纖維素基複合材料及其在醫用方面的研究進展

　　農林生物質是由植物通過光合作用産生，具有可再生且再生周期短，以及可生物降解等特點。

　　農林生物質綜合開發利用有利于現代農業可持續發展，我國政府在中長期發展規劃(2006—2020年)中，将“農林生物質工程”列為重大項目之一，涵蓋農林生物質轉化為氣體、液體、固體能源以及生物基材料與化學品等領域。

　　農林生物質主要由纖維素、半纖維素及木質素組成，三者含量占總量的90%以上。利用現代科學技術将農林生物質各組分進行有效分離轉化，可以獲得新型粉體材料、膜材料、凝膠材料、半導體材料以及生物材料等一系列高附加值産品。

　　纖維素

　　纖維素是自然界含量最豐富的天然可再生多糖，具有來源廣泛、價格低廉、可再生、可降解、無毒、可衍生化等特性，是重要的生物質材料之一。基于纖維素的功能複合材料可廣泛應用于紡織、催化、食品包裝、生物醫用、水處理等領域。

　　纖維素轉化為功能複合材料，有利于開辟農林生物質利用新途徑，對實現經濟可持續發展具有重要意義。

　　纖維素複合材料

　　複合材料是指通過物理或化學的方法，将兩種或兩種以上不同性質的材料組成具有新性能的材料。所制備的複合材料不僅能保持原單一組分的部分特性，而且由于各組分之間的相互作用還可使其整體性能得到提高，并可獲得原組分不具有的特性，即“複合效應”。

　　近年來，基于纖維素的功能複合材料研究受到廣泛關注。

　　北京林業大學馬明國教授等介紹了複合材料的水熱(溶劑熱)法、微波輔助法和超聲波法等3種制備方法，簡要回顧了纖維素功能複合材料發展曆程，重點概述了纖維素基生物醫用複合材料的最新研究進展，最後結合其自身經曆，探讨了纖維素基生物醫用複合材料的發展方向，以期對以纖維素為代表的生物質材料的資源化、功能化、高值化以及循環利用提供參考。

　　1複合材料的制備方法

　　複合材料的制備方法很多，如共沉澱法、共混法、模闆法、氣相沉積法以及仿生礦化法等。這些方法各具特色，廣泛應用于複合材料的制備，極大地促進了複合材料的發展。此處将重點介紹在纖維素功能複合材料制備過程中應用到的水熱(溶劑熱)法、微波輔助法以及超聲波法的特點和局限性。

　　1.1水熱(溶劑熱)法

　　1.2微波輔助法

　　1.3超聲波法

　　2纖維素基複合材料的興起

　　纖維素是重要的生物質材料，性能優越，應用廣泛。然而，纖維素也存在如不耐化學腐蝕、強度有限等不足，限制了它的應用範圍。将纖維素與其他有機或無機材料相結合制備複合材料，不僅可以保留纖維素原有的性能，還可賦予其新的性能，極大地擴展纖維素的應用領域。近年來，纖維素功能複合材料受到廣泛關注，因其具有良好的生物相容性、生物可降解性、低毒、磁/光學/力學性能等，在纖維、催化、紡織、水處理、生物醫用等領域都具有潛在的應用前景。纖維素的分子鍊中含有大量的—OH，可以通過靜電相互作用吸附金屬離子，然後通過原位還原的方法制備出纖維素基金屬納米複合材料。纖維素亦可以與氧化物如Fe2O3、TiO2、ZnO、CuO、Mn3O4等複合制備出纖維素功能複合材料。

　　此外，纖維素還可同時與多種金屬或無機材料複合制備多元複合材料。例如納米纖維素亦可同時作為模闆和還原劑制備Fe3O4/ Ag/納米纖維素三元複合材料，并且該材料對4?硝基苯酚具有優異的催化還原性能，回收7次對4?硝基苯酚的轉化率依然可達到81.8%。此外，所制備材料對金黃色葡萄球菌具有較強的抗菌活性，有望作為循環使用的催化劑和抗菌劑應用于醫藥或環境領域。

