作為材料領域的“明星角色”，納米纖維素有什么魔力可以頻繁出現在頂刊中？

一、【導讀】

纖維素是自然界中含量最豐富的多糖之一，主要由通過1,4-β-糖苷鍵連接的β-d-葡萄糖單體組成。由于表面C₂、C₃和C₆位置存在大量游離活性羥基，因此線性纖維素分子鏈之間存在強氫鍵。納米纖維素的定義是尺寸為1-100納米纖維素材料，可以從天然纖維素原纖維中分離出來，根據來源主要分為三類：纖維素納米晶體(CNC)、纖維素納米纖絲(CNF)和細菌納米纖維素(BNC)。納米纖維素因其非常有用的特性而處于當前研究的前沿，例如其來源的豐富性和可再生性、生物相容性、納米級尺寸、高比表面積和可調節的表面化學等等。它的多功能特性為廣泛的新興領域的新應用提供了機會。

二、【成果合集】

1.（Advanced Functional Materials ?IF=18.808）：納米纖維素自愈水凝膠，制成可拉伸摩電式自供電汗液傳感器（廣西大學 聶雙喜）

可穿戴醫療和健康設備是物聯網(IoT)的重要分支，近年來已展現出廣泛的商業需求。在這些設備中，汗液傳感器可用于通過檢測電解質或代謝物等可溶性生物標志物來實時監測囊性纖維化等疾病。通常用于量化生物標志物的傳感方法包括電化學、比色、阻抗和光學模式。然而，它們的廣泛適用性往往受到外部電源和復雜制造工藝的限制。

本文報道了完全靈活的自供電汗液傳感器由纖維素基導電水凝膠制成方法。水凝膠電極由與聚苯胺原位聚合并與聚乙烯醇/硼砂交聯的纖維素納米復合材料組成。纖維素納米復合材料為汗液傳感器提供了在10秒內超過95%的拉伸和電自愈效率、1530%的拉伸率和0.6 S m^-1的電導率。汗液傳感器通過摩擦電效應實時定量分析汗液中的Na⁺、K⁺和Ca²⁺含量，靈敏度分別為0.039、0.082和0.069 mmol^–1，并將結果無線傳輸到用戶界面。這種制造的汗液傳感器具有高靈活性、穩定性、分析靈敏度和選擇性，為自供電健康監測提供了新的機會。

2. （Advanced Functional Materials IF=18.808）：單離子功能化納米纖維素膜可實現貧電解質和深度循環水系鋅金屬電池（中國科學院青島生物能源與過程研究所 崔光磊）

可充電水系鋅電池(ZB)以其本質上的安全性、低成本、元素豐富和潛在的高體積能量密度（金屬鋅為5851 Ah L^?-1）而脫穎而出。具有安全性和低成本的鋅金屬負極水電池有利于儲能技術的多樣化，而其能量密度和可循環性長期以來一直受到副反應和枝晶問題的限制，尤其是在實際設備層面。盡管正在持續努力更新電極和電解質，但迄今為止，其他必不可少的組件（例如隔膜）在電池運行中的作用尚未完全探索。

研究表明，采用單離子Zn²⁺導電納米纖維素膜作為分離劑可以提高鋅陽極的可逆性和利用率。即使不對電極及其界面進行任何處理，這種功能膜也可以通過協同優化機械強度、優選的Zn²⁺傳導和親水性等關鍵所需性能來減輕鋅陽極上的H₂析出、腐蝕和枝晶生長。因此，在實際可行的稀電解質(電解質容量比= 1.0 g Ah ^-1)和高面積容量(8.0 mAh cm^-2)條件下，可實現>80%放電深度的穩定循環。這些發現轉化為在高負載陰極(17mg cm^-2)的電池中，在150次循環后的極佳容量保持率超過95%。這項工作為高能量、長循環的鋅金屬水溶液電池提供了一個簡單而實用的途徑。

