蝉蜕几丁质纳米纤维的制备文献综述

 2022-05-10 08:05

1 前言

1.1研究背景

纳米材料因其巨大而活泼的比表面积，从而具备不同于一般材料的特殊性能--纳米效应，可被广泛应用于各种高机能材料，如轻质高强材料、可曲折性液晶材料、超导材料、包装材料以及保健用品等等。生物纳米材料与无机纳米材料相比较而言，在生物功能方面具有突出优势，且来源于可再生生物资源，对可持续社会发展意义重大。目前生物纳米纤维材料技术已成为世界各国热点研究的重点项目及先端技术之一[1]。

常用的纳米制备有两条路线，一是基于分子水平的“从下而上”的方法，包括电纺，模型合成和相分离等。但通常来说，这种分子整列的方法很难得到具有高结晶度的纳米纤维。另外一条路线则基于对天然生物资源的利用，即所谓“低尺度化”的方法，运用这种方法制备的纳米纤维往往具备高结晶度的特点。尚若可以运用这类方法从各类天然多糖（如纤维素、甲壳素等）获得纳米纤维，那么这些纳米纤维在具备纳米效应的同时亦具备生物可降解性，生物可再生性以及生物兼容性等优势特点。

几丁质是一类大量存在于自然界的天然多糖，其储存量仅次于纤维素，纤维素主要存在于高等植物中，而甲壳素则主要存在于动物体，比如螃蟹壳、虾壳、鱿鱼顶骨等，一些真菌和昆虫中也含有甲壳素。甲壳素是最丰富的含氮类结构多糖，当纤维素的2位羟基被氨基或者乙酰氨基取代后则成为甲壳素。我国每年都有大量的螃蟹壳、虾壳、鱿鱼顶骨以及昆虫外壳等作为废弃物产生，有效利用甲壳素作为功能性材料迫在眉睫。甲壳素含氮，因而具有特别优良的生物学性能，且甲壳素中天然存在的氨基使其具有更好的化学及生物反应性。甲壳素及其脱乙酰基产品壳聚糖，已被诸多研究者报道，并广泛应用于化妆品、生物医学产品、水工程、药物传递系统等。

1.2立题依据

近年来，随着石油、天然气、煤炭等不可再生资源的不断消耗，国际石油史上接连出现了四次“危机”，各国政府纷纷出台了各项政策以控制不可再生资源浪费和使用量，促进新能源、可再生资源的开发和利用[2]。几丁质是自然界中继纤维素之后的第二大储量生物质资源，其同纤维素一样可被制备为纳米几丁质。这类纤维具有特别优良的生物学性能，表面氨基使其具有良好的化学及生物反应性，可广泛应用于生物医学产品、药物传递系统、组织工程等领域。

纳米几丁质具有良好的疏水性、合适的长径比以及优异的物理增强性能等众多优点。因此，采用几丁质作为原料，将其制备为纳米纤维，进一步研究导电材料、膜材料、凝胶材料、光热响应材料等可以有效地提高纳米几丁质资源的附加值，也将大大开拓纳米级定制的应用领域，促进生物质材料的发展，更是一条缓解不可再生资源损耗的有效途径之一，具有研究意义。

2 文献综述

2.1 几丁质简介

几丁质是自然界中产量仅次于纤维素的第二大天然高分子化合物，其也是自然界中唯一一种表面带有正电荷的天然高分子高聚物，亦是数量最大的含氮有机化合物。几丁质结构为重复N-乙酰葡糖胺的糖单体，它是一种葡萄糖的改性在C位置上取代的氨基，又称(1-4)-2-乙酰胺基-2-脱氧-beta;-D-葡聚糖，或简称聚乙酰胺基葡萄糖，分子式为(C8H15NO6)n，分子量一般在105[3]。几丁质分子化学结构与纤维素的分子结构排布很接近，同样都具有长链的羟基排列，从几丁质的分子构造上，如果将纤维素羟基链上的C2位上的-OH基团变成为-NHCOCH3基团，就是几丁质分子。但几丁质与纤维素相比在N含量上存在较大差异，几丁质分子中N的含量高达6.90%，而纤维素分子N的含量仅为1.2%左右，而且大多数以游离态存在。几丁质的分子结构见图1。壳聚糖是几丁质的 N-脱乙酰化衍生物，尽管这种N-脱乙酰化是最完全的，但至今几丁质和壳聚糖之间尚未确定关于N-脱乙酰化程度的精确命名法，在研究中一般认为几丁质脱乙酰程度达50%以上方可称为壳聚糖，由于壳聚糖中存在大量的氨基，使得壳聚糖容易溶于稀酸等。

图1 几丁质的结构

2.2 几丁质的性质

与纤维素相似，在几丁质分子的链状结构上的葡萄糖单元同样具有大量的羟基，这使得几丁质分子链很容易形成分子内和分子间的氢键。由于几丁质分子中存在大量交织的氢键，使其具有明显的结晶区和非结晶区区域，这些几丁质分子的二级结构区域呈现出很强的规律性，这是几丁质晶型结构形成的主要因素。几丁质在三维分子结构中呈现出复杂的双螺旋空间架构，使得几丁质分子内和分子间氢键形成和存在的具有一定的差异性。几丁质中分子间的氢键形成方式是通过C3位置上的羟基与其余游离态的或相邻分子上的氧相互结合得到，而几丁质分子内氢键则通过主体分子链N-乙酰氨基的羟基与别的位置上氧相互作用形成。从氢键的形成位置上看分子内氢键和分子间的氢键略有不同，但都相互连接形成紧密的网络搭接。基于这种方式的结合力使得几丁质表现出高度的结晶性[4]。

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