综述：从植物废弃物生物质中工程化纤维素纳米晶体作为下一代功能性生物界面

《Next Nanotechnology》：Engineering cellulose nanocrystals from plant waste biomass as next-generation functional biointerfaces

　　

农业废弃物代表了可持续纳米技术的重要原料，但将废弃物衍生的纤维素纳米晶体（CNCs）转化为临床应用仍受限于工艺非均匀性。本综述基于2020至2025年间37项研究的统一证据基础，批判性评估了从植物和农业废弃物中提取CNCs的现状及其在生物医学应用中的转化。研究中识别出一个显著的转化缺口：大部分文献描述了使用传统碱处理-漂白/酸水解提取序列分离的材料，而新兴的“绿色”替代方法，如深共晶溶剂（DES）和酶水解，由于成本和可扩展性瓶颈仍局限于实验室应用。关键的是，研究人员发现各研究中的系统安全性评估有限，仅43%正式评估了生物相容性。此外，研究强调了提取工艺参数（如脱木质素程度和表面电荷）如何影响所得CNCs的性质，以及细胞摄取机制、化学功能化、原料变异性和体内验证中的挑战如何为特定应用的多功能生物材料设计提供信息。本综述最后提出了一个框架，涉及可持续的、与工业相关的CNC生产，将循环生物经济与生物医学标准联系起来。

**1. 引言**
全球农业和农工业活动每年产生大量生物质废弃物，如稻草（约7.31亿吨/年）、甘蔗渣（约1.8亿吨/年）和麦秆（约3.54亿吨/年），这些代表了尚未充分利用的纤维素原料库，可用于高价值纳米材料生产。根据联合国粮农组织（FAO）2024年的报告，这种低利用率加上露天焚烧和填埋的环境负担，每年释放约2.3亿吨二氧化碳当量。因此，近期的一个努力是使用农业残留物作为低成本、丰富的原料来制备可持续材料，特别是纤维素纳米晶体（CNCs）。CNCs是通过选择性水解纤维素纤维的无定形区域而获得的高度结晶的棒状胶体纳米结构。与细菌纤维素（BNC）和纤维素纳米纤维（CNFs）等其他纳米纤维素形式相比，CNCs因其独特结构在生物医学应用中受到最多关注。过去十年中，研究人员开发并优化了从不同废弃物原料中生产高纯度CNCs的不同提取方法。使用硫酸（H₂SO₄）和盐酸（HCl）的水解仍是最常用的工艺，因其效率和可扩展性。研究人员提出了替代方法，如TEMPO介导的氧化、酶水解和深共晶溶剂（DES）处理，以实现更可持续的工艺。因此，所选提取方法影响CNC的产率、结晶度、表面电荷和细胞相容性，使得更好地理解废弃物衍生CNCs的结构-性质关系对于生物医学工业应用至关重要，因为所用材料需满足特定要求。CNCs在生物医学中的应用基于其作为聚合物支架中的增强填料、生物相容性涂层和界面以及药物递送载体的可能用途。将CNCs添加到复合水凝胶基系统中可改善力学性能、保湿性和药物释放曲线。此外，通过羧基、硫酸基或胺基功能基团对CNC表面进行功能化，可控制蛋白质和细胞相互作用，甚至可能实现定制化的生物医学应用。但与其他纳米材料一样，CNCs仍面临从实验室到临床转化的挑战。大部分研究在实验室进行，可扩展性、监管审批和体内生物相容性等开放问题依然存在。对于废弃物衍生的CNCs，转化缺口更大，尤其是在原料变异性和工艺标准化方面。尽管CNC研究不断增加，但当前文献中尚未以系统方式充分解决CNCs的价值化和生物医学应用。本综述通过批判性综合2020–2025年间关于从植物废弃物中提取CNCs及其生物医学应用的文献，填补了这一空白。此外，研究人员对生物相容性进行了定量批判，揭示了大多数现有初级研究缺乏临床进展所需的正规安全性验证。通过整合不同研究的见解，本综述建立了一个基于证据的框架，涉及方法论局限性、研究空白以及临床和工业转化的未来方向。