3.（Carbohydrate Polymers IF=9.381）：通過快速紫外誘導原位聚合獲得優異的穩定性、疏水性和多功能納米纖維素混合氣凝膠（東華大學 劉麗芳）

由于環境污染和能源短缺，迫切需要節能和可持續材料。氣凝膠是具有連續三維網絡結構的多孔固體材料，其中包含超過95%的空氣，是各種應用的理想候選材料。纖維素和殼聚糖是世界上含量最豐富、成本最低、環境友好、生物相容性高的材料。目前，基于納米纖維素的氣凝膠由于具有特殊的特性，包括低密度、高孔隙率、低導熱性和可持續性，廣泛應用于保溫吸液、油水分離。

本文報告了一種簡便的策略，通過紫外線誘導的硫醇-烯點擊反應在30秒內原位聚合聚二甲基硅氧烷在各向異性納米纖維素/殼聚糖氣凝膠基質上，制備了具有“剛軟”雙網絡結構的超疏水和彈性納米纖維素基氣凝膠。繼承的多孔各向異性結構和化學鍵合聯鎖界面使雜化的氣凝膠具有超輕(9.42 mg/cm3)、高孔隙率(99.29%)和疏水性(接觸角~168.0°)等特點。該策略為制造用于在惡劣條件下隔熱和吸油的高性能納米纖維素基氣凝膠鋪平了新的道路。

4.（Chemical Engineering Journal IF=13.237）：用于柔性電子器件的區域選擇性功能化制備的納米纖維素基薄膜的分子設計和結構優化（加拿大多倫多大學 Otavio Augusto Titton Dias）

納米纖維素因其天然豐度、高反應性和可針對特定應用定制的能力而成為一種可持續且有前景的納米材料。目前，合成聚合物和金屬已被壓倒9性地用于電子元件的制造，而生物材料在高級應用中的使用尚未得到很好的探索。

本文通過噻吩和長脂肪酸側鏈高度區域選擇性取代的納米纖維素主鏈保護組策略。長鏈側鏈的存在平衡了由納米結構基底上的大噻吩分子引起的納米纖維素骨架的扭轉構象，從而增強了納米材料的導電性。滲透網絡的形成提供了傳導路徑和增強能量傳遞的增強效果。制造的堅固、靈活和導電的區域選擇性納米原纖化纖維素基薄膜被證明是傳統半導體的潛在替代品。與隨機功能化的納米纖維素（65.05 μS/cm）相比，納米纖維素骨架結構的優化導致活性部分之間的相互作用更高，并表現出更高的電導率（279.10 μS/cm）。納米纖維素結構的分子設計可以允許制造具有一致和可重復特性的材料。功能化納米結構的明確結構是接受納米纖維素作為先進材料中的生物成分的重要一步。

5.（Materials Today IF=31.041）邁向可拉伸電池：納米纖維素實現的 3D 打印可變形電極和隔膜（美國馬里蘭大學 李騰）

隨著可穿戴和表皮電子產品的出現，對可拉伸電池的需求激增。然而，可拉伸電池的開發仍然是一個巨大的挑戰，因為電池組件本質上是易碎的，并且在機械負載下很容易斷裂。現有的提高電池組件可拉伸性的努力通常涉及復雜的制造工藝，因此不適用于可擴展且具有成本效益的制造。

為了應對這一挑戰，本文開發了一種簡單而有效的策略，以使用基于擠壓的3D打印制造用于鋰離子電池的可拉伸電極和隔膜與納米原纖化纖維素混合的活性材料。得到的電極和隔膜經過50次50%的拉伸循環后，電極電阻僅增加3%。3D打印電池組件優異的機械和電學性能主要歸功于兩個方面：3D打印的蛇形結構在組件水平上具有優異的變形能力；由于納米纖維素與碳納米管的高縱橫比，以及納米纖維素與碳納米管之間或纖維素之間的強相互作用，形成了堅固的納米尺度結構。簡便3D打印導致高性能可拉伸鋰離子電池的低成本制造，展示了其在可穿戴和表皮電子產品中實現可拉伸儲能設備的巨大潛力。

