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本文综述了刺激响应性纤维素基复合材料的研究进展。涵盖其制备方法（如纤维素 / MXene、纤维素 / GO 等复合材料）、刺激响应类型（光、电、湿度等）及应用领域（可穿戴设备、生物医学等），并展望未来方向，为相关研究提供参考。
引言
智能材料能感知环境变化并做出适当反应以维持预期功能，类似人类肌肉。它包含压电聚合物、磁流变液等多种创新物质。受自然界生物适应环境变化行为的启发，如睡莲随光开合、捕蝇草捕捉昆虫等，研究人员致力于开发自主仿生致动器，将外部刺激转化为机械运动，应用于智能设备、可穿戴传感器、医疗护理和人机交互等领域。
纤维素是自然界分布最广、含量最丰富的多糖，占植物界碳含量的 50% 以上。纤维素基复合材料具有生物可降解性、可再生性和生物相容性，可用于复合材料涂层、制药、纺织等领域。纤维素的纳米级超细纤维能均匀分散并与多种材料形成纳米互连网络，例如纳米纤维素 / MXene 复合材料可用于电磁干扰屏蔽、可穿戴智能设备等。
纤维素分子链上大量的羟基（-OH）使其具有良好的化学修饰能力，通过物理和化学交联反应可赋予材料刺激响应特性。其亲水性可通过化学修饰调节，使其适用于湿度传感器或致动器；在温度变化时，纤维素结构稳定，适合用于热响应致动器。基于纤维素的材料密度低、柔韧性好，适合开发轻质可穿戴的致动器和传感器。近年来，研究重点逐渐从纤维素转向纳米纤维素，包括 CNF、CNC 和 BC 三种类型。
刺激响应性纤维素基复合材料有薄膜、纸张、织物等多种形式。纤维素薄膜可通过静电纺丝、溶液浇铸或熔融挤出等方法制备；纤维素纸张由纤维通过氢键或化学粘合剂结合形成；纤维素织物则通过纺织制造技术生产，具有高机械强度、纹理表面和结构可塑性。本文将总结不同纤维素基复合材料（如纤维素 / MXene、GO 和 CNT）的制备策略，讨论其对不同刺激源的响应特性，并介绍其应用及未来发展方向。
制备刺激响应性纤维素基复合材料的策略
自然界赋予生物体快速响应外部刺激（如环境湿度、温度和自然阳光）的能力，生物体会因刺激出现可逆变形或变色。受这些刺激响应生物体的启发，能对外部环境刺激做出反应并转化为机械能输出的智能设备备受关注。制备刺激响应性纤维素基复合材料的方法众多，不同的复合材料体系有各自独特的制备工艺。
以纤维素 / MXene 复合材料为例，MXene 具有高电导率和大比表面积，在柔性电子和储能设备等新兴领域有巨大应用潜力。其制备过程通常是将 MXene 与纤维素进行复合，通过调控两者的比例、分散方式等条件，实现复合材料性能的优化。在制备过程中，要确保 MXene 在纤维素基体中均匀分散，以充分发挥其优异性能，可采用超声分散、机械搅拌等方法增强分散效果。
纤维素 / GO 复合材料的制备则利用了 GO 的优异机械和热性能。GO 具有独特的二维结构和丰富的含氧官能团，能与纤维素通过氢键、范德华力等相互作用形成稳定的复合体系。制备时，可将 GO 分散液与纤维素溶液混合，再通过溶液浇铸、冷冻干燥等技术得到复合材料。这种复合材料结合了 GO 的高强度和纤维素的生物相容性等优点，在多个领域展现出应用前景。
纤维素 / 碳纳米管（CNT）复合材料的制备，是基于 CNT 出色的电导率。CNT 可作为增强相提高纤维素基复合材料的电学和力学性能。制备方法包括将 CNT 均匀分散在纤维素溶液中，再通过纺丝、涂覆等工艺形成复合材料。在分散 CNT 时，常需对其进行表面修饰，以改善在纤维素基体中的分散性和界面结合力 。
各种刺激类型
多数研究致力于开发能对外部刺激产生可控变形的柔性智能响应材料。刺激源包括温度、湿度、压力、电场、磁场等，下面介绍几种主要刺激源及相应的有效响应复合材料。
光刺激方面，光响应性纤维素基复合材料能在光照射下发生结构变化或产生物理化学响应。某些复合材料中引入了光敏感基团，当受到特定波长光照射时，这些基团会发生光化学反应，引发复合材料的变形或性能改变。这种光响应特性可应用于光驱动的微机电系统、智能窗户等领域，实现光控的功能调节。
