近20年，由木质纤维原料制备纳米纤维素受到了研究人员的广泛关注。

纳米纤维素具有优异的物理化学性能，如高拉伸强度和弹性模量（130～150GPa）、高比表面积（可达数百m2／g）、低密度（低至1.6g／cm3）、可生物降解性和可再生性等优点，其被广泛应用于水凝胶、气凝胶、生物医药、光电材料、纳米复合材料等领域。

纳米纤维素

基于纳米纤维素的尺寸、形貌和制备技术的不同， 纳米纤维素主要分为纤维素纳米晶体（cellulose nanocrystals， CNCs）和纤维素纳米纤维（cellulose nanofibrils，CNFs），如图1所示。

天津科技大学刘慰，司传领等主要综述了近年来新兴的CNCs和CNFs基水凝胶的制备方法，以及纳米纤维素基水凝胶在生物医学领域（药物输送、创伤敷料、组织工程支架）的应用。

01 CNCs基水凝胶的制备

由于长径比小、结构刚性强，CNCs本身缺乏缠结形成机械性能稳定的水凝胶的能力，因此更适合作为增强剂（或填料）通过表面化学改性或者引入交联网络以获得机械性能稳定的CNCs水凝胶。具体包括物理交联和化学交联两种方法。

1.1　物理交联

物理交联是通过可逆的物理相互作用（非共价键）结合在一起，如聚合物链缠结、范德华力、离子相互作用、氢键和晶体键合。Gonzalez等用冻融技术制备了CNCs／PVA（聚乙烯醇）复合水凝胶。研究发现，CNCs可以作为成核位点，有利于改善复合水凝胶力学性能和阻隔性能。Yang等研究了CNCs表面电荷和长径比对CNCs／PAM（聚丙烯酰胺）复合水凝胶增强能力的影响，结果表明：表面电荷浓度越高，分散性越好，越有利于应力有效的传递；CNCs的长径比越高，越有利于机械加固。De France等制备了一种可注射的纳米复合水凝胶，他们首先采用物理混合的方式将CNCs与腙交联的聚（低聚乙二醇甲基丙烯酸酯）（POEGMA）共混得到前体聚合物溶液，然后通过双筒注射器共挤出反应性前体聚合物溶液而得到纳米复合水凝胶。研究发现，因为纳米复合水凝胶中的CNCs分布均匀，在整个网络中形成了物理交联，因此，仅加入质量分数５％的CNCs，水凝胶的储能模量就可以提高35倍。

1.2　化学交联

与物理交联相比，CNCs通过化学交联引入聚合物水凝胶网络，制备的水凝胶机械性能更强 。CNCs可以自行交联，也可与网状聚合物基质相互交联。为了达到交联的目的，通过表面改性将特定官能团（硅基、羧基或醛基）引入CNCs表面尤其关键。CNCs的表面改性可以通过直接的化学改性或与分子的物理吸附作用来实现。Yang等采用自由基聚合的方法，将硅烷改性的CNCs通过共价结合的方式引入到聚N，N-二甲基丙烯酰胺（PD-MA）水凝胶中，制备了一种CNCs-PDMA纳米复合水凝胶，研究发现合成的纳米复合水凝胶具有力学韧性和可拉伸性，具有比纯PDMA水凝胶更有效的能量耗散机制。Chau等报道了一种CNCs（表面醛基化）增强的POEGMA复合水凝胶，研究表明，该复合水凝胶在结构上具有各向异性，其杨氏模量在正交方向上具有明显的变化，因此该复合水凝胶可作为定向组织工程的有效仿生支架。Liu等开发了一种基于醋酸纤维素（CAA）、羟丙基壳聚糖（HPCS）和氨基修饰的CNCs（CNC-NH2）的可注射多糖水凝胶。结果表明，CNC-NH2具有物理交联和化学交联的双重作用，其力学性能、内部形貌和胶凝时间取决于CNC-NH2的含量。另外，研究发现该水凝胶在生理条件下表现出pH响应特性，在酸性条件下表现出自愈行为，并且具有良好的生物相容性，因此其在实际生物医学应用中展现出巨大潜力。

02 CNFs基水凝胶的制备

与CNCs相比，高长径比和半结晶结构的CNFs具有明显形成缠结网络的倾向，有利于形成机械性能更稳定的水凝胶。CNFs基水凝胶的制备通常采用与金属阳离子交联或与聚合物交联。

