低能电子束加工构建先进生物基纳米纤维素复合材料及其功能化研究

本综述系统阐述了低能非热电子束（E-beam）技术结合溶剂浇铸法制备功能性纳米纤维素（NC）复合薄膜的创新策略。文章重点介绍了利用柠檬酸（CA）交联和壳聚糖（CH）涂层显著提升材料力学性能与抗菌功能的研究成果，并通过ATR-FTIR、AFM、SEM等技术手段验证材料结构特性。该技术具有溶剂free、能耗低、可规模化生产（roll-to-roll）等优势，为开发可持续高性能生物基材料提供了新范式。

　　

1 引言

面对气候变化、资源稀缺和环境污染等全球性生态挑战，开发替代化石基材料的可持续解决方案已成为迫切需求。生物基材料因其可再生性、可降解性及低环境影响而备受关注，其中纳米纤维素（NC）因其高机械强度、大比表面积和可调控的化学反应性成为理想候选材料。本研究通过整合溶剂浇铸工艺与低能非热电子束（E-beam）技术，成功构建了以柠檬酸（CA）为交联剂、壳聚糖（CH）为功能涂层的纳米纤维素复合薄膜，实现了材料力学性能与生物功能的协同提升。

2 实验方法

2.1 生物功能化纳米纤维素复合薄膜的制备

通过将纤维素纳米纤丝（CNF）与纤维素纳米晶体（CNC）以9:1比例混合制备基础悬浮液，添加5%体积比的柠檬酸（CA）后采用溶剂浇铸成膜。随后利用低能电子束设备（REAMODE系统，加速电压200 keV）在5–100 kGy剂量范围内进行辐照处理。壳聚糖（CH）涂层通过湿态涂覆与电子束辅助固定化实现，最终获得NC-CA-CH复合薄膜。

2.2 材料表征技术

采用扫描电子显微镜（SEM）观察薄膜表面与截面形貌，原子力显微镜（AFM）量化表面粗糙度（Ra），ATR-FTIR光谱分析化学结构变化，力学拉伸试验评估辐照剂量对拉伸强度的效应。所有数据均通过统计学t检验（Welch校正，α=0.05）验证显著性。

2.3 生物学效应评估

依据ISO 22196标准检测薄膜对大肠杆菌（Escherichia coli）的抗菌活性，通过菌落计数法计算对数减少值。采用CellTiter-Blue（CTB）细胞活性检测试剂盒评估人角质形成细胞（HaCaT）的黏附行为与细胞毒性，荧光强度与细胞存活率呈线性相关。

3 结果与讨论

3.1 电子束辅助制备与材料特性

SEM图像显示NC-CA-CH薄膜具有23 μm基底层与2 μm厚度的均匀壳聚糖涂层，AFM证实涂层显著降低表面粗糙度。ATR-FTIR光谱在1722 cm^?1处出现CA特征吸收峰，1624 cm^?1和1565 cm^?1处证实壳聚糖酰胺键成功固定。力学测试表明：25 kGy辐照剂量下NC-CA-CH薄膜拉伸强度显著提升（p=0.0019），归因于电子束诱导的酯化交联反应与壳聚糖网络形成。

3.2 生物学相互作用研究

NC-CA-CH薄膜对大肠杆菌表现出2.04对数值的抗菌活性降低，机制与壳聚糖正电荷破坏细菌细胞膜完整性相关。HaCaT细胞实验显示涂层导致细胞形态变圆、黏附力下降及存活率降低超70%，可能与高分子量壳聚糖（310–375 kDa）诱导的炎症因子释放及凋亡通路激活有关。

4 结论

本研究证实低能电子束技术可高效实现纳米纤维素材料的绿色功能化改性。通过CA交联与CH涂层协同作用，在保持材料透明性与柔韧性的同时，显著增强力学强度与抗菌性能。该技术无需化学引发剂、溶剂及高温处理，适用于连续卷对卷（roll-to-roll）工业生产，为生物基材料在医疗包装、抗菌涂层等领域的应用提供技术支撑。

作者贡献

Nic Gürtler负责概念设计、数据采集与论文撰写；Ulla K?nig负责项目指导、资金获取与文稿审阅。

致谢

感谢Leonard K?hne在样品制备与力学测试、Andre Poremba在电子束实验操作、Olaf Zywitzki在SEM分析中的技术支持，以及Linda Steinh?u?er与Marleen Dietze在微生物学实验中的专业指导。本研究由Projekt DEAL支持开放获取出版。