综述：壳聚糖接枝纤维素增强生物降解聚合物复合材料的改性、制备、性能与应用：综述

《International Journal of Biological Macromolecules》：Chitosan grafted cellulose-reinforced biodegradable polymer composite- modification, fabrication, properties and applications: A review

本文系统综述了纤维素/壳聚糖基复合材料的改性策略、制备技术及其在环境治理、生物医学和包装领域的应用，分析了不同方法对材料性能的影响及工业化挑战。

　　

作者：Md. Masud Rana、Mahfuzul Islam、Nurus Sabah Anam、Ahmadullah Siddiki、Zannatun Naim、Md. Ashraful Alam、Md. Hafezur Rahaman 所属机构：伊斯兰大学应用化学与化学工程系，库斯蒂亚，孟加拉国7003

摘要

由于不可生物降解聚合物的广泛和无差别使用，环境污染已超出可接受的范围，因此迫切需要可持续的替代品。近年来，源自天然资源的生物聚合物（如纤维素和壳聚糖）因成本低廉、资源丰富、可生物降解以及良好的热机械性能而受到广泛关注。本文综述了基于纤维素/壳聚糖材料的最新研究进展，重点介绍了合成工艺以及利用壳聚糖对纤维素进行表面改性的方法。第一部分概述了多种纤维素表面改性的方法及其优势；第二部分讨论了纤维素/壳聚糖复合材料的制备技术，并分析了其优缺点；最后探讨了这些可生物降解复合材料在生物降解聚合物、生物医学设备、化学吸附、食品包装和加工工业中的广泛应用。

引言

城市垃圾的快速增长及其管理不善加剧了全球对环境和社会公正问题的担忧，这与可持续发展目标（SDGs）及联合国环境规划署（UNEP）的优先事项高度契合[1]。UNEP强调采用综合策略来减少资源消耗、降低废物产生并减轻下游环境影响[2]。合成聚合物（尤其是塑料）是导致环境退化的主要因素之一，因为它们的降解速度慢且回收率低。全球仅有约9%的塑料被回收利用[3]。随着每年塑料产量超过3亿吨（其中近一半用于一次性产品），预计到2050年塑料废物量将达到120亿吨[4]。这些材料释放到环境中后会分解成微塑料和纳米塑料，长期存在于土壤和水生生态系统中，对生态和人类健康构成严重威胁[5]（见图1）。 为应对这些挑战，人们越来越关注可生物降解的聚合物，尤其是那些来源于可再生资源的聚合物。天然多糖（如壳聚糖和纤维素）因其丰富的储量、生物相容性和可调功能而具有吸引力[6][7][8]。壳聚糖是从甲壳类动物、真菌和藻类中提取的部分脱乙酰化的壳聚糖衍生物，具有可生物降解性、抗菌活性和成膜能力。其活性氨基和羟基团使其能够有效螯合金属离子，并支持多种化学改性[9][10]。在酸性条件下，壳聚糖的阳离子性质使其能与带负电荷的分子发生静电相互作用，从而适用于吸附、生物医学和包装领域。纤维素是地球上最丰富的生物聚合物，由β-(1→4)-连接的葡萄糖单元组成，形成结晶微纤维[11]，具有高强度、可再生性以及密集的羟基网络，可通过改性制备成羧甲基纤维素和醋酸纤维素等衍生物，从而提高溶解性、柔韧性和反应性[12]。 壳聚糖、纤维素及其衍生物在环境修复方面展现出巨大潜力，尤其是在吸附废水中的重金属、染料和有机污染物方面。氨基和羟基功能团可作为离子交换、配位和氢键形成的活性位点。基于壳聚糖的水凝胶和纤维素纳米纤维对Pb(II)、Cu(II)和Cr(VI)具有高吸附能力，而改性复合材料则提升了选择性、机械稳定性和再生效率[13][14][15]。它们的可生物降解性和可再生性使其成为传统合成吸附剂的可持续替代品，符合循环经济原则。 除了环境应用外，壳聚糖-纤维素体系还因无毒、抗菌性和阻隔性能而被应用于生物医学、包装和农业领域[16][17][18]。通过接枝或复合制备实现结构改性，可提高界面粘附力、机械强度和多功能性。将纤维素纳米晶体或微纤维引入壳聚糖基质中可增强拉伸性能、柔韧性和气体阻隔性能，同时保持可生物降解性。此外，壳聚糖的阳离子特性支持多种制备方法（如溶液浇铸、静电纺丝和逐层组装），有助于大规模生产先进薄膜和支架[19][20][21]。 尽管取得了进展，但仍存在诸多知识空白。大多数研究仅定性证明了壳聚糖、纤维素与可生物降解聚合物之间的相容性增强，但接枝程度、界面化学性质与宏观性能之间的定量关系尚不明确。此外，不同制备方法下的工艺-结构-性能关系的对比分析不足，阻碍了工业化应用。需要建立包含流变学、形态学和生物降解分析的标准框架来指导材料设计[21][22][23]。 本文系统地研究了壳聚糖接枝纤维素增强型可生物降解聚合物复合材料，重点探讨了改性策略、制备技术、物理化学性质和环境应用，并指出了当前的限制因素（如界面相互作用理解不足、可扩展性挑战以及在实际条件下的降解评估有限），这些因素限制了其更广泛的应用。通过强调壳聚糖-纤维素复合材料的结构定制和多功能性能，本文将其定位为下一代可持续材料，适用于包装、污染物去除和生物医学应用（见图2、表1）。