2.1 CNFs与金属阳离子交联

Dong等报道了羧基化CNFs（TEMPO氧化法）与不同的金属阳离子（如：Ca２＋、Zn２＋、Cu２＋、AI3＋和Fe3＋）的凝胶化反应，研究发现，不同金属阳离子的价态与CNFs上羧基的结合强度明显不同，因此影响其所交联的水凝胶的机械强度。Zander等研究了Ca２＋和Fe3＋交联的CNFs水凝胶作为组织工程基质，研究发现相比于铁离子交联的水凝胶，Ca２＋交联的水凝胶表现出更佳的细胞附着和扩散特性。

2.2 CNFs与聚合物交联

与CNCs类似，CNFs也可作为增强剂（填料）制备力学性能更加优异的复合水凝胶。由于CNFs具有缠结倾向，使得CNFs的添加量低于CNCs。而且由于CNFs的高长径比和半结晶结构，使得获得的水凝胶更有弹性。Lu等制备了一种利用木质素纳米颗粒作为聚合物网络中动态交联剂的热响应和pH响应的双敏水凝胶，即为CNFs聚异丙基丙烯酰胺复合水凝胶（CNFs-PNIPAM）。木质素纳米粒子的引入赋予水凝胶pH响应性，并可灵活控制水凝胶的凝胶温度，为木质素基材料的开发提供了新的思路。Kong等 开发了一种基于CNFs和PAM的柔韧、高度各向异性的复合水凝胶，并将其应用于肌肉组织。结果表明，所制备的复合水凝胶具有与肌肉相似的各向异性结构，在结构无明显变化的情况下能够发生可逆变形。研究还发现，由于其制备的CNFs具有取向性，并且CNFs与PAM聚合物之间具有较强的黏结和交联作用，该复合水凝胶的纵向拉伸强度可达36MPa。截至目前，已有很多关于物理或化学交联的方法制备CNCs基和CNFs基水凝胶的研究。笔者总结了已报道的将CNCs或CNFs加入聚合物网络或直接用其制备自组装水凝胶的各种方法及其具体在生物医学中的应用（表1）。

03 CNCs和基水凝胶在生物医学领域的应用

3.1　药物输送

CNCs和CNFs具有纳米结构、生物相容性、生物可降解性和表面化学可调等优点，作为生物活性分子的载体具有广阔的应用前景。此外，基于CNCs和CNFs的水凝胶由于其开放的孔隙结构和高比表面积，可以提供更强的生物利用度和更好的载药能力 。因此，近年来，基于CNCs和CNFs的水凝胶的药物传递体系得到了广泛研究。例如，Li等报道了一种多孔胶原／CNCs支架，其中含有碱性成纤维细胞生长因子（bFGF）的可生物降解明胶微球（GMs），可长期释放并促进血管生成。结果发现，复合支架在CNCs的含量为5％质量分数时具有最大的膨胀性能，而GMs／bFGF复合支架中新生和成熟血管数量显著提高。Mauricio等报道了CNCs和淀粉为原料制备微水凝胶的研究，并将制备的微水凝胶用于维生素B12的药物传递，结果发现，复合微凝胶的释放速率比仅含淀粉的微凝胶慢约2.9倍。这是因为CNCs起到药物释放的抑止剂的作用。Lin等开发了一种基于阳离子CNCs（CCNCs）和阴离子海藻酸盐的双膜水凝胶的复合药物共同递送系统（如图2所示）。外水凝胶中的阴离子海藻酸盐可以在前3天内实现头孢他啶水合物的快速药物释放，而内膜水凝胶中的CCNCs可以从第4天到第12天提供表皮生长因子的持续药物释放。因此，双膜水凝胶有望达到协同释放的效果，为解决生物医学领域的耐药性问题提供解决方案。Superamaniam等研发了一种基于磁性CNCs／ 海藻酸盐水凝胶微球的给药系统，结果发现，磁性CNCs的存在可以提高海藻酸盐水凝胶珠的完整性和溶胀率。此外，CNCs的引入，降低了体外药物释放速率。Åhlén等研究了CNCs在壳聚糖-PAA纳米颗粒负载的PVA水凝胶隐形眼镜中对控制眼科药物输送的影响，他们发现含有CNCs的PVA镜片比没有CNCs的镜片表现出更大的延长释放潜力。这是由于纳米颗粒和CNCs之间的原位凝胶化可以通过将颗粒与CNCs互锁并使凝胶固定在PVA网络中来防止浸出。因此，期望通过掺入功能性CNCs来设计新型控释药物眼镜片。

