可持续合成氨基纤维素纳米纤维：构建高性能生物材料平台的新策略

《SCIENCE ADVANCES》：Sustainable synthesis of amino-cellulose nanofibers for biomaterial platforms

本研究针对传统纤维素纳米纤维(CNF)缺乏生物功能性与壳聚糖(CTS)机械性能不足的矛盾，开发了一种绿色、可规模化的氨基纤维素纳米纤维(A-CNF)合成方法。通过羧基化及酰胺化修饰结合超声纳米纤化技术，成功制备出具有高长径比(~2200)、高氨基含量(6.18 mmol/g)的A-CNF。该材料兼具纤维素优异的机械强度、热稳定性和CTS的生物相容性、抗菌活性，其支架材料在组织工程中展现出可调控的孔径(20-540 μm)、高孔隙率(95.16-99.82%)、优异生物稳定性(>95%)及抗菌率(大肠杆菌81.8%/金黄色葡萄球菌92.3%)，为生物医学材料设计提供了新范式。

　　

随着可持续发展理念的深入，开发基于可再生资源的高性能生物材料成为研究热点。纤维素作为自然界最丰富的天然高分子，因其优异的机械强度、热稳定性和环境友好性备受关注。其衍生物纤维素纳米纤维（CNF）更以其高长径比和卓越的力学性能，在塑料替代品和生物医学材料等领域展现出巨大潜力。然而，纤维素固有的化学功能基团匮乏和结构惰性限制了其更广泛的应用，特别是难以满足生物医学领域对材料生物功能性的严苛要求。与此同时，壳聚糖（CTS）作为纤维素的阳离子类似物，虽具有优异的生物相容性、抗菌活性和可降解性，但其结晶度较低、氢键结合能力弱，导致机械强度不足，且在酸性条件下的加工特性以及较差的力学性能，限制了其在需要机械鲁棒性环境中的应用。

为解决这一矛盾，研究人员将目光投向氨基纤维素纳米纤维（A-CNF）的开发，旨在将CNF的力学强度和理化稳定性与CTS的生物功能性相结合。然而，现有的A-CNF产品普遍存在胺基含量低、长径比小、产率不高等问题，其合成路径也常面临流程复杂、成本高昂、耗时过长以及环境可持续性差等挑战。

针对上述瓶颈，发表在《SCIENCE ADVANCES》上的这项研究，提出了一种绿色、经济、可规模化的新方法，成功将可持续纤维素转化为具有高长径比、高氨基含量和高产率的A-CNF。该研究通过分子工程策略，巧妙地将羧基和氨基接枝到纤维素上，再经超声纳米纤化处理，最终获得了超细、长纤维状的A-CNF。这种新材料不仅保留了纤维素优异的机械性能和热稳定性，还引入了CTS特有的生物相容性和抗菌功能，成功构建了适用于组织工程的支架平台。

主要关键技术方法

研究以大规模生产的廉价纤维素浆粕为原料，采用由柠檬酸、氯化胆碱和水组成的低共熔溶剂（DES）进行预处理，促进纤维素剥离并提高表面羧基浓度，制得羧化纤维素。随后，使用聚乙烯亚胺（PEI）等胺类化合物，通过碳二亚胺（EDC）/N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）催化进行酰胺化反应，将氨基官能团引入。最后，通过超声处理实现纳米纤化，得到A-CNF悬浮液。技术经济分析（TEA）和生命周期评估（LCA）用于评估该合成路线的经济性与环境可持续性。生物学评估则包括使用大鼠心肌细胞（H9c2）、人乳腺癌细胞（SK-BR-3）和小鼠原代肝细胞（PHC）进行细胞毒性、增殖、粘附以及溶血率测试，并考察了材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌性能。

研究结果

A-CNF的合成

研究成功优化了A-CNF的合成工艺。当羧化纤维素与PEI以1:2的摩尔比反应时，获得的A-CNF具有最优的综合性能：平均直径约3.4纳米，最长纤维长度达8.5微米，长径比高达2200，胺基含量为6.18 mmol/g，氮含量17.14%，Zeta电位+38.66 mV，取代度（DS）为0.22，产率超过95%。该A-CNF悬浮液因带正电荷产生的静电排斥作用，可保持均匀稳定超过8个月。放大试验证明该工艺可扩展至吨级规模。

A-CNF的光谱学分析

多种光谱技术证实了氨基的成功嫁接。拉曼光谱在1500 cm^?1和1650 cm^?1处出现了分别归属于氨基（─NH₂）和酰胺基（─CONH─）的新吸收峰。X射线光电子能谱（XPS）显示A-CNF的碳、氮、氧含量分别为66.1%、16.3%和17.6%，并检测到C─N─C和C─N键。傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示了伯胺的N─H伸缩振动以及羧酸盐C=O峰的消失。X射线衍射（XRD）证实改性后纤维素I晶型得以保持。固态¹³C核磁共振（NMR）谱图显示了羧基向酰胺键的转化以及PEI接枝带来的特征碳信号。

A-CNF支架的结构与物理性质

通过调节A-CNF的固含量（1-10 wt%），可精确调控支架的孔径（20-540 μm）、比表面积（SSA，17.84-22.51 m²/g）、孔隙率（95.16-99.82%）和密度（0.016-0.177 g/cm³）。微计算机断层扫描（Micro-CT）显示A-CNF支架具有发达的孔隙连通性，显著优于CTS支架。A-CNF支架还表现出优异的水分管理能力（吸水率1324-7122，保水率652-3528）、生物稳定性（7天后仍>95%，远优于12小时即完全降解的CTS支架）和热稳定性（最大热降解温度356.8°C）。其抗菌率对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌分别达到81.8%和92.3%。力学性能方面，支架的压缩强度（0.3-8.6 MPa）和杨氏模量（0.003-0.51 MPa）可通过固含量调节，覆盖了从软组织到硬组织的广泛模量需求。

A-CNF支架的生物学特性

溶血测试表明A-CNF支架的溶血率仅为0.68%，远低于5%的安全阈值，血液相容性优异。细胞计数试剂盒-8（CCK-8）和免疫荧光测试显示，A-CNF支架对H9c2、SK-BR-3和PHC细胞均具有较低的细胞抑制率和高于110%的细胞活力，促进了细胞生长。研究表明，支架孔径与细胞尺寸匹配对细胞粘附和增殖至关重要，A-CNF支架可提供理想的组织工程微环境。将A-CNF支架塑造成心脏、乳腺、肝脏等器官形状并接种相应细胞，可成功支持类器官培养。

结论与意义

该研究成功建立了一条绿色、可规模化的A-CNF合成路径，有效解决了可持续生物材料领域力学强度与生物功能性长期难以兼顾的矛盾。A-CNF融合了纤维素的高强度、热稳定性和氨基的生物活性优势，在保持可持续性的前提下，其综合性能达到甚至超越了部分合成高分子材料的 benchmark。阳离子氨基赋予材料内在抗菌性，纳米纤维结构增强了支架稳定性，可定制的孔结构和表面特性显著提升了细胞活性与相容性。技术经济分析和生命周期评估证实该合成路线高效且环境友好。这项工作从根本上推进了可持续高性能生物材料的设计理念，为下一代医疗器械和再生疗法奠定了材料基础。未来的研究可聚焦于A-CNF的长期体内生物相容性、降解动力学、免疫反应表征，以及通过调控氨基密度和分布来优化其生物活性应用。