纤维素和壳聚糖简介

纤维素是一种来自天然资源（如木材、植物、藻类等）的生物聚合物；壳聚糖则主要从甲壳类动物（如螃蟹、虾、磷虾、藻类和真菌）的壳中提取。这两种聚合物在多个领域具有广阔的应用前景，具有相似的特性。

利用壳聚糖改性纤维素表面

壳聚糖多糖链中的活性功能基团使其易于接枝改性。氨基团可参与形成新的功能连接，同时还能进行烷基化、季铵化以及与醛类和酮类的反应；羟基团则可用于接枝、O-乙酰化、与极性原子的氢键结合及交联。这些功能基团的组合为改性提供了坚实的基础。

壳聚糖-纤维素复合材料的形态学特性

壳聚糖-纤维素复合材料的形态对其在生物医学和环境应用中的性能至关重要。研究表明，这两种生物聚合物的结合能够形成致密的三维多孔结构，这种结构对于流体传输和吸附过程特别有利。

壳聚糖改性纤维素复合材料的制备

壳聚糖改性纤维素复合材料因其独特性能而在多种应用中得到广泛应用。制备这类复合材料的技术包括溶剂浇铸、化学交联、冷冻干燥、逐层沉积、静电纺丝等，具体方法取决于应用场景（如生物医学设备、药物输送等）。

壳聚糖改性纤维素复合材料的应用

壳聚糖改性纤维素复合材料因其生物相容性、可生物降解性、机械强度和抗菌活性而备受关注，适用于伤口愈合、食品包装、水处理和化妆品等领域。

未来研究方向

未来研究应重点优化表面改性策略、制备方法和应用性能，以及材料的可扩展性和商业化。选择合适的溶剂、反应条件及物理/化学/生物改性方法将提高研究的可重复性，并促进跨学科比较。此外，还需控制材料的形态、孔隙结构和机械性能。

结论

壳聚糖接枝纤维素复合材料在可持续材料科学领域具有巨大潜力，结合了壳聚糖的抗菌性、生物相容性和可生物降解性以及纤维素的机械增强和结构适应性。本文全面综述了壳聚糖接枝纤维素增强型可生物降解聚合物复合材料的开发进展，包括其物理、化学和生物改性方法。

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- Md. Masud Rana：撰写综述与编辑、初稿撰写、监督、方法设计、数据整理、概念构建 - Mahfuzul Islam：初稿撰写、数据验证、分析处理、数据整理 - Nurus Sabah Anam：初稿撰写、数据验证、分析处理 - Ahmadullah Siddiki：初稿撰写、数据验证、分析处理 - Zannatun Naim：综述与编辑

写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明

作者在撰写过程中使用了ChatGPT和Grammarly工具来提升文本的可读性和语言表达。使用这些工具后，作者对内容进行了必要的审阅和修改。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢伊斯兰大学应用化学与化学工程系（库斯蒂亚，孟加拉国7003）的支持，使我们能够开展这项研究。