此外，Lauren等研究了只含CNFs的水凝胶在药物传递系统中的应用，他们制备了用于体内药物释放的可注射锝-99m标记的CNFs水凝胶，可跟踪CNFs水凝胶的定位和监测体内药物浓度随时间的变化。结果表明，所制备的CNFs水凝胶可以用作控制释放或局部递送高分子的基质，并且这种具有生物相容性和无毒性的CNFs水凝胶可以通过局部给予纤维素代谢酶而分解成葡萄糖。Pauk-konen等探究了冷冻干燥和随后再水化对TEMPO氧化CNFs（TOCNFs）水凝胶的流变性和药物释放性能的影响，发现冷冻干燥对再分散的CNFs 水凝胶的释药性能没有影响，因此TOCNFs水凝胶可以以干燥形式储存并且仅在需要时再溶胀，这有益于其在真正临床中的应用。近年来，基于CNFs的刺激响应性水凝胶受到了广泛关注，其具有针对特定刺激（例如pH、温度、离子强度）的按需药物释放性能。例如，Mas-ruchin等发明了一种用于药物释放的基于TOC-NFs和PNIPAM的复合水凝胶，该水凝胶同时具有热响应性和pH响应特性。他们发现， CNF-PNIPAM水凝胶的pH响应特性可以通过调节CNFs的羧基电荷含量来获得。通过控制温度，可以进一步调节水凝胶的溶胀比。Zhang等报道了以海藻酸钠和TOCNFs为原料，采用CaCI2溶液交联制备pH响应性凝胶微球的方法。结果表明，制备的凝胶微球在模拟胃液中具有良好的稳定性，保证了胶囊化益生菌在酸性环境中得到更好的保护。同时，它们能够在模拟的肠液中膨胀，促进胶囊化益生菌的释放。因此，制备的凝胶微球在肠道靶向传递益生菌方面具有潜在的应用前景。Paulraj等以苹果果胶（AP）、木葡聚糖（XyG）和阳离子CNFs为原料，采用层层自组装（LbL）法制备了生物激发微胶囊，结果表明该胶囊具有响应性（开／ 关）渗透性和生物相容性。此外，活细胞染色的实验结果表明，该无毒微胶囊可促进细胞生长。因此，该微胶囊在生物学应用中具有潜在价值，例如结肠靶向在胃肠道内的传递。

3.2　创伤敷料

人的皮肤是抵御环境侵害极其重要的物理化学屏障和保护层。然而，在日常生活中皮肤损伤经常发生。为了避免长期损伤，需要对皮肤进行正确的处理，使伤口愈合顺利。创伤敷料是一种治疗皮肤损伤简单有效的方法。“理想”的创伤敷料产品，需要满足以下几个特性：无毒、不致敏；能保持创面潮湿的环境；对气体具有良好的渗透性；具有抗菌活性，能吸收多余的渗出物和毒素，促进愈合，防止进一步的炎症，且必须易于清除，不会对创面造成进一步的创伤。CNCs和CNFs基水凝胶满足上述大部分要求，近年来在创面敷料的应用中受到广泛关注。Liu等报道了半纤维素增强的CNFs水凝胶的制备及其在伤口愈合中的应用，他们采用不同重量比的半纤维素（半乳葡甘露聚糖（GGM）、木葡聚糖（XG）、木聚糖）作为交联剂，可以调节水凝胶支架的结构和力学性能。随后研究了这些性质对创面愈合过程中细胞行为的影响，结果表明XG在CNFs上的吸附能力最高，增强效果最好，在支持成纤维细胞的生长和增殖方面效果最好（NIH 3T3）。这些复合水凝胶在伤口愈合应用中有良好的潜力，可提供支撑网络，促进细胞黏附、生长和增殖。Huang等研制了一种基于水溶性羧甲基壳聚糖和二醛改性CNCs的可注射水凝胶，用于烧伤创面的深度局部厚度烧伤创面愈合。如图3所示，在创面换药时，水凝胶可使用氨基酸溶液随需溶解，加快烧伤创面深局部厚度愈合，消除创面疼痛，防止瘢痕形成。最近，Liu等通过向TOCNFs中引入氨基化银纳米颗粒（Ag-NH2NPs）和明胶（G），开发了一种绿色纳米复合水凝胶。结果表明，0.5mg／mL Ag-NH2NPs（CNF／G／Ag0.5）水凝胶敷料具有较强的力学性能、自愈性、抗菌性，止血性能良好、创面液体平衡等特点。体内创面愈合实验表明，CNF／G／Ag0.5水凝胶敷料创面愈合效果最好，14d后愈合约90％，存活率83.3％。因此，多组分纳米复合水凝胶在伤口敷料方面具有广阔的应用前景。

