氨基納米纖維素的制備及其抗菌應用研究進展

于亞童 王曉映 王文波 趙 鑫 孔凡功 王守娟

（齊魯工業大學（山東省科學院）生物基材料與綠色造紙國家重點實驗室，山東濟南，250353）

纖維素是由β-D-吡喃式葡萄糖通過β-1,4-糖苷鍵連接而成的線性高分子化合物，主要來源有木材、竹材、農作物秸稈、海藻、細菌和真菌等[1]，是一種天然可再生資源，具有良好的生物相容性和可降解性。纖維素分子鏈上的活性羥基可以發生氧化[2]、醚化[3]、酯化[4]和接枝共聚[5]等反應，從而使纖維素分子鏈上具有羧基、氨基和羰基等官能團，為纖維素增添新的功能，如氨基化纖維素可以用于細菌的捕獲和CO2及金屬離子的吸附[6]。納米纖維素是指直徑在1～100 nm的纖維材料[7-9]，其既保留了天然纖維素的良好性能，且比表面積大、透明度高、強度大、密度低[10]，不僅可以作為吸附抗菌材料，還可以作為藥物載體、組織替代材料等用于生物醫藥領域。

氨基化納米纖維素，又稱胺化納米纖維素，是通過將含有氨基的化合物交聯到納米纖維素表面得到的功能化纖維[11]。由于氨基帶有正電荷，所以氨基改性后的納米纖維素分子表面大都顯正電；同時，氨基可以增強纖維素與金屬離子的絡合能力，這都有利于增強納米纖維素與細菌的結合力，為氨基化納米纖維素在抗菌材料中的應用提供可能。本文首先介紹納米纖維素常用的制備方法和納米纖維素氨基化改性的研究進展；最后對氨基化納米纖維素的抗菌機理和在抗菌材料中的應用進行綜述。

1 納米纖維素的制備

納米纖維素是以天然纖維為原料，經物理或化學等手段處理得到的直徑在1～100 nm的纖維材料。圖1所示為以木質纖維素為原料制備納米纖維素的簡單流程[12]，木材粉碎后利用化學試劑（氯水或硝酸乙醇等）去除半纖維素和木素，得到纖維素，在分子間氫鍵的作用下，纖維素分子纏繞成微米級的結構；然后經化學、物理或生物手段處理，破壞分子間氫鍵作用，得到分散程度更高的納米纖維素。依據獲得纖維的長度和結晶度等性能的不同，將木質納米纖維素分為纖維素納米纖絲（CNF）和纖維素納米晶體（CNC），具體特征見表1。CNF的結晶度低于CNC，可用于負載粉狀納米材料[13]，CNC則具有更好的剛性，可用作增強填料[14]。

表1 不同類型納米纖維素的特征Table 1 Characteristics of different types of nanocellulose

圖1 納米纖維素生產工藝流程[12]Fig.1 Production process of nanocellulose[12]

細菌纖維素（BC）主要由醋酸桿菌、土壤桿菌、腸桿菌、固氮菌和根瘤菌等微生物合成[15-16]，BC的分子鏈長度明顯高于木質纖維素，且合成時具有很高的純度和結晶度，常用于生物醫用材料，如傷口敷料[17]等。

納米纖維素的制備方法主要分為機械法、化學法、生物法以及化學/生物預處理結合機械法，很多人已經對納米纖維素的制備方法進行了綜述[10,21-22]。機械法大致分為高壓均質法、研磨法、高強度超聲法和靜電紡絲法等，主要借助機械剪切力破壞分子間的氫鍵作用，使纖維素分子更好地分散。常用的化學法包括氧化法和酸水解法等；其中，TEMPO（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧化物自由基）氧化法在TEMPO/Na?Cl/NaBr共氧化劑體系下，將纖維素大分子鏈上的伯羥基氧化為羧基，達到降低分子間氫鍵作用的目的，是最常用的氧化處理方法。酸水解法借助無機酸對纖維素分子鏈的破壞作用，將纖維素分子的無定形區部分或全部去除，通過斷裂糖苷鍵降低聚合度，進而使纖維機械強度降低；常用的試劑包括鹽酸、硫酸、磷酸和氫溴酸等。生物法利用生物處理來降低纖維素分子間氫鍵作用，最常用的方法是酶水解法，一般選用內切葡聚糖酶、外切葡聚糖酶和葡萄糖苷酶等纖維素酶作為處理試劑。圖2為納米纖維素常見的制備方法。

不同制備納米纖維素的方法優缺點如表2所示，為了提高納米纖維素的制備效率，降低制備過程中所需的能耗，通常將2種方法結合使用。例如，首先利用TEMPO氧化或溶劑處理等方法降低分子間氫鍵作用，然后利用機械法分散纖維素，制備得到納米纖維素，該工藝流程不僅減少了化學處理過程中各種試劑對環境的污染，而且降低了單純機械法制備納米纖維素過程中所需能耗。