　　3纖維素基生物醫用複合材料的發展

　　近年來，纖維素與無機材料(如Ca5(PO4(3(OH)、CaCO3、CaSiO3、Ag/AgCI等)複合制備生物醫用複合材料受到廣泛關注。将纖維素與無機材料相結合制備成複合材料，可應用于蛋白吸附、組織工程、抗菌等生物醫用領域。利用纖維素作為基體材料具有諸多優勢：基于纖維素大分子鍊的結構特點，使其具有較強的反應性和相互作用性能，因此該類材料成本低、加工工藝較簡單；纖維素本身具有良好的生物相容性及生物可降解性，因此是一種環境友好型材料；相對于膠原蛋白等高分子材料，纖維素具有優異的機械性能，可有效克服膠原蛋白等高聚物機械性能不足的缺陷。此類材料所用纖維素原料來源廣泛、價格低廉且綠色環保，生産成本低且具有很好的生物活性，因此将其開發應用于生物醫用領域将具有良好的社會和經濟效益。

　　3.1纖維素/羟基磷灰石納米複合材料

　　羟基磷灰石(Hydroxyapatite，HA)常以非化學計量比、離子取代或鈣缺位的形式存在于脊椎動物的骨骼、牙齒等硬組織中，并賦予這些硬組織必需的機械性能(如強度、硬度、韌性和穩定性等)，同時HA也是衆多鈣磷鹽在生理條件下最為穩定的結晶相。人工合成的HA由于其良好的生物活性、生物可降解性及骨傳導性，廣泛應用于骨修複和骨替代等組織工程領域、基因轉染以及藥物/蛋白輸運等領域。然而，作為一種生物材料，人工合成HA也有許多缺陷，例如彎曲強度和斷裂韌性不足從而限制其應用。骨骼或其他鈣化組織可以看作是一種由生物礦物(一種或多種鈣磷鹽，占骨骼總量的65%~70%)嵌入蛋白基質組成的天然各向異性的複合材料，另外還含有其他有機物和水分。研究人員從中受到啟發，開發出一系列以高分子聚合物為基質材料制備HA?聚合物複合材料，以期提高其機械性能和生物學性能。其中，纖維素由于其優異的機械性能、良好的生物相容性、可衍生化并且價格低廉等特性而受到廣泛的關注。近年來，科研人員在利用纖維素(或其衍生物)作為基體，通過不同方法制備纖維素/HA複合材料應用于生物醫用領域做了大量研究。該CTA?HA複合纖維對Hb表現出良好的吸附性能，其最大吸附量為176.04mg/g，遠高于CTA納米纖維的18.39mg/g。在馬明國教授此前的研究工作中，分别以木質纖維素為基體，通過水熱法在NaOH/尿素溶液中制備纖維素/含碳酸根的HA納米複合材料；以N，N?二甲基乙酰胺為溶劑，采用微波快速加熱技術制備纖維素/HA納米複合材料；通過微波水熱法制備出表面疏松多孔的木質纖維/HA納米複合材料。此外，以NaOH/尿素為溶劑，以含磷生物分子(三磷酸腺苷、磷酸肌酸和二磷酸果糖為磷源，采用微波水熱法快速制備纖維素/HA納米複合材料。通過改變磷源、微波加熱時間和溫度，可以實現對纖維素/HA納米複合材料中礦物晶體的物相、尺寸和形貌的調控，從而獲得不同形貌的HA納米結構。

　　3.2纖維素/碳酸鈣納米複合材料

　　碳酸鈣(CaCO3)不僅廣泛存在于大理石、石灰岩、白垩等岩石内，同時也是脊椎動物骨骼和牙齒、珊瑚、蛋殼、珍珠、海膽刺以及甲殼類動物外骨骼的主要無機成分。此外，CaCO3也是一種來源豐富、價格低廉、色澤好的通用填料，廣泛應用于塗料、塑料和造紙行業等。天然CaCO3具有3種無水結晶相，即方解石、文石和球霰石，在室溫和大氣環境條件下方解石的熱力學穩定性最高，而球霰石為亞穩相CaCO3，其熱力學穩定性最低，另外還有兩種含水相和一種無定形相CaCO3。除工業應用外，CaCO3也被廣泛應用于研究生物體内礦化過程，并且CaCO3具有良好的生物活性、蛋白質黏結性、細胞相容性、硬組織相容性等，在醫用領域也具有廣闊的應用前景。