6.（Carbohydrate Polymers IF=9.831）：海藻酸鹽-絲素蛋白/納米纖維素復合材料中的磁場輔助排列模式用于引導傷口愈合（韓國江原大學 Ki-Taek Lim）

美國和大多數發展中國家，近2.5%的總人口患有慢性傷口。治療傷害的經濟負擔是醫療費用增加的一個令人擔憂的后果。因此，優先考慮傷口護理研究已成為維持患者健康生活質量的迫切需要。繃帶、棉花和紗布等傳統傷口敷料無法為傷口愈合提供合適的環境。作為一種有前途的替代方案，皮膚組織工程是一個研究領域，它正在迅速擴大，以恢復受傷組織的細胞功能、再上皮化和血管化，以實現有效的公共醫療保健。

本研究的重點是在低強度(0.28 T)磁場(MF)下利用藻酸鹽-絲素蛋白(ASF)基質中的纖維素納米晶體(CNC)的磁響應性來制造磁性排列的各向異性三維傷口愈合支架。研究了MF對三種不同濃度的 CNC（0.5%、1% 和 2%）的影響，以控制ASF支架的對齊。制成的支架相對于CNCs表現出濃度依賴性各向異性。SEM、AFM 和SAXS 分析表明，MF處理的支架具有更高程度的各向異性，相對于對照，楊氏模量顯著增強，證明了它們的機械穩定性。皮膚成纖維細胞，在磁性對齊的支架上培養的角質形成細胞和內皮細胞在體外表現出增強的增殖，并在體內條件下表現出快速的傷口閉合，因此CNC的磁性可用于開發用于傷口愈合應用的仿生各向異性結構。

7.（Small IF=13.281）：用于鈉離子電池中穩定鈉電沉積的分級納米纖維素凝膠聚合物電解質（瑞士蘇黎世聯邦理工學院 Markus Niederberger）

可充電電池是綠色能源轉型的基石之一，必將在全球經濟的脫碳和電氣化中發揮關鍵作用。高效、可持續和安全電池的實施將促進向循環經濟模式的轉變，因為它們有可能減少自然資源的消耗和化石燃料造成的環境污染。基于地球豐富的材料的鈉離子電池(NIB)為脫碳社會提供了高效、安全和環境可持續的解決方案。然而，要與鋰離子電池等成熟的儲能技術競爭，還需要進一步的進步，特別是在能量密度和使用壽命方面。

本文使用可生物降解的纖維素納米粒子來制備凝膠聚合物電解質，該電解質具有2985%的高液體電解質吸收率、2.32 mS cm^-1的離子電導率和0.637的Na⁺轉移數。機械剛性纖維素納米晶體和柔性纖維素納米纖維的平衡比例導致介孔分層結構，確保與金屬鈉緊密接觸。這種架構在高達±500 μA cm^-2的電流密度下提供穩定的Na沉積/溶解，優于包含隔膜-液體電解質的傳統液態電池。與Na₂Fe₂(SO₄)₃正極配合使用，電池的能量密度達到240 Wh kg^-1，1C下50圈后提供69.7 mAh g^-1的比容量。相比之下，使用Celgard隔膜的液態電池在C/4時僅提供0.6 mAh g^-1。這種凝膠聚合物電解質可能會為鋰離子電池以外的可持續能源存儲系統開辟新的機遇。

8.（Carbohydrate Polymers IF=9.831）：用于感染傷口治療的聚賴氨酸鍵合 TEMPO 氧化細菌納米纖維素抗菌敷料（東華大學 洪楓）

細菌納米纖維素 (BNC) 是一種細胞外生物聚合物，主要由一些醋酸細菌產生，例如Komagataeibacter xylinus。BNC是超純的，即不含木質素和半纖維素等雜質，在化學上與植物纖維素相同。BNC 中的纖維素納米纖維的3D框架可與人類細胞外基質相媲美。此外，優異的生物相容性、適當的機械性能、親水性、無毒、高含水量和多孔性是使其成為生物材料制造的有希望的候選者的一些獨特特征。

