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武汉大学邓红兵教授团队《Nano Lett.》：面向可持续发展未来的甲壳素/壳聚糖纳米纤维

泰然健康网
2024-12-08 12:31

随着全球对气候变化和环境问题的关注日益增强，低碳材料在可持续未来中的重要性日趋凸显。甲壳素作为一种可再生的天然高分子材料，有望成为下一代功能材料的绿色基石。受生物体内纤维在多尺度下构建层级结构并由此决定其性能的启发，甲壳素纳米纤维在环境保护、医疗健康等领域展现出广泛的应用前景。因此，深入探讨甲壳素纳米纤维材料合成工艺中的环境影响，对于确保其在推动绿色发展过程中发挥关键作用至关重要。

近日，武汉大学邓红兵教授、李巍副研究员等人围绕甲壳素/壳聚糖纳米纤维，综述了其自上而下剥离与自下而上组装的合成技术（图1 板块1-6），并进一步讨论了这些方法对环境的影响。此外，总结了甲壳素纳米纤维在环境和医学应用中的最新进展，并强调了结构与效能间的对应关系（图1 板块7-8）。最后，从原材料、结构调控、绿色制造、政策等方面提出了甲壳素纳米纤维的潜在挑战及解决方案。相关工作以“Chitin/Chitosan Nanofibers Toward a Sustainable Future: From Hierarchical Structural Regulation to Functionalization Applications”发表于《Nano Letters》。文章共同第一作者是武汉大学博士后董向阳和博士生石蕾。该研究得到国家自然科学基金委、湖北省杰出青年自然科学基金项目、中央高校基本科研业务费专项资金和CRSRI开放研究计划的支持。

图1 甲壳素/壳聚糖纳米纤维加工技术及应用

从虾壳中提取甲壳素对环境的负面影响主要源于大量使用酸碱、氧化剂、高能耗的机械处理和水资源消耗。完全去除矿物质和蛋白质的甲壳素纤维膜具有较高的全球变暖潜能值（GWP），而部分去除的膜则显著降低了GWP（图2a-c），表明在提取纯度与效能间找到平衡至关重要。使用真菌代替传统酸水解的方法虽然更环保，但尚不成熟（图2d-e）。生物精炼厂提供了更环保的解决方案，通过综合利用虾壳废料，可大幅降低GWP。此外，甲壳素纳米纤维材料的成型技术也影响其可持续性。冷冻干燥的高能耗导致了较高的温室气体排放，通过创新技术降低生产过程的能源需求，可实现更环保的材料生产（图2f-g）。

图2 甲壳素/壳聚糖纳米纤维材料合成过程环境影响评价

结论：本综述回顾了甲壳素纳米纤维的基本化学特性和主要加工方法。甲壳素纳米纤维可通过机械研磨或化学剥离实现自上而下的分离，或通过湿法纺丝、静电纺丝等技术自下而上组装成纳米纤维。得益于所带正电荷，这些材料表现出广谱抗菌性，结合纤维直径、长径比、孔道取向等微宏观结构的定向调控，可以实现其在伤口敷料、组织工程、空气净化、油水分离、微塑料吸附等多领域的高效应用。这种分层结构调控的策略将有效促进这种独特的阳离子多糖纤维在传统和新兴领域的绿色加工，助力走向可持续发展的未来。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c02632

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