表2 不同納米纖維素制備方法的對比Table 2 Comparison of different preparation methods of nanocellulose

納米纖維素制備工藝簡單，原料來源豐富，生產成本低廉，且具有良好的生物相容性和可降解性，作為工業原料替代傳統材料，可以降低生產成本和環境污染。例如用納米纖維素材料替代聚乙烯等作為包裝材料。此外，納米纖維素在廢水處理[30-31]、電子工業[32-34]、傳感器[35-37]和食品工業[38-39]等領域也有非常廣泛的應用。近年來，納米纖維素在生物醫學領域的應用引起了廣泛關注，主要應用包括傷口敷料、組織再生材料及藥物載體等[40-43]。作為一種環保可再生資源，納米纖維素在各領域有廣闊的發展前景，但完全替代傳統材料尚有不足，如納米纖維素脫水后的角質化問題、納米纖維素的二次聚集、高濃度納米纖維素不易制備、納米纖維素材料衍生物的延展性差等問題還有待解決。

2 不同類型納米纖維素的氨基化

利用酯化、醚化、酰胺化等反應可以將分子中含有氨基的化合物接枝到納米纖維素表面，使納米纖維素表面帶有正電荷，從而吸附細菌等。本文首先介紹CNF、CNC和BC 3種納米纖維素的氨基化改性方法，然后簡要介紹氨基化納米纖維素作為抗菌材料的應用。

2.1 CNF的氨基化改性

以天然纖維素為原料，經機械法、化學機械法、酶機械法等方法制備的CNF表面含有活性羥基或羧基，通過接枝反應將含有氨基的化合物接枝到CNF表面，實現CNF的氨基化改性，其中最常用的接枝反應是硅烷化反應。劉雙等人[44]以桉木漿為原料，采用化學機械法制備CNF，然后以3-(2-氨基乙氨基)丙基甲基二甲氧基硅烷（AEAPMDS）為改性劑，經懸浮滴定、叔丁醇置換和冷凍干燥處理得到氨基化CNF氣凝膠，制備流程如圖3所示。Gebald等人[45-46]以山毛櫸漿為原料，利用機械法制備CNF，并分別以3-氨基丙基甲基二乙氧基硅烷（APDES）和AEAPMDS為改性劑進行CNF氨基化改性，最后利用冷凍干燥處理得到氨基化CNF。Gebald等人[47]以山毛櫸木漿纖維懸浮液為原料，利用機械法制備CNF，然后以AEAP?MDS為改性劑制備氨基化CNF。Wu等人[48]以CNF為原料，以N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基甲基二甲氧基硅烷（APS）為改性劑，完成了CNF的氨基化改性。

圖3 氨基化CNF合成示意圖[44]Fig.3 Schematic diagram of aminated CNF synthesis[44]

此外，醚化反應和酰胺化反應也是常用的CNF氨基化手段。He等人[49]以工業漂白硫酸鹽針葉木漿為原料，利用高壓剪切均質法制備CNF，并將CNF與2，3-環氧丙基三甲基氯化銨在堿性環境下反應，經冷凍干燥后得到季銨功能化CNF氣凝膠。Maatar等人[50]以桉木漿為原料，經TEMPO氧化、高壓均質和冷凍干燥處理得到直徑10～40 nm的CNF，然后將十六烷基胺接枝到CNF表面，實現CNF的氨基化改性。Zhao等人[51]以毛竹漿為原料，以乙二胺為氨基化試劑，經機械處理、酰胺化改性和冷凍干燥得到氨基化CNF氣凝膠。

2.2 CNC的氨基化改性

以纖維素為原料進行CNC的生產過程必然包含去除纖維素無定形區域的處理，最常用的方法是硫酸水解法，鹽酸和磷酸水解法也是經常使用的。雖然硫酸和磷酸水解法可能會在纖維表面引入少量的磺酸和磷酸基團，但由于數量有限，對后續反應沒有明顯影響，在CNC后續氨基化反應過程中，常用的反應基團主要是活性羥基。

常用的與纖維表面羥基進行的接枝反應是硅烷化反應。Wang等人[52]以微晶纖維素為原料，將硫酸水解法和超聲處理相結合，制備出平均直徑（25.4±5）nm的CNC，然后以AEAPMDS為改性劑，經冷凍干燥或超臨界CO2干燥處理得到氨基化CNC氣凝膠。Zhu等人[53]利用硫酸水解法將微晶纖維素制備成CNC，然后以APS為改性劑，經化學氣相沉積法制備出孔徑約為12 nm的氨基化CNC氣凝膠。Zhang等人[54]以微晶纖維素為原料，利用硫酸水解和超聲處理制備CNC，經懸浮滴定、叔丁醇置換和冷凍干燥等處理得到CNC氣凝膠，然后用AEAPMDS對CNC氣凝膠進行氨基化改性得到氨基化CNC氣凝膠。Khanjanzadeh等人[55]以CNC懸浮液為原料，以3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）為改性劑，制備了氨基化CNC水凝膠。

