續作用，通過一種剝落型反應誘導表面纖維性顫動，形成糊狀纖維網絡，收率高達85%。通過高分辨率顯微鏡成像，原纖維的尺寸和大小分布表明HefCel分級屬于微纖顫纖維素或纖維素微原纖維(CMFs)的納米纖維素類。而且原纖維的橫向寬度通常在15至20 nm之間。總的來說以更低能源消耗的方式生產高固體含量納米纖維素的方法，為納米纖維素的可持續生產提供了新的應用領域，比如在紡織、包裝和造紙上。

參考文獻：Pere J, Tammelin T, Niemi P, Lille M, Virtanen T, Penttil? PA, et al. Production of High Solid Nanocellulose by Enzyme-Aided Fibrillation Coupled with Mild Mechanical Treatment. ACS Sustainable Chemistry & Engineering 2020;8:18853-18863.

11. 東華大學洪楓（Biomacromolecules）：通過引入絲素蛋白納米顆粒和肝素用于小口徑血管移植應用，改善細菌納米纖維素導管的性能

根據世界衛生組織的年度報告，心血管疾病（CVD）仍然是造成人類死亡的主要原因。血管重建在CVD的臨床手術中占有重要地位特別是對于動脈和靜脈病變，例如嚴重的創傷，先天性畸形，血管腫瘤和支架植入后繼發的血管閉塞。用于血管重建的血管移植物可以分為生物血管移植物或合成材料移植物。管狀細菌納米纖維素（BNC）由于其獨特的特性（如細胞外基質樣3D納米原纖維網絡結構，高純度和保水性，良好的可塑性和獨特性），已被證明是用于小口徑血管移植的有前途的天然生物材料。絲素蛋白（SF）是一種可以從家蠶繭和蜘蛛絲中提取的天然纖維蛋白，由于其相當的生物相容性和可生物降解性，已被廣泛用作生物材料。肝素已在臨床上廣泛用作抗凝劑，而使用EDC / NHS交聯的肝素進行表面修飾可以在很長一段時間內顯著改善血管移植物的血液相容性。

東華大學洪楓通過將SF納米顆粒（SFNP）和肝素包埋的SFNP（SF-HepNP）乳劑從內部附著到BNC壁上，制造了兩種形式的小口徑血管移植物（BNC-SFNP和BNC-SF-HepNP）。結果表明，肝素化的BNC-Hep和BNC-SFNP-Hep導管改善了抗凝性能，BNC-SFNP-Hep在促進人臍靜脈內皮細胞增殖的同時，也控制了人動脈平滑肌細胞過度增殖，協助快速內皮化，改善管腔通暢。在皮下植入4周后未見明顯炎癥反應和物質降解，并且導管周圍可見自體組織，細胞浸潤至所有樣本邊緣，BNC-SFNP導管浸潤最深，為小口徑血管應用提供適宜的血管生成微環境。BNC-Hep和BNC-SFNP-Hep導管周圍炎癥細胞較少。因此，BNC-SFNP-Hep導管的抗凝特性及其對內皮化的刺激提示其作為小口徑人工血管在臨床應用中具有很大的潛力。

參考文獻：Bao L, Hong FF, Li G, Hu G and Chen L. Improved Performance of Bacterial Nanocellulose Conduits by the Introduction of Silk Fibroin Nanoparticles and Heparin for Small-Caliber Vascular Graft Applications. Biomacromolecules 2020.

12. 美國加利福尼亞大學Anand Bala Subramaniam（ACS Applied Materials & Interfaces）：使用納米纖維素紙來促進巨型單層囊泡的便捷和高產量組裝

巨大的單膜囊泡(GUVs)是直徑大于1μm的單壁封閉磷脂雙層膜。GUV類似于最小的生物細胞。這種相似使GUV有助于增進對膜組織，細胞骨架力學，生殖，分裂，運輸和電信號傳導等方面的理解。 此外，自下而上的合成生物學，人造組織工程和藥物輸送方面的創新為在仿生應用中使用GUV開辟了新途徑。

美國加利福尼亞大學Anand Bala Subramaniam提出了利用表面由糾纏的圓柱納米纖維組成的納米纖維素紙，來促進組裝GUVs的簡便和高產量。與現有的表面輔助組裝技術相比，納米纖維素紙的使用可使成本降低10萬倍，同時提高產量。使用大數據集共聚焦顯微鏡對產量和尺寸分布的定量測量闡明了組裝的機理。同時提出了一個熱力學發芽和合并的BNM模型，為從不同幾何和化學表面獲得的GUVs的產率和尺寸的差異提供了統一的解釋。BNM模型通過平衡表面附著膜轉變為表面附著球芽的部分的彈性、附著力和邊緣能量，考慮了芽出引起的自由能的變化。該模型表明，在與納米纖維素纖維尺寸相似的糾纏柱狀納米纖維的親水性表面上，GUVs的形成是自發的。這項工作促進了對表面性質對聚苯乙烯組裝的影響的理解。它還解決了目前阻礙GUVs作為藥物運載工具、合成細胞制造和人工組織大規模組裝的實際障礙。

參考文獻：Pazzi J and Subramaniam AB. Nanoscale Curvature Promotes High Yield Spontaneous Formation of Cell-Mimetic Giant Vesicles on Nanocellulose Paper. ACS Applied Materials & Interfaces 2020;12:56549-56561.

