类型b：综述类论文报告
作者及发表信息
本文由Xia Sun和Feng Jiang合作完成，发表于2024年10月的期刊《Carbohydrate Polymers》（第341卷，文章编号122305），标题为《Periodate oxidation-mediated nanocelluloses: Preparation, functionalization, structural design, and applications》。文章以高碘酸盐氧化介导的纳米纤维素（Periodate Oxidation-Mediated Nanocelluloses, PONCs）为核心主题，系统综述了其制备、功能化、结构设计及应用的最新研究进展。
主要观点与论据
1. 高碘酸盐氧化纳米纤维素的制备与反应机制
高碘酸盐氧化法通过选择性断裂纤维素葡萄糖单元（AGU）的C2-C3键，生成二醛纤维素（Dialdehyde Cellulose, DACs），进而衍生出纳米纤维素（PONCs）。反应条件（如氧化时间、高碘酸盐浓度、pH、温度）显著影响产物的氧化度（Degree of Oxidation, DO）和形貌。例如：
- 氧化时间与高碘酸盐浓度：延长反应时间或增加氧化剂用量可提高醛基含量，但会导致纤维素链降解，形成更短的纳米晶体（CNCs）而非纳米纤丝（CNFs）。
- pH环境：酸性条件下生成醛基，而碱性条件（pH=10）则通过β-烷氧基断裂直接生成羧基，形成羧基化纳米纤维素。
- 温度控制：超过55°C会引发高碘酸盐分解，需短时高温反应（如85°C下0.5小时）以提高效率。
支持证据：
- Liimatainen等（2012）通过高碘酸盐-亚氯酸盐顺序氧化法从木材纤维素中分离出宽度25±6 nm的CNFs，羧基含量0.69 mmol/g。
- Yang等（2015）通过调控反应条件获得长度100 nm、直径13 nm的DACNCS，其热稳定性优于传统硫酸酯化CNCs。
2. 高碘酸盐氧化纳米纤维素的功能化策略
PONCs的醛基具有高反应活性，可通过以下化学修饰引入功能基团：
- 后氧化反应：醛基进一步氧化为羧基，生成二羧酸纳米纤维素（DC-NCs），用于增强纳米纤丝化（如Liimatainen等通过亚氯酸盐氧化获得羧基含量1.02 mmol/g的CNFs）。
- 还原反应：硼氢化钠还原醛基为二醇，形成双醇纳米纤维素，其核心-壳结构（由分子动力学模拟证实）具有高亲水性和柔韧性。
- 磺化与希夫碱反应：醛基与胺类化合物（如吉拉德试剂T或氨基胍盐酸盐）反应，分别引入阳离子或磷酸基团，用于调控表面电荷和疏水性。
应用案例：
- Sirviö等（2015）通过希夫碱反应将双膦酸盐接枝到PONCs上，制备出宽度6 nm的磷酸化CNCs，但转化率仅10%（因亚胺键水溶液不稳定性）。
3. 多级结构设计与性能调控
PONCs可组装为1D纤维、2D薄膜、3D水凝胶和气凝胶，其结构-性能关系如下：
- 1D纤维：Liimatainen课题组开发“界面纳米颗粒复合纺丝（INC）”技术，通过带相反电荷的纳米纤维素（如阳离子化CNCs与羧甲基纤维素）在界面自组装成纤维，具备亚微米级取向结构。
- 2D薄膜：Kwak等（2020）将DACNCS（长度100±8 nm）与明胶通过希夫碱反应交联，薄膜拉伸强度提升175%（达31.7 MPa）。
- 3D气凝胶：Erlandsson等（2018）利用DACNFs的醛基自交联（形成半缩醛键），制备密度35 kg/m³、孔隙率>98%的气凝胶，吸水率达自身重量的34倍。
4. 应用领域与功能拓展
PONCs在以下领域展现出潜力：
- 抗菌材料：醛基通过降低局部pH（如DACNCS使培养基pH从7.67降至5.43）抑制金黄色葡萄球菌（S. aureus）生长（Luo等，2021）。
- Pickering乳液：Visanko等（2014）通过丁胺功能化DACNCS将乳液液滴尺寸从187 μm降至12–14 μm，疏水改性提升乳化稳定性。
- 水处理：Plappert等（2017）开发的二羧酸CNFs气凝胶（孔隙率98.8%）可高效吸附重金属离子。
论文价值与意义
本文首次全面梳理了高碘酸盐氧化纳米纤维素的“制备-修饰-结构-应用”全链条研究，其科学价值在于：
1. 方法论创新：提出碱性氧化、原位高碘酸盐再生等优化策略，降低能耗并提升产物均一性。
2. 跨学科应用：为生物医学（如自愈合水凝胶）、能源（相变气凝胶）和环境（污染物吸附）提供可持续材料解决方案。
3. 前瞻性挑战：指出规模化生产中高碘酸盐回收率、功能化效率提升等未来研究方向。
亮点总结
- 系统性比较了不同功能化路径的化学机制与产物特性。
- 强调了动态共价键（如亚胺键）在智能材料设计中的潜力。
- 提供了从实验室研究到工业应用的转化视角。