　　近年來，以纖維素為基體相，CaCO3為增強相制備的纖維素/CaCO3複合材料也受到關注，所制備纖維素/CaCO3複合材料不僅可以用作紙張增強劑或吸附劑，而且在生物醫用領域也具有潛在的應用前景。從載藥之後的熒光顯微鏡照片可以觀察到，Dox在BQ膜上面均勻分散(圖2a)；将BQ膜浸泡在Carr之後再裝載藥物Dox時，由于Carr的存在可以從圖中觀察到一些熒光斑點(圖2b)；圖2c也觀察到類似的現象，但由于CaCO3的存在，導緻裝載在BC膜上的Dox較少；當BC膜中同時存在Carr和CaCO3時，Dox主要裝載于斑點中(圖2d)。紅外、共聚焦和掃描電鏡分析結果表明，采用bc/car?CaCO3複合膜裝載藥物時，Dox主要被包埋在Carr?CaCO3複合微球中，Dox裝載率約為80%，并且顯示出pH響應性釋放性能。在37℃條件下将pH從7.4降至5.8時，其釋放量從1.50μg/d增加至1.70μg/d。

　　Liu等研究了在聚丙烯酸(PAA)存在的情況下，CaCO3在靜電紡絲醋酸纖維素(CA)上的礦化行為。從SEM照片可以觀察到，PAA對CaCO3晶體的成核和生長具有重要影響，加入和不加入PAA時得到CaCO3的形貌具有顯著差異(圖3)。當溶液中不含PAA時，所得CaCO3為菱面體方解石，且可以觀察到一些CA纖維嵌入方解石中(圖3a、b)。當CaCI2溶液中含有PAA時，纖維表面變得粗糙，并且CA纖維表面由納米針聚合形成的CaCO3塗層完全包覆(圖3c、d)。從圖3c中放大的圖可以觀察到，CaCO3包覆的CA纖維直徑為1～2μm，CaCO3塗層厚度約為400nm。在PAA存在條件下，形成的CaCO3塗層并不影響CA纖維原有的形态，并且通過丙酮溶解處理後可以去除CA纖維，得到方解石CaCO3微米管。

　　在馬明國教授以前的工作中，研究了超聲波法和微波法在制備纖維素/CaCO3複合材料時對CaCO3晶體的影響。研究發現，制備方法對CaCO3晶體的物相、微觀結構、形貌、熱穩定性及生物活性具有影響。例如采用超聲波法可以得到尺寸在320～600nm的純相球霰石微球，而采用微波法則得到尺寸為0.82～1.24μm的方解石和球霰石型CaCO。此外，馬明國教授以離子液體[Bmim]CI同時作為纖維素的溶劑和微波吸收劑，通過微波快速加熱技術制備纖維素/CaCO3納米複合材料，并通過改變纖維素濃度可以制備出多面體或立方體結構的CaCO3晶體。将所制備的複合材料與人胃癌細胞(SGC?7901)共同培養48h後，大部分細胞仍然保持正常的紡錘體形态，所制備纖維素/CaCO3複合材料具有良好的細胞相容性，在生物醫用領域具有潛在的應用價值。

　　3.3纖維素/銀抗菌材料

　　衆多抗菌材料都可殺滅體内體外的有害細菌，包括金屬氧化物(如ZnO、TiO2、CuO等)、金屬硫化物、鹵化物，以及貴金屬Ag、Pd、Au、Pt等。在這些抗菌材料中，金屬銀納米顆粒(Silvernanoparticles，AgNPs)具有較大的比表面積、優異的抗菌性能且對人體細胞無毒害作用，因而被認為是最具前景的抗菌材料。迄今已發現銀及其化合物對650多種細菌都表現出很好的抗微生物活性。纖維素具有良好的生物相容性、生物可降解性且無毒害的特點，并且纖維素表面—OH形成分子内、分子間氫鍵網狀結構可有效控制AgNPs的生長從而實現AgNPs形狀和粒徑的調控。纖維素結構中含有的大量—OH，使其在水溶液中表面帶負電荷，對金屬離子具有吸附性能。此外，纖維素分子鍊的還原性末端基還可作為金屬離子的還原劑。因此，纖維素可同時作為AgNPs的基體、穩定劑和/或Ag+離子的還原劑，所制備的纖維素/Ag納米複合材料可應用于紡織、醫用、食品包裝、水處理等諸多領域。