此外，部分研究還在纖維表面引入羧基，利用酯化反應進行CNC的氨基化。Jin等人[56]以漂白硫酸鹽楊木漿為原料，經硫酸水解、高碘酸鈉氧化和超聲處理得到直徑3～8 nm的CNC，然后通過還原胺化處理接枝乙二胺后得到帶有游離伯氨基的CNC，圖4為CNC的氨基化反應過程。同時，腙化反應也是實現CNC氨基化改性的一種方法，Du等人[57]以針葉木亞硫酸鹽漿為原料，將硫酸水解和超聲處理相結合，制備了長度（84±23）nm、直徑（4.9±0.6）nm的針狀CNC懸浮液，然后加入醋酸鈣、硼酸鹽和水合肼，利用腙化反應實現CNC的氨基化改性。

圖4 CNC的高碘酸鈉氧化還原胺化反應示意圖[56]Fig.4 Schematic diagram of sodium periodate REDOX amination reaction of CNC[56]

2.3 BC的氨基化改性

與木質纖維素不同，BC在菌膜中通常保持納米級別的直徑，但由于分子間的氫鍵作用，且BC分子質量相對較大，因此BC一般是網狀結構存在。氨基化過程能有效地降低BC分子間氫鍵作用，實現BC的均勻分散。常用的實現氨基在BC表面接枝的反應包括酯化反應、環氧氯丙烷改性等。Huang等人[58]以木醋桿菌培養物中獲得的直徑在10～50 nm的BC為原料，用活性炭（AC）、乙二胺和負載四氧化三鐵的二氧化硅（Si@Fe3O4）進行改性，經磁性共沉淀法制備磁性二氧化硅納米顆粒（MS），與BC、AC混合制備了BC/AC磁性復合材料（MBCAC），最后用乙二胺進行氨基化改性，制備了一種新型的納米結構氨基功能化磁性細菌纖維素/活性炭（AMBCAC）復合生物吸附劑，如圖5所示。Shen等人[59]以木醋桿菌培養物中獲取的BC為原料，利用環氧氯丙烷和二乙烯三胺對BC改性，制備氨基化BC。Klemm等人[60]利用木醋桿菌和葡萄糖合成BC，并在培養過程中將其直接設計為管狀BC（BASYC?），用作人造血管插入物。Bari等人[61]以木葡糖桿菌中提取的BC為原料，利用環氧氯丙烷將金屬硫蛋白接枝到BC表面，實現BC的氨基化改性。Yang等人[62]以漢氏葡糖桿菌中提取的BC為原料，以聚間苯二胺（PmPD）為改性劑，制備出直徑為數十到數百納米的BC/PmPD納米復合材料。Ab?dali等人[63]利用氨基化石墨烯（AMG）與BC進行一步酯化反應，合成交聯BC-氨基石墨烯/聚苯胺（CLBCAMG/PANI）納米復合材料。Cheng等人[64]以BC膜（BCM）為原料，以三乙氧基硅烷為交聯劑，將乙二胺四乙酸接枝到BCM上，實現BC的氨基化改性。

圖5 AMBCAC的制備及對Pb2+和甲基橙（MO）的吸附原理圖[58]Fig.5 Preparation of AMBCAC and its adsorption schematic diagram for Pb2+and methyl orange(MO)[58]

3 氨基化納米纖維素的抗菌性能

納米纖維素本身帶有負電荷，不能實現細菌的附著，也不具有抗菌能力，將具有抗菌能力的物質（如銀離子等）與納米纖維素結合，形成的新材料用作抗菌材料，在細菌生長過程中由于環境的改變將具有抗菌能力的物質逐步釋放，達到抑制細菌生長的目的。本文所提及的氨基化納米纖維素是通過共價鍵作用將含有氨基的化合物接枝到纖維素表面，因在細菌生長的過程中無法釋放具有抗菌能力的物質，但氨基化納米纖維素表面帶有正電荷，可以與帶負電荷的細菌吸附，這為氨基化納米纖維素的抗菌提供了可能。