近年来，应用于创伤敷料的金属阳离子交联制备的CNFs基水凝胶因其力学性能可调、制备方便的特点受到了广泛关注。Basu等研究了Ca２＋交联的TOCNFs水凝胶作为创伤敷料的潜在材料，发现获得的水凝胶具有保持潮湿环境和机械稳定性的能力。此外，水凝胶在直接接触时不影响真皮成纤维细胞单层培养，在单核细胞炎症反应方面表现出惰性，这些结果突出了离子交联到TOCNFs水凝胶在高级创伤敷料应用中的巨大潜力。随后，他们研究了交联剂（Ca２＋或Cu２＋）对不同菌株抗菌性能的影响。结果表明：Ca２＋交联的TOCNFs水凝胶可以抑制表皮葡萄球菌定植，防止铜绿假单胞菌生物膜的形成；Cu２＋交联的TOCNFs水凝胶可以抑制表皮葡萄球菌的生长，对铜绿假单胞菌具有抑菌作用。因此，可以通过使用不同的交联剂来实现对抗菌性能可调的高级创伤敷料的进一步开发。最近，徐朝阳等使用3d打印技术，将质量分数1％的单组分TOCNFs与原位钙离子交联并进一步与１，4-丁二醇二缩水甘油醚进行化学交联，制备出了机械强度可调的CNFs水凝胶支架。他们发现3D打印的CNFs水凝胶的机械强度可以在3～8kPa范围内调节。细胞实验表明，合成的CNFs 水凝胶支架对成纤维细胞无毒。此外，水凝胶支架的三维结构增强了生成的基质促进细胞增殖的能力，这对于伤口的迅速愈合至关重要。近期，Liu等以盐酸四环素（TH）负载多巴胺（PDA）和Ca２＋交联CNFs为基础，研制了一种具有药物释放和创面愈合能力的新型多反应性复合水凝胶。结果表明，在近红外或较低的pH条件下，TH 可以随需释放。体内皮肤缺损实验表明，合成的复合PDA-TH／TOCNFs 水凝胶具有良好的创面愈合能力。