13. 揚州大學吳德峰（Carbohydrate Polymers）：通過調節纖維的柔韌性來調整皮氏乳劑的形態和粘彈性

隨著人們對環境問題的日益關注，生物質材料作為傳統材料或合成材料的替代材料在許多領域受到了人們的廣泛關注。納米纖維素因其豐富的可再生資源和優異的力學性能而成為最具代表性的材料。因此，這類材料在綠色復合材料和功能材料領域引起了廣泛的關注。另一個潛在的應用是制備皮克林乳液，因為納米纖維素可以滿足可持續和環境友好型粒子乳化劑的要求。這些納米纖維素更吸引人的地方是其各向異性的纖維結構，它有利于在極低的負載水平穩定油/水(O/W)界面。此外，它們的表面性質很容易通過化學修飾來調節，這為調控乳液的形態和最終性質提供了更多的可能性。因此，到目前為止，圍繞納米纖維素穩定乳劑的制備和應用進行了大量的研究。

揚州大學吳德峰以細菌纖維素(BC)、纖維素納米纖維(CNF)和纖維素納米晶(CNC)三種類型的納米纖維素為原料，制備了水包油型皮氏乳劑，探討了纖維柔韌性對乳化效果的影響。在水相懸浮液中，最短的CNC是剛性的，而最長的BC是完全柔性的，這導致了它們在稀釋到半稀釋濃度和流變滲濾液中的差異很大。因此，這些纖維素納米纖維在乳化過程中發揮著不同的作用。柔性BC幾乎沒有乳化能力，而半柔性CNF和剛性CNC可以很好地用于穩定乳液。對于CNF穩定的系統來說，消耗效應占主導地位，容易導致液滴團簇的形成，而對于CNF穩定的系統來說，排斥力作用更為重要。動態流變學進一步揭示了液滴長期結構弛豫的可見證據。這項工作提出了一些有趣的觀點，可以通過調節纖維的柔韌性來調整皮氏乳劑的形態和粘彈性。

參考文獻：Lu Y, Li J, Ge L, Xie W and Wu D. Pickering emulsion stabilized with fibrous nanocelluloses: Insight into fiber flexibility-emulsifying capacity relations. Carbohydrate Polymers 2021;255:117483.

?14.?澳大利亞蒙納士大學Gil Garnier（Biomacromolecules）：陽離子交聯納米纖維素基質用于腸道類器官的生長和恢復

水凝膠是多孔的三維結構，可以容納大量的水，同時具有一定的機械完整性。這類軟材料依賴于物理或化學交聯的纖維網絡，可以響應溫度變化， pH和輻射。水凝膠的膠體穩定性依賴于納米纖維素的纏結網絡，可以通過共價或離子交聯進一步改性。也可以將添加劑（例如氨基酸和糖）溶解在這些水凝膠中，以設計其生化特性，以實現特定水平的重量克分子滲透壓濃度和離子強度。由于其具有很大的可調性，與其生物相容性相關，因此植物基納米纖維素水凝膠是生物醫學應用的理想選擇。功能化的納米纖維素水凝膠被用于腸道類器官的生長。但是，這些凝膠的剛度與固體含量成正比，并且未評估多種交聯劑的作用及其濃度。最后，即使在短期內，在纖維素基質中生長的球體和類器官的恢復傳代，尚未深入調查。

澳大利亞蒙納士大學Gil Garnier研究陽離子交聯，以控制納米纖維素水凝膠的機械性能，以促進腸道類器官的生長和恢復。提出一個假設，即高度羧化的纖維素納米纖維可以形成功能化的基質，為類器官生長提供理想的生化和物理特性。 并評估了其對水凝膠以及類器官形成的影響。從流變學角度表征了與Ca^{2 +}和Mg^{2 +}交聯的TPON水凝膠的機械性能。在這些纖維素基質中培養類器官4天，并回收傳代和RNA提取。從鎂交聯的水凝膠中回收的細胞簇可以通過，其提取的RNA完好無損。陽離子交聯的納米纖維素水凝膠有望成為3D細胞培養系統的替代植物基基質。

參考文獻：Curvello R and Garnier G. Cationic Cross-Linked Nanocellulose-Based Matrices for the Growth and Recovery of Intestinal Organoids. Biomacromolecules 2020.

本文由春國供稿。

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