电刺激时，具有导电性能的纤维素基复合材料（如含 MXene、CNT 的复合材料）在电场作用下会产生响应。施加电场后，材料内部的电荷分布改变，导致离子迁移或分子取向变化，进而引发材料的变形或电学性能改变。这类电响应复合材料可用于制备电驱动的致动器、传感器等，在柔性电子器件领域具有重要应用价值。
湿度刺激下，纤维素本身的亲水性使其对环境湿度变化敏感。通过化学修饰或与其他湿度敏感材料复合，可增强纤维素基复合材料的湿度响应性能。在湿度变化时，复合材料会吸收或释放水分，导致体积膨胀或收缩，这种特性可用于制备湿度传感器、自调节湿度的智能织物等，在环境监测和可穿戴设备领域有潜在应用。
磁刺激方面，含有磁性纳米粒子的纤维素基复合材料在磁场作用下会产生响应。磁性粒子在外加磁场影响下会发生取向变化或相互作用，带动复合材料整体产生变形或力学性能改变。此类磁响应复合材料可应用于磁控的生物医学设备、磁驱动的微机器人等领域，为生物医学和微型机器人技术发展提供新途径。
此外，还有双 / 多重刺激响应的纤维素基复合材料，它们能对多种刺激源同时做出响应。例如，同时具有光和电响应的复合材料，可在不同刺激条件下实现更复杂、多样化的功能，拓展了复合材料的应用范围，满足更多特殊场景的需求。
刺激响应性纤维素基复合材料的应用
刺激响应性纤维素基复合材料具有优异的生物相容性、对生物体无毒无害、可降解、制备过程相对简单且成本低等优点，这些特性使其在众多领域具有应用优势。通过功能设计，它能满足特定需求，实现多种功能集成。
在可穿戴设备领域，基于纤维素的材料密度低、柔韧性好，适合制备可穿戴的传感器和致动器。例如，湿度响应的纤维素基传感器可实时监测人体皮肤表面的湿度变化，为健康监测和运动服装的智能调节提供数据支持；电响应的纤维素基致动器可用于制作智能可穿戴设备的驱动部件，实现如自适应服装的变形调节等功能。
在智能织物方面，纤维素织物通过与刺激响应材料复合，可赋予织物智能特性。如光响应的纤维素织物，在不同光照条件下可改变颜色或透明度，用于制作智能变色服装；湿度响应的智能织物能根据环境湿度自动调节透气性，提高穿着舒适度，在户外服装和医疗纺织品领域有潜在应用。
能源领域，纤维素基复合材料也展现出应用潜力。例如，纤维素 / MXene 复合材料可用于制备高性能的超级电容器和电池电极材料，利用 MXene 的高电导率和大比表面积，以及纤维素的稳定性和可加工性，提升能源存储和转换效率，为可持续能源发展提供新材料选择。
在生物医学领域，复合材料的生物相容性和可降解性使其成为理想的生物医学材料。可用于制备药物缓释载体，通过刺激响应控制药物释放速率和位置；还可用于组织工程支架，模拟细胞外基质环境，促进细胞生长和组织修复。例如，温度响应的纤维素基支架在体温条件下能为细胞提供合适的生长微环境，实现组织工程的精准调控。
结论
刺激响应性纤维素基复合材料在可穿戴设备、智能织物、能源和生物医学等领域取得了显著进展。通过一些代表性例子介绍了其在这些领域的制备方法、性能和应用。在光、电、湿度等刺激下，纤维素基复合材料表现出优异性能，应用广泛。它结合了纤维素的多种优良特性和其他功能材料的优势，为各领域的技术创新提供了新的材料解决方案 。
未来展望
作为一种复合材料，纤维素比单一材料具有更好的功能，应用前景广阔。结合近期纤维素基刺激响应性复合材料的研究进展，未来研究趋势和方向如下：
- 开发制备策略：目前制备刺激响应性纤维素基复合材料的方法主要包括真空辅助等。未来需探索更绿色、高效、低成本的制备技术，以提高复合材料的性能和生产效率。例如，开发新的原位合成方法，实现功能材料在纤维素基体中的精准分布，进一步优化复合材料的性能。
- 拓展刺激响应类型和功能：继续研究新的刺激响应机制，开发对更多类型刺激响应的复合材料，如对生物分子、气体等刺激的响应。同时，探索将多种刺激响应功能集成在同一复合材料中，实现更复杂、智能的功能，以满足不同领域日益增长的需求。
- 深化应用研究：在现有应用领域，进一步优化复合材料的性能，提高其稳定性和可靠性。例如，在生物医学应用中，深入研究复合材料与生物体的相互作用机制，确保其长期安全性和有效性；在能源领域，提高复合材料在能源存储和转换过程中的效率和耐久性。此外，探索复合材料在新兴领域的应用，如人工智能与生物医学交叉领域、极端环境下的应用等，拓展其应用边界。
