《Materials Today》综述：自然启示--纳米纤维素基材料的仿生设计

以下文章来源于EngineeringForLife ，作者EFL

大自然为各种应用的材料和结构设计提供了许多灵感。仿生设计模板主要包括贻贝、珍珠质和各种植物物种。作为一种可持续和可再生的原料，纳米纤维素可用于通过仿生设计制造具有多功能特性的先进材料。然而，要充分发挥新型材料设计的潜力，挑战和机遇依然存在。

近日，来自华美国橡树岭国家实验室的Xianhui Zhao、Soydan Ozcan联合美国田纳西大学农业研究所的Kai Li团队综述了仿生纳米纤维素基材料及其应用的最新进展。文章总结了仿生纳米纤维素基材料的功能和应用，讨论了仿生设计模板以及合成模拟物开发的策略、优势和挑战。此外，还讨论了导致仿生设计的机制和过程。最后，强调了仿生纳米纤维素基材料的未来研究方向和机遇。相关论文“Bioinspired design toward nanocellulosebased materials”于2023年5月4日在线发表于杂志《Materials Today》上。

纳米纤维素是由分子水平上重复β-（1，4）连接的D-葡萄糖单元制成的，纳米纤维素表面有许多OH基团。纳米纤维素独特的化学结构为其在仿生应用中的应用提供了化学基础。作者首先总结了目前对生物材料作为纤维素基材料设计灵感来源的主要示例的理解，包括无机/有机复合材料（如贻贝，珍珠层，鱼皮（图1）），有机/有机复合材料（如鱿鱼喙，人体皮肤，弹性蛋白（图2））和其他来源。多样化的解决方案可用于工程具有有趣特性的有前途的新型仿生纤维素基材料。

图1 贻贝和珍珠层示意图

图2 鱼皮、鱿鱼喙和果蝇的结构

然后，作者讨论了不同研究结果中的生物启发设计策略（表1）。生物矿化是对生物生产材料及其形成过程的研究。生物矿化可以模仿骨骼和牙本质的分层结构和化学成分。矿化纳米纤维素模仿骨骼的分层结构和化学成分，可用于生产候选的杂交复合材料，用于修复和/或再生受损骨骼或牙齿。图3显示了制造矿化排列的CNF复合材料的示意图。材料的分子组装可以提供纳米隔室并实现矿化。矿化可以帮助克服纤维素基材料的低机械性能并改善生物活性性能。

表1 各种研究成果中的生物启发设计策略

图3 制备矿化纳米复合材料的示意图

然后，作者介绍了纳米纤维素的功能和应用。纳米纤维素是开发超疏水材料的有前途的基质，因为它是可再生的，可生物降解的，并且与传统基材不同，具有独特的物理，化学和机械性能。表2显示了具有特定功能的纳米纤维素基材料之间的一些代表性差异。纳米纤维素已被证明在适当处理后表现出超疏水性（水收缩角>150°）（图4）、附着力、阻燃性和吸附性（图5）。

表2 具有特定功能的纳米纤维素基材料的代表性差异

图4 仿生纳米纤维素基材料的功能

图5 仿生纳米纤维素基材料的制备及机理

智能材料是一类先进材料，旨在以受控方法响应外部刺激。利用纤维素固有的特性，可以在纳米纤维素中触发刺激反应。CNC可以用侧敏基团进行官能化，并用于制造胶体，这些胶体可以根据温度变化从固体变为液体状行为。同样，CNC内广泛的氢键可以为复合材料赋予水响应特性（即自愈）。根据复合材料中的聚合物基质和所使用的特定化学成分，还可以在CNC复合材料中创建形状记忆，允许形状变化作为对刺激的反应（图6）。

图6 纳米纤维素基材料的形状记忆

基于生物启发的纳米纤维素材料和技术已被设计为具有传感能力（图7），包括光子、气体/化学、溶剂和应变传感。

图7 基于生物启发的纳米纤维素传感器和执行器示例

此外，水凝胶/纤维素系统已被选为组织工程的潜在侵入性替代方案，以促进功能性组织愈合过程。不同类型的纳米纤维素可以用作组织工程的水凝胶支架的基质。为了满足不同组织的要求，已经建立了包括使用交联剂和添加剂在内的策略，以生产具有可控机械性能和可定制生物相容性的纳米纤维素（图8）。

图8 纳米纤维素基材料的愈合能力或吸油性

综上，作为一种可持续的原料，纳米纤维素可以集成到仿生材料中，从而具有表面清洁、防冰、耐水、耐粘附和刺激反应等多功能性能。许多设计的灵感来自珍珠层、贻贝、鱼、苍蝇和植物。应用仿生设计的主要策略包括生物矿化、涂层和自组装。作者总结了仿生设计背后的机理：纳米纤维素基复合材料的形状记忆机制主要包括润湿/拉伸、干燥/释放和润湿/干燥。

需要对仿生设计和相容性进行基础研究，以改善纳米纤维素基材料的功能，如图9所示。已经开发了一些策略，以提高复合材料的力学性能，但这种性能增强背后的机制尚未得到深入研究。纳米纤维素的固有吸湿性必须通过适当的方法解决。当纤维素基材料作为纤维应用于复合材料中时，纤维素与基体之间的界面粘附可能会限制复合材料的性能。另外，（1）与许多用于工业应用的新材料一样，纳米纤维素的标准和法规仍在制定中。（2）需要探索降低纳米纤维素基材料的成本以进行生物启发设计。（3）从根本上了解不同的自然系统如何工作及其功能的起源至关重要。

图9 总体研究方向和对仿生纳米纤维素基材料的需求

文章来源：

https://doi.org/10.1016/j.mattod.2023.04.010

转自：“i学术i科研”微信公众号

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