氨基化納米纖維素的抗菌機理尚不明確，常見的抗菌假說大致分為以下幾種。氨基化納米纖維素表面帶有正電荷，可以促進納米纖維素與細菌表面多種帶有負電荷的磷脂（如甘油磷酸酯、心磷脂、磷脂酰絲氨酸等）作用，破壞細菌的完整性，達到抑菌的目的；研究表明，帶有正電荷的粒子抗菌能力與所帶的電荷量成正相關。同時，氨基是一種強絡合能力的基團，氨基與細菌外膜中的Ca2+或Mg2+作用，會破壞細胞膜的穩定性，使膜的透過性增加，從而達到抑菌的效果，帶正電荷的粒子與細菌表面接觸，會擾亂細胞膜的透過性能。此外，氨基化纖維素通過吸附作用達到抑菌的效果，這一作用能在一定程度上抑制細菌耐藥性的產生。纖維素來源廣泛，價格低廉，將改性纖維素作為抗菌材料用于醫療和食品材料，能有效降低成本。

通常利用硅烷化反應將含有氨基的化合物接枝到纖維素表面，利用氨基所帶正電荷吸附細菌，通過破壞細菌外膜離子平衡達到抑菌效果，且材料表現無毒或低毒性，在生物醫藥和食品包裝等領域有良好的應用。Shao等人[65]利用APTES改性BC得到的材料能有效抑制大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌增殖，且不影響HEK293細胞的正常生長。Guillaume等人[66]以BC為原料，分別以APS和AEAPS為改性劑在水相中實現了BC的氨基化改性，改性后的纖維材料能有效抑制金黃色葡萄球菌的增殖。Saini等人[67]以CNF懸浮液為原料，以APS為改性劑，通過接枝反應合成了一種非浸出抗菌表面，對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌有良好的抑制效果。Fer?nandes等人[68]以BC為原料，利用APS為改性劑制備的氨基化BC能有效抑制金黃色葡萄球菌和大腸桿菌增殖，且對人體細胞無毒。Jean等人[69]以CNF為原料，氨己基氨丙基三甲氧基硅烷為改性劑制備的材料兼具抗菌和低毒性的特點，是一種良好創傷愈合材料。

此外，研究者還利用酰胺化反應和原子轉移自由基聚合反應（ATRP）將含有氨基的化合物接枝到纖維表面，對纖維素進行氨基化改性，可實現水凝膠等抗菌材料的制備，通過破壞磷脂膜的結構達到抑菌的目的。Fourmann等人[70]利用TEMPO氧化法制備了CNF，然后將CNF與CNC、N-異丙基丙烯酰胺等材料復合成一種可用于3D打印的材料，然后在N,N-二甲基甲酰胺體系中利用N,N’-二環己基碳酰亞胺和N-羥基-琥珀酰亞胺為催化劑，將ε-聚賴氨酸交聯到纖維表面實現抗菌水凝膠的制備，該水凝膠材料對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌和假單胞桿菌等的增殖均有良好的抑制作用。Shokri等人[71]以微晶纖維素為原料，以五甲基二乙烯三胺和甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯為改性劑，首先將微晶纖維素進行芐基化，然后采用均相ATRP法制備了一種新型氨基纖維素衍生物。抗菌實驗表明，改性材料能有效抑制大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌和腸炎沙門氏菌的增殖。

氨基化納米纖維素已經用于飲用水的凈化、食品包裝材料的生產、藥物的合成與制備以及生物醫用抗菌材料等領域。研究表明，提高氨基化納米纖維素表面所帶的正電荷有利于增強其抗菌性能，但過量的正電荷也會增加材料本身的毒性，因此，如何控制纖維材料所帶的電荷量既保持材料的抗菌性能，又保持材料的低毒性仍有待研究。同時，如何解決氨基化納米纖維素表面正電荷引起機體的免疫應激問題，也仍需深入研究。

4 結 語

氨基化納米纖維素是一種良好的工業原料，在食品和醫藥領域有廣泛的應用，常用的氨基化納米纖維素的制備流程大致分為納米纖維素的制備和納米纖維素的氨基化修飾。復雜的工藝流程會增加產品的生產成本和產品品質控制的難度，因此研究纖維素高效氨基化的方法，實現纖維素原料到氨基化納米纖維素的直接制備，有利于提高氨基化納米纖維素的品質。

氨基化納米纖維素的抗菌性主要由氨基所帶正電荷產生，將氨基化納米纖維素用于食品、醫用包裝材料和用具，有利于降低材料的成本，但帶有正電荷的粒子在體內會引起免疫反應，難以適用于機體內相關應用。通過控制纖維分子表面所帶的電荷量和手性修飾的方法可以降低免疫系統對于正電荷粒子的排斥作用，因此，調控氨基化納米纖維素表面所帶的電荷量，調節氨基化納米材料的手性，實現氨基化納米纖維素在機體內抗菌的應用是值得關注的問題。