作为材料领域的“明星角色”，纳米纤维素有什么魔力可以频繁出现在顶刊中？

一、【导读】

纤维素是自然界中含量最丰富的多糖之一，主要由通过1,4-β-糖苷键连接的β-d-葡萄糖单体组成。由于表面C₂、C₃和C₆位置存在大量游离活性羟基，因此线性纤维素分子链之间存在强氢键。纳米纤维素的定义是尺寸为1-100纳米纤维素材料，可以从天然纤维素原纤维中分离出来，根据来源主要分为三类：纤维素纳米晶体(CNC)、纤维素纳米纤丝(CNF)和细菌纳米纤维素(BNC)。纳米纤维素因其非常有用的特性而处于当前研究的前沿，例如其来源的丰富性和可再生性、生物相容性、纳米级尺寸、高比表面积和可调节的表面化学等等。它的多功能特性为广泛的新兴领域的新应用提供了机会。

二、【成果合集】

1.（Advanced Functional MaterialsIF=18.808）：纳米纤维素自愈水凝胶，制成可拉伸摩电式自供电汗液传感器（广西大学 聂双喜）

可穿戴医疗和健康设备是物联网(IoT)的重要分支，近年来已展现出广泛的商业需求。在这些设备中，汗液传感器可用于通过检测电解质或代谢物等可溶性生物标志物来实时监测囊性纤维化等疾病。通常用于量化生物标志物的传感方法包括电化学、比色、阻抗和光学模式。然而，它们的广泛适用性往往受到外部电源和复杂制造工艺的限制。

本文报道了完全灵活的自供电汗液传感器由纤维素基导电水凝胶制成方法。水凝胶电极由与聚苯胺原位聚合并与聚乙烯醇/硼砂交联的纤维素纳米复合材料组成。纤维素纳米复合材料为汗液传感器提供了在10秒内超过95%的拉伸和电自愈效率、1530%的拉伸率和0.6 S m^-1的电导率。汗液传感器通过摩擦电效应实时定量分析汗液中的Na⁺、K⁺和Ca²⁺含量，灵敏度分别为0.039、0.082和0.069 mmol^–1，并将结果无线传输到用户界面。这种制造的汗液传感器具有高灵活性、稳定性、分析灵敏度和选择性，为自供电健康监测提供了新的机会。

2. （Advanced Functional MaterialsIF=18.808）：单离子功能化纳米纤维素膜可实现贫电解质和深度循环水系锌金属电池（中国科学院青岛生物能源与过程研究所 崔光磊）

可充电水系锌电池(ZB)以其本质上的安全性、低成本、元素丰富和潜在的高体积能量密度（金属锌为5851 Ah L^-1）而脱颖而出。具有安全性和低成本的锌金属负极水电池有利于储能技术的多样化，而其能量密度和可循环性长期以来一直受到副反应和枝晶问题的限制，尤其是在实际设备层面。尽管正在持续努力更新电极和电解质，但迄今为止，其他必不可少的组件（例如隔膜）在电池运行中的作用尚未完全探索。

研究表明，采用单离子Zn²⁺导电纳米纤维素膜作为分离剂可以提高锌阳极的可逆性和利用率。即使不对电极及其界面进行任何处理，这种功能膜也可以通过协同优化机械强度、优选的Zn²⁺传导和亲水性等关键所需性能来减轻锌阳极上的H₂析出、腐蚀和枝晶生长。因此，在实际可行的稀电解质(电解质容量比= 1.0 g Ah^-1)和高面积容量(8.0 mAh cm^-2)条件下，可实现>80%放电深度的稳定循环。这些发现转化为在高负载阴极(17mg cm^-2)的电池中，在150次循环后的极佳容量保持率超过95%。这项工作为高能量、长循环的锌金属水溶液电池提供了一个简单而实用的途径。

3.（Carbohydrate Polymers IF=9.381）：通过快速紫外诱导原位聚合获得优异的稳定性、疏水性和多功能纳米纤维素混合气凝胶（东华大学 刘丽芳）

