IF：48！东北林业大学于海鹏/沈阳化工大学赵大伟Prog. Mater. Sci.顶刊综述：纤维素及其衍生物的功能性设计与生物医学前沿应用

功能性生物材料的设计与研发为疾病的快速诊断、治疗和组织修复提供了新的途径与机遇。纤维素作为一种可循环再生的天然多糖高分子，其出色的生物相容性、独特的结构-功能设计性及加工可扩展性，衍生出的功能性生物材料及可植式电子器件在生物医学领域展现出巨大的应用潜力。

近日，东北林业大学于海鹏教授与沈阳化工大学赵大伟教授在“Progress in Materials Science”期刊发表了题为“Sustainable cellulose and its derivatives for promising biomedical applications”的综述文章。第一作者为东北林业大学博士研究生程婉可、朱颖。该文章首先分析了纤维素及其衍生化材料在生物医疗领域的研究进展现状，通过研究纤维素的分子结构特点、借助物理/化学改性、引入动态网络设计和扩展加工方式，重点介绍了将纤维素构建为功能性生物医学材料的设计思路和衍生化策略，讨论了纤维素基生物功能材料在保健品、伤口敷料、药物输送、组织工程、电子皮肤和智能医疗诊断等方面的最新研究进展。最后，作者对纤维素基生物医学材料在智能化、个性化及集成化生物医学应用方面的技术挑战、存在的问题及发展前景进行了展望性分析。

纤维素是最丰富的天然生物材料，可来源于如植物(树木和藻类)和细菌的多种生物系统。与淀粉和其它糖源食物一样，纤维素是一种由葡萄糖分子组成的多聚糖高分子物质（图1），具有丰富的活性基团羟基（-OH），与生物体的同源属性使其展现出理想的生物相容性。通过各种物理-化学处理（如强酸，高速剪切，高强度超声等）、表面基团和分子结构设计（如，氧化、酯化、醚化、接枝等）、以及功能性材料杂化等（图2），纤维素可很好地被设计与开发为各种功能性的生物材料，如碳点、支架、多孔膜和软凝胶材料，展现出可调控的光学、热学、力学及离子传输性能，使其可广泛应用于伤口敷料、生物传感器、人工血管、组织工程等医疗健康领域。

图1 纤维素分子结构、特性及生物医疗应用

图2 常见的纤维素改性方法及常用的纤维素衍生物的化学分子式

通过各种物理、化学或生物方法提取/合成的纤维素，通常需要加工和成型操作，以使其适合各种应用场景与领域。纤维素在水和有机溶剂中的不溶性通常是其加工和生物医学应用的一个限制因素。然而，经过多年的研究，已经形成了纤维素的衍生化和非衍生化溶剂（如离子液体和金属盐水合物）的庞大体系。与此同时，利用新颖的、先进的静电纺丝、直接印刷、3D打印、喷墨打印、立体光刻、界面扩散整合、以及4D打印等（图3），纤维素可以被塑造成具有多层精密结构与功能特性的生物医用材料，其在骨骼再生、血管再造、器官移植、神经修复等方面展现出巨大的应用潜力。

图3纤维素的先进加工策略

纤维素具有良好的加工性和结构性能可设计性，可设计为保健品添加剂、伤口敷料、药物缓释体、组织工程体（细胞培养、骨组织、血管组织）等直接应用于人体内部；或作为外部器件组分使用，如人体运动监测仪的电子皮肤、人体生命信号监测仪、外部环境监测仪等（图4）。另外，还有一些前景无限的应用方向，如病毒分离、蛋白质回收、DNA提取、生物特征成像、指纹识别以及图像和信息加密等。

图4 纤维素功能材料在生物领域应用部分展示

图5 纤维素及其衍生物在生物医学领域的应用展望

综上所述，纤维素以其优异的性能和广阔的发展潜力，在生物医学领域展现出可喜的应用前景。但是，目前对纤维素产业链前端的综合设计性研究还明显不足，医疗卫生领域应用的安全性评价体系等也有待完善和推广。在这里，文章分析与讨论了纤维素在生物功能材料设计及医疗健康应用的发展方向与策略：如，未来对纤维素材料的基因编辑和调控技术有必要继续发展；进一步发展纤维素的加工和设计能力，实现纤维素的绿色化提取与分子尺度的功能性友好设计；建立科学的纳米毒性评价体系与指标函数，确定最佳的纳米尺度范围与材料性能间的动态平衡关联性；扩展纤维素基生物医学设备健康监测系统、发展微型能源装置、纤维素嵌入式/植入式等便携式检测装置，促进生物电子学发展与新型电子器件研发。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2023.101152

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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