　　最近，Ye等以NaOH/尿素為溶劑、環氧氯丙烷為交聯劑制備出纖維素水凝膠，再通過水熱和冷凍幹燥處理得到纖維素/Ag海綿材料(圖4)。抗菌研究結果表明，所制備海綿對金黃色葡萄球菌和大腸杆菌均具有優異的抗菌性能，抑菌環直徑分别為15.5～26.8mm和17.4～23.6mm。體内試驗結果發現，該海綿可以加速受感染傷口的愈合。纖維素海綿的多孔結構可以讓充足的空氣滲透，同時海綿可以有效吸附傷口滲出物，而海綿中的AgNPs能夠有效殺滅有害細菌，因此所制備纖維素/Ag海綿可作為傷口敷料用于感染傷口的愈合。在馬明國教授前期工作中，采用綜纖維素同時作為AgNPs的基體及Ag+離子的還原劑，通過水熱法一步合成綜纖維素/Ag納米複合材料。所制備複合材料中AgNPs具有球狀結構，通過控制反應條件，可以制備出不同尺寸的綜纖維素/Ag納米複合材料(圖5)。複合材料對金黃色葡萄球菌和大腸杆菌均顯示出很高的抗微生物活性，其抑菌環大小分别為13.0～16.0mm和7.5～12.0mm。

　　有文獻報道纖維素基體中AgNPs的殺菌機制為：細菌表面通常帶負電荷，AgNPs可通過靜電作用附着在細菌細胞膜的表面，阻斷細胞的通透性和呼吸功能；AgNPs釋放出Ag+離子，Ag+離子可穿透細胞膜進入細菌内，并與細菌細胞壁和細胞質中含S、P的化合物作用，影響細胞的滲透和分裂，導緻細菌死亡；Ag+離子穿透進入細菌内，與DNA中巯基蛋白作用，使DNA發生形變從而抑制細菌繁殖，并最終導緻細菌死亡。纖維素大分子鍊含有大量—OH，這些—OH不僅可通過靜電作用吸附Ag+離子，還可形成分子内、分子間氫鍵網狀結構，AgNPs被束縛在纖維素網狀結構中，從而控制Ag+離子的釋放，進而實現持續抗菌作用。

　　結論

　　目前，纖維素功能複合材料在制漿造紙、精細化工、食品包裝等領域得到廣泛的應用。綜上所述，纖維素基生物醫用複合材料結合了纖維素材料和生物材料的優點，在組織工程、生物醫藥、基因載體以及蛋白質吸附等領域具有潛在的應用價值。近年來，農林生物質資源化、功能化、高值化以及循環利用成為研究的重要方向，纖維素功能複合材料尤其是纖維素基生物醫用複合材料必須緊緊圍繞這些研究方向，以國家重大需求為導向，面向世界科技前沿，解決制約行業發展的瓶頸問題，為其應用開辟新途徑、提供新思路。今後的研究中，除了繼續進行纖維素酯化、醚化等傳統改性，拓展其合成方法和材料類型之外，有必要深入探索适合工業化生産的普适性制備策略，研究其合成機理，揭示其複合效應，明确制備方法、性能和機理三者之間的内在有機關系，集成纖維素基生物醫用複合材料的方法、材料、機理、性能以及應用，為纖維素功能複合材料的産業化應用提供理論基礎和實驗依據。以纖維素為代表的生物質，性能穩定，難以溶解于普通溶劑，尋找合适的溶劑是應用的前提。納米纖維素具有卓越的性能受到廣泛的關注，建議在纖維素類型的選擇上也适當地采用納米纖維素，将納米纖維素的特色和優點應用到功能複合材料中。基于纖維素的多功能複合材料是生物質領域的重要發展方向，建議開展具有新型高效抗菌、阻燃、吸附、防水、耐火、防僞、快速分析檢測用等多功能特種複合材料。以纖維素功能材料為前驅體，可以轉化為碳基功能材料，應用于環境修複、土壤改良以及超級電容器等領域。纖維素水凝膠可應用于實時健康監護的可穿戴應變傳感器，設計集成可導電、高彈性、自修複以及應變敏感等多功能的軟性水凝膠傳感器有望取得新的突破。