综述：基于纳米纤维素和纳米甲壳素的凝胶形成机制研究

《International Journal of Biological Macromolecules》：The mechanism of gels based on nano-cellulose and nano-chitin: A review

这篇综述系统阐述了纳米纤维素（CNCs/CNFs）和纳米甲壳素（ChNCs/ChNFs）的凝胶化机制及其应用前景。通过自诱导、pH诱导、离子诱导等五种凝胶化途径（凝胶浓度0.05-10 wt%），可构建具有透明性、吸水性、凝胶强度和特定网络结构的生物凝胶，在药物递送（DOX）、染料吸附（BG 4）、油水分离和催化等领域展现巨大潜力，为生物质资源高值化利用提供创新解决方案。

　　

凝胶化途径

基于纳米纤维素（CNCs/CNFs）和纳米甲壳素（ChNCs/ChNFs）的凝胶形成依赖于纳米颗粒间相互作用的增强。自诱导凝胶化通过浓度累积实现，如硫酸水解CNCs表面硫酸半酯基团静电屏蔽后自发形成凝胶。pH诱导适用于带羧基的CNF-COO^?或氨基化ChNF-NH₃⁺，通过酸碱调节触发氢键重组。离子诱导则利用金属阳离子（如Ca²⁺）交联带电纳米纤维，而热诱导和冷冻诱导分别通过热能调控分子运动或冰晶模板法构建多孔网络。

典型特征

凝胶透明度与纳米颗粒尺寸直接相关，CNCs凝胶因均一取向可达90%透光率。吸水性受表面化学修饰影响，羧基化CNFs凝胶溶胀比可达300%。凝胶强度方面，2 wt% ChNCs离子诱导凝胶储能模量（G′）突破10 kPa，超越多数合成水凝胶。冷冻电镜显示，自组装形成的三维网络具有10-200 nm分级孔隙，比表面积经BJH法测算高达500 m²/g。

实际应用

在药物控释领域，pH响应型ChNFs凝胶可实现DOX的胃酸环境靶向释放。染料吸附实验中，带正电的ChNF-NH₃⁺凝胶对BG 4染料吸附量达800 mg/g。疏水改性CNFs凝胶用于油水分离时，通量超过5000 L/(m²·h)。催化应用中，负载钯纳米颗粒的CNCs凝胶在 Suzuki偶联反应中转化率超99%。

未来展望

当前挑战在于规模化生产中凝胶性能的精确调控，未来可探索光/磁响应型智能凝胶。通过计算机模拟预测纳米纤维自组装路径，或能突破传统试错法局限。生物降解性与长期毒理学评估将是临床转化的关键研究节点。