**2. 文献检索策略**
研究人员在Scopus、Web of Science（WoS）、PubMed和Google Scholar数据库中进行结构化文献调查，最终检索于2026年1月，覆盖2020年1月至2025年12月的出版物。检索使用关键词和布尔运算符组合。PubMed中应用了MeSH限制的布尔查询（[Title/Abstract]字段标签）。仅考虑同行评审、已发表的英文期刊文章；预印本、会议论文、学位论文和专利被明确排除。

**2.1. 纳入和排除标准**
文章基于预先确定的资格标准进行选择。研究纳入条件为：(i) 报告了从植物或农业废弃物中实验提取或合成CNCs；(ii) 包括至少两种正交表征技术，如透射电子显微镜（TEM）或扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）或傅里叶变换红外光谱（FTIR）和动态光散射（DLS）；(iii) 评估或讨论了生物医学或生物相容性相关应用。排除标准包括：(i) 仅关注纤维素纳米纤维（CNFs）或细菌纳米纤维素（BNC）；(ii) 仅报告工业或化学工艺优化而无生物医学背景；(iii) 非同行评审、专利、预印本或会议论文；(iv) 非英文发表；(v) 缺乏足够实验细节用于数据提取。

**2.2. 数据提取与综合**
所有记录导入Rayyan平台。数据选择分两阶段：第一阶段对不相关的标题和摘要进行初步筛选；第二阶段对剩余记录进行全文评估以确定其纳入相关性。提取的数据包括原料类型和预处理方法、提取和表征方法的完整性、生物医学应用及任何记录的实验结果（生物相容性、药物释放效率、力学强度、溶胀比、生物复合材料或抗菌性能），以及结果的可重复性。仅保留研究文章和综述论文。选择过程以流程图记录。

**2.3. 结果与数据呈现**
全面数据库检索共获得5121条记录。经去重和筛选，最终纳入37项研究：28篇研究文章和9篇综述。结果以比较表格呈现，总结了总体发现，并附有流程图显示研究识别、筛选、资格评估和纳入阶段。

**3. 纤维素纳米晶体的背景**
“纤维素”一词首次出现在1839年法国科学院的报告中，基于法国科学家Anselme Payen的研究。纤维素是“β-(1→4)连接的D-葡萄糖单元的线性均聚物”，是地球上最丰富的可再生生物聚合物。这种普遍存在的多糖存在于植物细胞壁的分层结构中，单个纤维素链通过分子内和分子间氢键及范德华力聚集形成微纤维。微纤维由交替的结晶区和无定形区组成，结晶区在天然植物源中具有高度有序的纤维素I多晶型平行链堆积。这种分级结构激发了纳米纤维素的发展，纳米纤维素是通过自上而下解构纤维素纤维获得的纳米材料家族。纳米纤维素因其多种有吸引力的性质（无毒性、可生物降解性、生物相容性、高长径比、优异力学性能、良好光学性能和可调表面化学）而成为最有前景的纳米材料之一。从块状纤维素到纳米尺度的转变从根本上改变了材料性质。纳米纤维素分为三类：纤维素纳米晶体（CNCs）、纤维素纳米纤维（CNFs）和细菌纳米纤维素（BNC）。CNCs以其优异的结晶度、卓越的抗拉强度、高长径比、可生物降解性和可调表面化学而著称。CNCs是明确的棒状结晶纳米颗粒，尺寸取决于纤维素来源和分离方法。从植物废弃物中提取CNCs的研究包括菠萝废弃物、稻草、枣核、苔麸秸秆、油棕废弃物和甘蔗渣等。

**4. 植物废弃物来源和纤维素纳米晶体的提取方法**
将植物和农业废弃物生物质转化为CNCs需要系统理解三个阶段：原料选择、预处理去除非纤维素成分，以及结晶域的提取。每个阶段都决定下游CNC性质，包括产率、结晶度指数、长径比、表面电荷和热稳定性。与来自纯化商业纤维素源的CNCs不同，植物废弃物衍生的CNCs继承了原料的异质性。因此，原料选择不仅关乎可用性或成本，更是决定可达CNC质量和生物医学适用性的主要因素。