由于环境污染和能源短缺，迫切需要节能和可持续材料。气凝胶是具有连续三维网络结构的多孔固体材料，其中包含超过95%的空气，是各种应用的理想候选材料。纤维素和壳聚糖是世界上含量最丰富、成本最低、环境友好、生物相容性高的材料。目前，基于纳米纤维素的气凝胶由于具有特殊的特性，包括低密度、高孔隙率、低导热性和可持续性，广泛应用于保温吸液、油水分离。

本文报告了一种简便的策略，通过紫外线诱导的硫醇-烯点击反应在30秒内原位聚合聚二甲基硅氧烷在各向异性纳米纤维素/壳聚糖气凝胶基质上，制备了具有“刚软”双网络结构的超疏水和弹性纳米纤维素基气凝胶。继承的多孔各向异性结构和化学键合联锁界面使杂化的气凝胶具有超轻(9.42 mg/cm3)、高孔隙率(99.29%)和疏水性(接触角~168.0°)等特点。该策略为制造用于在恶劣条件下隔热和吸油的高性能纳米纤维素基气凝胶铺平了新的道路。

4.（Chemical Engineering JournalIF=13.237）：用于柔性电子器件的区域选择性功能化制备的纳米纤维素基薄膜的分子设计和结构优化（加拿大多伦多大学 Otavio Augusto Titton Dias）

纳米纤维素因其天然丰度、高反应性和可针对特定应用定制的能力而成为一种可持续且有前景的纳米材料。目前，合成聚合物和金属已被压倒9性地用于电子元件的制造，而生物材料在高级应用中的使用尚未得到很好的探索。

本文通过噻吩和长脂肪酸侧链高度区域选择性取代的纳米纤维素主链保护组策略。长链侧链的存在平衡了由纳米结构基底上的大噻吩分子引起的纳米纤维素骨架的扭转构象，从而增强了纳米材料的导电性。渗透网络的形成提供了传导路径和增强能量传递的增强效果。制造的坚固、灵活和导电的区域选择性纳米原纤化纤维素基薄膜被证明是传统半导体的潜在替代品。与随机功能化的纳米纤维素（65.05 μS/cm）相比，纳米纤维素骨架结构的优化导致活性部分之间的相互作用更高，并表现出更高的电导率（279.10 μS/cm）。纳米纤维素结构的分子设计可以允许制造具有一致和可重复特性的材料。功能化纳米结构的明确结构是接受纳米纤维素作为先进材料中的生物成分的重要一步。

5.（Materials TodayIF=31.041）迈向可拉伸电池：纳米纤维素实现的 3D 打印可变形电极和隔膜（美国马里兰大学 李腾）

随着可穿戴和表皮电子产品的出现，对可拉伸电池的需求激增。然而，可拉伸电池的开发仍然是一个巨大的挑战，因为电池组件本质上是易碎的，并且在机械负载下很容易断裂。现有的提高电池组件可拉伸性的努力通常涉及复杂的制造工艺，因此不适用于可扩展且具有成本效益的制造。

为了应对这一挑战，本文开发了一种简单而有效的策略，以使用基于挤压的3D打印制造用于锂离子电池的可拉伸电极和隔膜与纳米原纤化纤维素混合的活性材料。得到的电极和隔膜经过50次50%的拉伸循环后，电极电阻仅增加3%。3D打印电池组件优异的机械和电学性能主要归功于两个方面：3D打印的蛇形结构在组件水平上具有优异的变形能力；由于纳米纤维素与碳纳米管的高纵横比，以及纳米纤维素与碳纳米管之间或纤维素之间的强相互作用，形成了坚固的纳米尺度结构。简便3D打印导致高性能可拉伸锂离子电池的低成本制造，展示了其在可穿戴和表皮电子产品中实现可拉伸储能设备的巨大潜力。

6.（Carbohydrate PolymersIF=9.831）：海藻酸盐-丝素蛋白/纳米纤维素复合材料中的磁场辅助排列模式用于引导伤口愈合（韩国江原大学 Ki-Taek Lim）