在本研究中，對2,2,6,6-四甲基哌啶氧基自由基(TEMPO)介導的BNC氧化進行了優化，以獲得較高的羧酸含量，同時保持可接受的拉伸曲線。為開發以O-BNC為基礎的功能性創面敷料，在超聲均勻分布后，通過1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亞胺鹽酸鹽/ n -羥基琥珀酰亞胺(EDC/NHS)反應，將ε-聚賴氨酸(PLL)與O-BNC共價結合。所得傷口敷料的抗菌活性顯著提高（p < 0.05)，未觀察到毒性。由于較少炎癥、較快的血管增殖和表皮層形成，敷料覆蓋的大鼠感染的全層傷口愈合較快（p < 0.05）。該材料是一種有效且有前途的功能性敷料，可用于治療感染的傷口。

9.（ACS Sustainable Chemistry & Engineering IF=8.198）：用于高效電磁干擾屏蔽的多功能納米纖維素/碳納米管復合氣凝膠（法國格勒諾布爾-阿爾卑斯大學 Alain Dufresne）

生物基專用組件已成為限制石油衍生物使用的有希望的趨勢。相反，目前電子系統的使用限制了電磁波的發射，這些電磁波會干擾高精度設備并危害人類健康。因此，堅固、超輕且導電的納米纖維素基氣凝膠與碳納米管配對，可作為電磁干擾 (EMI) 屏蔽生物材料，以減少從設備發射或接收的微波的分散。

本研究提出了一種可靠的氣凝膠系統，通過將TEMPO氧化纖維素納米纖絲、陽離子纖維素納米晶體和海藻酸鈉與不同濃度的碳納米管相結合來偏轉輻射。誘導凝膠化后，通過冷凍干燥獲得氣凝膠。根據納米纖維素的zeta電位和FTIR分析數據，氣凝膠框架是由纖維素基質和納米填料之間的靜電引力和氫鍵誘導形成的。最后，重量輕（密度 < 0.075 g/cm³?)、高孔隙率（孔隙率 > 95.47%）、導電（高達26.2 S/m）、機械抗性和EMI保護氣凝膠，證明了它們用作綠色和輕型電磁輻射屏蔽元件的潛力。

10.（ACS Nano IF=15.881）：由納米纖維素和疏水顆粒制成的超穩定濕泡沫和輕質固體復合材料（芬蘭阿爾托大學 Orlando J. Rojas）

多相系統由兩個或多個不混溶相組成，這些相在動力學上是穩定的，可用作廣泛應用的材料的前體。在它們的處理中，大多數實際應用都需要防止或延遲相位反轉。雖然一些合成分子（包括表面活性劑、低聚物和聚合物）已被證明是界面的有效穩定劑，但它們通常會帶來有害影響，例如毒性、過敏和其他健康問題。纖維素納米纖維已顯示出與其他膠體協同作用以合成高度堅固的組件。這是由結合低縱橫比顆粒和高縱橫比原纖維的網絡產生的各種拓撲結構和增韌機制的結果。

高縱橫比和親水原纖化纖維素 (CNF) 與低縱橫比疏水顆粒之間的強相互作用提供了超穩定的Pickering泡沫。泡沫被用作多孔固體材料的支架前體。與僅通過疏水顆粒穩定的泡沫相比，CNF的引入顯著提高了發泡性（高達350%）和泡沫壽命。這些影響歸因于由CNF形成的纖維狀網絡。CNF固體部分調節濕泡沫中的顆粒間相互作用，延遲或防止排水、粗化和氣泡聚結。干燥后，這種復雜的流體被轉化為輕質且堅固的結構，其表現出取決于CNF前體表面能的特性。這表明，CNF與疏水顆粒結合普遍形成超穩定的復雜流體，可用作合成強復合材料和輕質結構的加工途徑。

三、【參考文獻】

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