**4.1. 纤维素纳米晶体的植物废弃物原料**
植物和农业残留物的前景主要在于其高纤维素含量、结构多样性和农业工业区域的广泛可用性。文献中常见的废弃物包括香蕉假茎（纤维素含量40–45%，结晶度可达81%）、菠萝叶纤维（高纤维素含量，结晶度达70%）、甘蔗渣（含40–50%纤维素，产CNC结晶度60–75%）和芦荟渣（含50–60%纤维素，需要较少预处理）。

**4.2. 预处理方法**
预处理过程促进去除非纤维素成分（主要是木质素、半纤维素、蜡质等）。有效预处理必须确保破坏生物质结构而不损害纤维素链的完整性。初始加工通常从机械粉碎开始，增加表面积和纤维素纤维的可及性。碱预处理通常使用强碱溶液（如氢氧化钠NaOH）来皂化酯化半纤维素并部分去除木质素。随后使用亚氯酸钠（NaClO₂）、过氧化氢（H₂O₂）或过氧乙酸的漂白步骤对于实现高纯度和白度至关重要。对28项研究中的预处理方法进行批判性评估，发现约90%的研究使用碱预处理后接漂白步骤，这虽然可扩展且成本低，但环境足迹较大。新兴和先进的预处理方法包括深共晶溶剂、离子液体、酶辅助、蒸汽爆破、微波辅助、有机溶剂法和生物法，但这些方法尚未广泛商业化。

**4.3. 提取方法**
从预处理的植物废弃物生物质中提取CNCs是通过选择性解构超分子纤维素架构，将纯化纤维素浆转化为离散棒状纳米结构的关键步骤。方法选择是一个多标准决策，涉及产率、表面化学、工艺经济性、可扩展潜力和目标生物医学应用的相容性。酸水解（尤其是硫酸H₂SO₄）最常用，产生硫酸化CNCs（硫酸酯基团），赋予负电荷和胶体稳定性。盐酸（HCl）水解产生表面主要为羟基的CNCs。TEMPO介导的氧化将C6伯羟基选择性转化为羧酸盐，产生高反应性羧基和胶体稳定性的CNCs。酶水解使用纤维素酶在温和条件（pH 4–7，40–50°C）下选择性降解无定形纤维素，是一种更绿色的替代方法，但面临成本和动力学挑战。深共晶溶剂（DES）系统由氢键受体（HBA）和氢键供体（HBD）组成，提供可调、可回收的提取介质。新兴的混合和可持续方法将机械破碎与温和化学或酶法结合，以减少能耗。表3提供了不同提取方法在产率、结晶度指数（CrI）、稳定性、成本和生物医学适用性方面的比较框架。

**4.4. 植物废弃物纤维素纳米晶体的表征技术**
全面表征对于建立结构-性质-功能关系至关重要。X射线衍射（XRD）用于量化结晶度指数和鉴定纤维素多晶型。透射电子显微镜（TEM）直接观察CNC形态，显示均匀的针状结构，尺寸因原料和提取方法而异。原子力显微镜（AFM）提供三维形貌信息。扫描电子显微镜（SEM）用于可视化CNC网络结构。傅里叶变换红外光谱（FTIR）验证纤维素结构并检测表面功能基团。Zeta电位测量评估胶体稳定性和表面电荷。动态光散射（DLS）测量流体动力学直径和多分散性指数（PDI）。热重分析（TGA）评估热稳定性和降解行为。差示扫描量热法（DSC）检测相变。生物相容性和细胞毒性测定中，多个研究使用MTT、Live/Dead等体外测定，在不同细胞系中报告了高细胞相容性。CNCs的生物学命运受其物理化学尺寸和表面电荷严格控制。血液相容性评估对于静脉或血液接触应用是强制性的。免疫原性评估显示，纯化良好的CNCs诱导的炎症细胞因子水平低。