美国和大多数发展中国家，近2.5%的总人口患有慢性伤口。治疗伤害的经济负担是医疗费用增加的一个令人担忧的后果。因此，优先考虑伤口护理研究已成为维持患者健康生活质量的迫切需要。绷带、棉花和纱布等传统伤口敷料无法为伤口愈合提供合适的环境。作为一种有前途的替代方案，皮肤组织工程是一个研究领域，它正在迅速扩大，以恢复受伤组织的细胞功能、再上皮化和血管化，以实现有效的公共医疗保健。

本研究的重点是在低强度(0.28 T)磁场(MF)下利用藻酸盐-丝素蛋白(ASF)基质中的纤维素纳米晶体(CNC)的磁响应性来制造磁性排列的各向异性三维伤口愈合支架。研究了MF对三种不同浓度的 CNC（0.5%、1% 和 2%）的影响，以控制ASF支架的对齐。制成的支架相对于CNCs表现出浓度依赖性各向异性。SEM、AFM 和SAXS 分析表明，MF处理的支架具有更高程度的各向异性，相对于对照，杨氏模量显着增强，证明了它们的机械稳定性。皮肤成纤维细胞，在磁性对齐的支架上培养的角质形成细胞和内皮细胞在体外表现出增强的增殖，并在体内条件下表现出快速的伤口闭合，因此CNC的磁性可用于开发用于伤口愈合应用的仿生各向异性结构。

7.（SmallIF=13.281）：用于钠离子电池中稳定钠电沉积的分级纳米纤维素凝胶聚合物电解质（瑞士苏黎世联邦理工学院 Markus Niederberger）

可充电电池是绿色能源转型的基石之一，必将在全球经济的脱碳和电气化中发挥关键作用。高效、可持续和安全电池的实施将促进向循环经济模式的转变，因为它们有可能减少自然资源的消耗和化石燃料造成的环境污染。基于地球丰富的材料的钠离子电池(NIB)为脱碳社会提供了高效、安全和环境可持续的解决方案。然而，要与锂离子电池等成熟的储能技术竞争，还需要进一步的进步，特别是在能量密度和使用寿命方面。

本文使用可生物降解的纤维素纳米粒子来制备凝胶聚合物电解质，该电解质具有2985%的高液体电解质吸收率、2.32 mS cm^-1的离子电导率和0.637的Na⁺转移数。机械刚性纤维素纳米晶体和柔性纤维素纳米纤维的平衡比例导致介孔分层结构，确保与金属钠紧密接触。这种架构在高达±500 µA cm^-2的电流密度下提供稳定的Na沉积/溶解，优于包含隔膜-液体电解质的传统液态电池。与Na₂Fe₂(SO₄)₃正极配合使用，电池的能量密度达到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隔膜的液态电池在C/4时仅提供0.6 mAh g^-1。这种凝胶聚合物电解质可能会为锂离子电池以外的可持续能源存储系统开辟新的机遇。

8.（Carbohydrate PolymersIF=9.831）：用于感染伤口治疗的聚赖氨酸键合 TEMPO 氧化细菌纳米纤维素抗菌敷料（东华大学 洪枫）

细菌纳米纤维素 (BNC) 是一种细胞外生物聚合物，主要由一些醋酸细菌产生，例如Komagataeibacter xylinus。BNC是超纯的，即不含木质素和半纤维素等杂质，在化学上与植物纤维素相同。BNC 中的纤维素纳米纤维的3D框架可与人类细胞外基质相媲美。此外，优异的生物相容性、适当的机械性能、亲水性、无毒、高含水量和多孔性是使其成为生物材料制造的有希望的候选者的一些独特特征。

在本研究中，对2,2,6,6-四甲基哌啶氧基自由基(TEMPO)介导的BNC氧化进行了优化，以获得较高的羧酸含量，同时保持可接受的拉伸曲线。为开发以O-BNC为基础的功能性创面敷料，在超声均匀分布后，通过1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐/ n -羟基琥珀酰亚胺(EDC/NHS)反应，将ε-聚赖氨酸(PLL)与O-BNC共价结合。所得伤口敷料的抗菌活性显着提高（p < 0.05)，未观察到毒性。由于较少炎症、较快的血管增殖和表皮层形成，敷料覆盖的大鼠感染的全层伤口愈合较快（p < 0.05）。该材料是一种有效且有前途的功能性敷料，可用于治疗感染的伤口。