3.3　组织工程支架

组织工程最初在1988年被定义为“运用工程学和生命科学的原理和方法，从根本上理解正常和病理哺乳动物组织的结构⁃功能关系，开发修复或再生组织或器官功能的生物替代品”。近年来，以CNCs和CNFs为基础的水凝胶因其高度水化的三维多孔结构，以及结合CNCs和CNFs优异的力学性能，在组织工程中得到了广泛的应用。Liu等报道了以2-脲醛-4［1H］-嘧啶酮（UPy）修饰的CNCs（CNCs-UPy）为Pickering稳定剂制备高内相乳液（HIPE），该HIPE可作为制备大孔混合水凝胶的模板。结果表明，通过控制CNCs-UPy的浓度，可以调节合成的大孔混合水凝胶的膨胀性能、多孔结构和机械强度。此外，该混合水凝胶具有良好的细胞相容性和细胞黏附性，在组织工程的活性生物支架领域具有广阔的应用前景。Huang等采用原位羟基磷灰石（HAP）包覆在CNCs基体上，进行交联反应，制备出多孔性、质量轻的人工骨支架。研究还发现，通过与聚甲基乙烯基醚-丙二酸（PMVEMA） 和聚乙二醇交联， 可以显著提高CNCs／HAP支架的水稳定性和力学性能（ 高达41.8MPa）。此外，该复合支架材料具有良好的生物相容性，具有稳定牛血清白蛋白（BSA）的能力，有望作为骨支架材料。最近，3D打印技术被广泛应用在组织工程支架领域，可用于制备具有三维结构的CNCs和CNFs基水凝胶。例如，Markestedt等研发了一种由具有优异剪切稀化性能的CNFs和具有快速交联能力的海藻酸盐组成的生物墨水，用于活体软组织细胞的3D生物打印（图4）。他们从流变性、压缩性、形状变形等方面对印刷性能进行了研究，发现由80％CNFs和20％海藻酸盐组成的Ink8020具有良好的胶凝性和交联性，且形状变形趋势不大。可注射的CNCs和CNFs基水凝胶因其具有微创注入靶部位和对不规则缺陷的匹配能力而得到广泛的重视。Yang等报道了以羧甲基纤维素（CMC）和右旋糖酐为原料，经醛基功能化CNCs（CHO-CNCs）增强的可注射水凝胶的制备。他们发现，与未填充的水凝胶相比，CNCs交联水凝胶在延长的（60d）膨胀实验中表现出更高的弹性模量（峰值强度增加超过140％）和更高的尺寸稳定性。此外，这些水凝胶对NIH 3T3成纤维细胞没有明显的细胞毒性。在此基础上，de France 等研发了一种新型的基于腙交联POEGMA和磁性取向CNCs的可注射纳米复合水凝胶，发现将CNC-POEGMA混合物置于磁场中可形成具有理想排列度的纳米复合水凝胶。研究结果表明，与含各向同性CNCs的水凝胶相比，含定向CNCs的水凝胶具有较高的溶胀率、较低的剪切模量、较高的压缩模量，并显著改善了肌管的取向。Domingues等以己二酸二肼改性ha（ADH-HA）和醛改性HA（a-HA）为原料，以醛改性CNCs（a-CNCs） 为纳米填料，研制了一种注射用透明质酸（HA） 基水凝胶（HAX）。结果表明，与未填充的水凝胶相比，CNCs增强的HAX表现出更优的组织和紧凑的网络结构，储能模量可提高到135％。此外，他们还对合成的HAX-CNC水凝胶进行了人脂肪源干细胞（hASCs）的生物学性能评估，结果表明，HAX-CNC纳米复合水凝胶在体外培养条件下具有较好的细胞支持特性，胶囊化的HAX-CNC水凝胶具有在凝胶体积内扩散的能力，并具有明显的增殖活性。Mendes等使用与纳米填充物相同的功能化CNCs开发了一种可注射的血小板裂解液（PL）纳米复合纤维水凝胶，结果表明，将CNCs（质量分数０～0.61％）加入到PL纤维网络中，可以减少纤维分支，增加纤维间孔隙度，调节纤维和本体水凝胶力学性能。这些物理化学变化有利于抵抗典型的血块收缩，并有利于PL 生物活性分子的保留。Doench等研究了基于CNFs的壳聚糖制剂的椎间盘组织工程注射水凝胶的制备。在猪模型上的实验结果表明，经皮内注射和原位凝胶化后，种植体在注射部位定位，椎间盘的黏弹性恢复，椎间盘高度增加，为椎间盘组织修复／再生的微创治疗开辟了道路。

结语

近年来，CNCs和CNFs以其独特的纳米结构、优异的机械性能、高比表面以及生物降解性和生物相容性，已被证明为前景广阔的自组装水凝胶或生物基纳米填料。笔者介绍了目前制备纳米纤维素基水凝胶的方法，总结了其在生物医学领域方面的应用，特别是在药物输送、创伤敷料及组织工程支架中的应用。然而，CNCs和CNFs基水凝胶在生物医学领域的应用的长期生物安全性尚未得到系统性的评估，虽然植物或细菌产生的天然纤维素具有生物相容性和无毒特性，而且已有多项研究表明，目前可用的基于纤维素及其衍生物的水凝胶药物传递系统具有生物相容性，但这些研究大多是基于细胞实验或短期组织病理学检测。这些药物传递系统的长期效应，包括长期毒性、生物相容性、免疫原性、药代动力学和药效学，应在临床转化前在小动物模型（如小鼠、大鼠） 和大动物模型（如猴子）中得到证实。为了保证水凝胶药物输送的生物安全性，应重视其制备方法，如开发绿色溶剂绿色合成方法、无毒交联剂等。此外，为了扩大伤口敷料的应用，基于纤维素的水凝胶应该对不同类型的伤口的整个愈合过程起作用。开发对创面pH、温度、湿度、感染等敏感的stimuli敏感创面敷料，在环境刺激下触发药物释放，具有较好的临床应用前景。

图文来源：林业工程学报