**4.5. 生物医学纤维素纳米晶体的表面功能化**
为将植物废弃物衍生的CNCs转化为功能性生物界面，需要先进的修饰技术。当CNCs进入生理环境时，会迅速获得血清蛋白的蛋白冠层，重新定义其生物学特性。化学修饰技术包括酯化、羧化、聚乙二醇化（PEGylation）、胺化、氧化和聚合物链接枝，以增强选择性、调节表面特性和疏水性。CNCs与其他纳米材料（如银纳米颗粒、氧化石墨烯、金纳米颗粒）整合产生混合生物界面，性能提升，但引入可持续性张力。生物功能化涉及治疗剂，CNCs作为载体通过吸附、包封或共价附着实现受控释放。

**4.6. 纤维素纳米晶体的生物医学应用**
植物废弃物衍生的CNCs在多种生物医学应用中展现了潜力，但具体应用中合成替代品可能表现更优。研究调查了五个主要应用领域：伤口愈合应用中，CNC增强水凝胶将压缩模量提高3–6倍；芦荟皮CNCs结合固有生物活性化合物表现出优势；含银纳米颗粒的CNCs提供额外抗菌效果。药物递送系统中，CNCs通过物理吸附、静电络合或共价偶联作为药物载体，展示pH响应释放和叶酸受体介导的靶向。组织工程和再生医学中，CNCs增强支架的力学性能、孔隙率和生物活性；羟基磷灰石纳米杂化物促进成骨活性。抗菌和生物活性复合材料中，CNCs本身不具备固有抗菌性能，但功能化后可固定抗菌剂；CNC/AgNP纳米杂化物展示强抗菌活性；CNC稳定的Pickering乳液增强精油抗菌效果。

**5. 研究空白、挑战和未来研究方向**
尽管取得了创新成果，但仍存在一些科学、技术和转化缺口。原料变异性和标准化不足：农业残留物成分因物种、生长条件和采后处理而异；目前缺乏基准CNCs的标准化框架。碎片化的结构-性质-性能关系：当前文献在物理化学表征和生物学性能评估之间存在脱节；需建立预测性结构-功能关系。应用特定CNC设计转变：CNCs常被视为通用材料，未考虑应用特定要求，如药物递送、骨支架和伤口敷料的不同需求。生物相容性和安全性评估不完整：仅43%的研究正式进行细胞毒性或生物相容性评估；缺乏标准化测试协议和体内数据。可扩展性和技术经济可行性：多数方法在实验室规模表现良好，但缺乏技术经济分析和生命周期评估（LCA）。CNC提取中的“漂绿”风险：绿色提取方法仍局限于实验室演示；硫酸水解在产率和可持续性之间存在根本性张力。

**6. 本综述的局限性**
本综述存在语言偏见（排除非英语文献）、发表偏见（排除未成功提取或负面结果的研究）、专利排除以及双重表征标准可能排除早期研究等局限。

**7. 工业影响和未来研究意义**
将植物废弃物衍生的CNCs从实验室转化为工业和临床应用是一个紧迫的工程和监管挑战。最可能的早期采用领域是伤口护理、控释药物递送和生物传感诊断。关键经济障碍包括高资本成本、原料供应链不一致、酸废物管理、高能耗处理和缺乏FDA或EMA批准的CNC生物医学产品。最有前景的供应链可靠性模型是与农工业加工设施的协同定位。未来需要标准化协议、应用特异的体内安全性数据、中试规模生产以及机器学习辅助预测优化。

**8. 结论**
本综述综合了2020–2025年间的研究，绘制了植物和农业废弃物CNC提取及其生物医学应用的现状。关键发现包括硫酸水解仍是最主导的提取方法；CNC性质随原料和提取条件显著变化；药物递送和伤口愈合是研究最多的领域；但关键缺口持续存在，包括原料变异性未表征、结构-性质-性能关系量化不足、监管路径缺失和技术经济分析缺失。通过协调的多学科努力，植物废弃物衍生的CNCs有望从有前景的实验室材料转变为临床批准的商业生物医学产品，同时推进循环生物经济原则。