9.（ACS Sustainable Chemistry & EngineeringIF=8.198）：用于高效电磁干扰屏蔽的多功能纳米纤维素/碳纳米管复合气凝胶（法国格勒诺布尔-阿尔卑斯大学 Alain Dufresne）

生物基专用组件已成为限制石油衍生物使用的有希望的趋势。相反，目前电子系统的使用限制了电磁波的发射，这些电磁波会干扰高精度设备并危害人类健康。因此，坚固、超轻且导电的纳米纤维素基气凝胶与碳纳米管配对，可作为电磁干扰 (EMI) 屏蔽生物材料，以减少从设备发射或接收的微波的分散。

本研究提出了一种可靠的气凝胶系统，通过将TEMPO氧化纤维素纳米纤丝、阳离子纤维素纳米晶体和海藻酸钠与不同浓度的碳纳米管相结合来偏转辐射。诱导凝胶化后，通过冷冻干燥获得气凝胶。根据纳米纤维素的zeta电位和FTIR分析数据，气凝胶框架是由纤维素基质和纳米填料之间的静电引力和氢键诱导形成的。最后，重量轻（密度 < 0.075 g/cm³)、高孔隙率（孔隙率 > 95.47%）、导电（高达26.2 S/m）、机械抗性和EMI保护气凝胶，证明了它们用作绿色和轻型电磁辐射屏蔽元件的潜力。

10.（ACS NanoIF=15.881）：由纳米纤维素和疏水颗粒制成的超稳定湿泡沫和轻质固体复合材料（芬兰阿尔托大学 Orlando J. Rojas）

多相系统由两个或多个不混溶相组成，这些相在动力学上是稳定的，可用作广泛应用的材料的前体。在它们的处理中，大多数实际应用都需要防止或延迟相位反转。虽然一些合成分子（包括表面活性剂、低聚物和聚合物）已被证明是界面的有效稳定剂，但它们通常会带来有害影响，例如毒性、过敏和其他健康问题。纤维素纳米纤维已显示出与其他胶体协同作用以合成高度坚固的组件。这是由结合低纵横比颗粒和高纵横比原纤维的网络产生的各种拓扑结构和增韧机制的结果。

高纵横比和亲水原纤化纤维素 (CNF) 与低纵横比疏水颗粒之间的强相互作用提供了超稳定的Pickering泡沫。泡沫被用作多孔固体材料的支架前体。与仅通过疏水颗粒稳定的泡沫相比，CNF的引入显着提高了发泡性（高达350%）和泡沫寿命。这些影响归因于由CNF形成的纤维状网络。CNF固体部分调节湿泡沫中的颗粒间相互作用，延迟或防止排水、粗化和气泡聚结。干燥后，这种复杂的流体被转化为轻质且坚固的结构，其表现出取决于CNF前体表面能的特性。这表明，CNF与疏水颗粒结合普遍形成超稳定的复杂流体，可用作合成强复合材料和轻质结构的加工途径。

三、【参考文献】

1.Qin, Y.; Mo, J.; Liu, Y.; Zhang, S.; Wang, J.; Fu, Q.; Wang, S.; Nie, S., Stretchable Triboelectric Self‐Powered Sweat Sensor Fabricated from Self‐Healing Nanocellulose Hydrogels. Advanced Functional Materials 2022.

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3.Zhang, M.; Jiang, S.; Li, M.; Wang, N.; Liu, L.; Liu, L.; Ge, A., Superior stable, hydrophobic and multifunctional nanocellulose hybrid aerogel via rapid UV induced in-situ polymerization. Carbohydrate Polymers 2022, 288.

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8.Shahriari-Khalaji, M.; Li, G.; Liu, L.; Sattar, M.; Chen, L.; Zhong, C.; Hong, F. F., A poly-l-lysine-bonded TEMPO-oxidized bacterial nanocellulose-based antibacterial dressing for infected wound treatment. Carbohydrate Polymers 2022, 287.

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