这项研究由Chunmei Xu、Lulu Chen、Jiang Lou、Wenjia Han和Zhuqing Liu共同完成，发表在2025年4月的《International Journal of Biological Macromolecules》上，论文标题为《Cellulose-based multifunctional materials with robust hydrophobic, antibacterial, and antioxidant properties through dynamic cross-linked network structures》。
学术背景
研究聚焦于生物基功能材料领域，旨在解决传统不可降解化石基塑料造成的环境污染和健康问题。纤维素（cellulose）因其天然可再生、可生物降解及表面化学可调控等特性，被视为石油基塑料的理想替代材料。然而，纤维素的高结晶度和超亲水性限制了其在包装领域的工业应用。因此，研究团队提出通过动态共价交联网络（dynamic cross-linked network）优化纤维素的性能，目标是开发兼具疏水性（hydrophobicity）、抗菌性（antibacterial property）和抗氧化性（antioxidant property）的多功能纤维素基薄膜材料。
研究流程
材料制备
- 氧化微晶纤维素（Dialdehyde Cellulose, DAC）的合成：将微晶纤维素（Microcrystalline Cellulose, MCC）与高碘酸钠（NaIO₄）在30°C、45°C和60°C下反应3.5小时，得到不同醛基含量（0.432–1.03 mmol/g）的DAC。
- 动态交联反应：将DAC与长链脂肪胺C36-二胺（C36-Priamine 1074）通过希夫碱反应（Schiff base reaction）在二甲基亚砜（DMSO）中动态交联，形成DAC/1074复合材料凝胶，经洗涤干燥后得到黄色固体。
- 热压成膜：将DAC/1074材料在90°C、100 psi压力下热压15分钟，制成均匀致密的薄膜。
表征与性能测试
- 化学结构分析：通过固体核磁共振（¹³C NMR）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和X射线光电子能谱（XPS）确认了醛基氧化和希夫碱键的形成。
- 力学性能测试：薄膜的拉伸强度达16.8–28.6 MPa，断裂伸长率为4.94–25.38%，韧性为118.24–267.61 J/m³。
- 疏水性与稳定性：水接触角达120.6°–132.83°，水中搅拌24小时后仍保持力学完整性。
- 抗菌与抗氧化实验：通过菌落计数法验证了对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的近乎100%抑菌率；DPPH自由基清除实验显示抗氧化活性较未改性纤维素提升40–52%。
数据与分析
- 结晶度变化：X射线衍射（XRD）显示氧化使纤维素结晶度从78.4%降至52.9%，而动态交联后回升至45.7–87.97%。
- 热稳定性：热重分析（TGA）表明薄膜的降解温度高达365°C，优于未改性纤维素。
主要结果
- 多功能性协同实现：动态交联网络通过希夫碱键、氢键和范德华力的协同作用，赋予材料高力学强度、疏水性和生物活性。
- 性能优化机制：长链脂肪胺的引入降低了纤维素分子有序性，同时苯环结构（来自C36-Priamine）提供了紫外线屏蔽能力（紫外透射率接近0%）。
- 应用潜力：薄膜的透明性（>80%透光率）、可热封性和生物相容性使其适用于食品包装、医用敷料和化妆品领域。
结论与价值
研究通过动态共价网络设计，成功将纤维素的局限性转化为功能优势，开发了一种全生物基、可热压加工的高性能材料。其科学价值在于提出了“硬段（氧化纤维素）-软段（脂肪胺）”动态交联策略，为生物基材料的分子工程提供了新思路；应用价值体现在替代传统塑料的潜力，尤其在需要抗菌和抗氧化功能的场景中。
研究亮点
- 方法创新：首次将C36-二胺用于纤维素动态交联，实现了低温（90°C）热压成膜。
- 性能突破：材料同时具备高韧性、超疏水性和广谱抗菌性，且可通过醛基含量调控性能。
- 环保意义：全流程使用生物基原料和绿色溶剂（DMSO），符合可持续发展需求。
其他发现
- AFM分析显示薄膜表面粗糙度（Rq）仅为9.45–12.9 nm，解释了其高透明性和疏水性。
- 湿态下薄膜仍能承受500 g载荷（尺寸1×3 cm），证实其交联网络的稳定性。
此项研究为多功能生物基材料的开发提供了可扩展的模板，未来可进一步探索其在柔性电子或药物缓释等领域的应用。