纳米纤维素的制备及其在医药领域的应用进展*

宋骊澄，闫超英，于新宇，韩淼淼，徐环斐

(青岛科技大学化工学院，山东 青岛 266061)

生物质资源价格便宜，生物降解性良好，是一种具有纳米尺度的纤维素生物质资源，具有低毒性、高比表面积，机械性能良好，故在医药、污水净化、纺织、造纸等众多领域具有广泛的应用[1]。根据不同的结构、制备方法、主要原料，纳米纤维素可以分为纳米纤维素晶(CNC)、纳米纤维素纤维(CNF)、细菌纤维素(BC)、静电纺丝纳米纤维素纤丝(ECC)不同种类[2]。制备纳米纤维素的方法可以大致分为物理机械法、化学法、生物法[3]。选择不同的方法进行制备，可以得到所需类型的纳米纤维素。不同的制备方法各具优劣，故需要开发更加绿色高效的制备方法。制备纳米纤维素载药复合材料，将纳米纤维素优良的物化性质与其他材料的优势相结合，一方面增加了材料载药量，增强了材料的强度，也为定点给药、药物缓释提供了更大的可能及更广阔的前景，例如减少抗癌药物副作用或研发新型的口服给药产品。纳米纤维素多孔吸水、无毒害、可降解，适合构建纳米纤维素基伤口敷料，对于伤口感染等皮肤表面创伤并发症的治疗有一定优势。利用纳米纤维素晶体作为生物墨水，在3D打印以及构建生物支架中应用，可被应用于再生医学，通过对纳米纤维素材料的复合改性，改良其相关性质，有望扩宽其在医学领域的应用范围。

1 纳米纤维素的制备方法、表面改性及复合材料的加工

1.1 纳米纤维素制备方法进展

纤维素的来源在一定程度上影响着纳米纤维素的长度、结晶度、直径等物理特性，当前通常选择天然可降解的植物纤维作为原料制备纳米纤维素。

在目前使用较为广泛的纳米纤维素制备方法中，酸解法较成熟，该法通过对纤维素原纤维无定形区进行水解，使纤维结晶区形成较为稳定的胶体分散纳米纤维素材料[5]。由于破坏了纤维结构，且使用的酸易造成环境污染，故目前应用有机酸或固体酸进行酸解，并对使用的酸进行处理回收，很大程度上避免了强酸水解制备纳米纤维素的弊端，逐渐被推广提倡[6]。Wang等[7]使用混合H2SO4/HCOOH水解生产纳米纤维素，在避免强硫酸水解的同时，提高了甲酸水解纤维素的水解效率，制备过程更加高效绿色、可持续。同时，Frederikus等球磨纤维素后用顺丁烯二酸水解竹纤维素以制备纳米纤维素，马来酸酐易与羟基生成羧基，这使得纳米纤维素产量更高且具有一定的胶体稳定性。

图1 通过混合 H2SO4/FA 水解制备双功能 CNCs研究过程

图2 顺丁烯二酸水解竹纤维素以制备纳米纤维素研究过程

通过酶对纤维素进行改性、降解以获得纳米纤维素纤维的酶解法操作条件较为温和，对环境污染小，但所用机理复杂，操作时间较长，效率较低下。而通过机械法如超声击碎、球磨、高压均质等物理方法处理纤维素原料以缩小材料尺寸常需要持续输入高能量。这两种方式在生产效率及能耗上均有缺陷。

1.1.1 溶解再生法

图3 溶解再生法制备纳米纤维素的TEM图[9]

普遍使用的纳米纤维素方法各具优劣，故需新的技术方法提高纳米纤维素的制备效率并实现操作简化。近期，Yu等[9]采用磷酸溶解再生法进行制备，既不依靠去除纤维素非晶区，也不依靠机械作用，减小了物料损失并提高了制备效率，同时使用的磷酸腐蚀性小、安全性好、成本低。

另外，Gao等[10]利用含氯化锂的二甲基乙酰胺(DMAc)溶解竹薄壁纤维素，在甘油-水溶液中再生制成纤维素薄膜，所制得产品具有较高强度和热稳定性，证明了低浓度氯化锂的DMAc溶液适用于再生溶解法。

再生溶解法避免了腐蚀性高、污染强的强酸溶解，更环保、高效、低成本，通过对溶剂特质的进一步研究，利用无机熔融盐或者有机弱酸等更多可能的溶剂，将扩宽纳米纤维素制备可能。

1.2 纳米纤维素的表面改性

对纤维素进行复合加工以及表面改性是提高机械强度、疏水性及粗糙度重要的一步，常见纤维素的预处理方法为物理吸附法、接枝法以及细菌修饰法等。

目前TEMPO氧化法被学术界公认为是一种成熟有效的制备、化学修饰纳米纤维素的方法，该法成本较低，较环保、操作简单且反应条件温和。Hippolyte等利用TEMPO氧化法，并通过两步固定化过程，在水悬浊液中共价结合纤维素纳米纤维，制备了纳米纤维素。

此外，过硫酸铵(APS)可以直接降解木质素、半纤维素以及其他植物成分，通过简单操作将纤维素原料加工为纳米纤维素[12]。Neng等[13]利用工业牛仔废料，通过APS氧化法在合适温度等反应条件下，得到了长(76.14±8.56) nm、直径(18.10±3.54) nm、结晶度83%的棒状CNCs。

图4 由牛仔废料制备不同纳米纤维素[13]

而APS处理纤维素耗时较长，APS需求量大，故该法并不被广泛推用，Liu等利用N，N，N’，N’-四甲基乙二胺活化、超声波促进崩解，提高了纳米纤维素产率并减少了APS的使用量，为更高效、高产的制备提供了思路。

1.3 纳米纤维素复合材料的加工

纳米纤维素通过分层组装以制备涂层和多层薄膜复合材料，或者通过一锅定向组装法生产高均匀度的厚层复合材料，可以精准地确定材料的成分性能。Sara等[15]在绿色高效超强酸固体催化剂Preyssler酸环境中，采用一锅法合成了链状CNPs，在环境温度下，很短时间内成功构建了载抗坏血酸(CNPs/AA)的纳米纤维素。

此外，静电纺丝利用静电作用，通过聚合物溶液可以制备致密的纤维素纳米纤丝。Alireza等利用羧甲基纤维素(CMC)和聚乙烯醇(PVA)，采用静电纺丝法制备了载氟灭酸(FFA)载药基因的生物相容性CMC/PVA纳米纤维，将其用于药物传递。Wang等[17]通过改进的双浴I-ESP技术制备了光滑、连续的超细CA 纳米纤维，简化了制备方法，提高了生产效率。

图5 利用CMC、PVA 和 FFA 的化学结构，以EDC 作为

2 纳米纤维素作为药物载体的应用

药物的传递机制通常是将药物覆盖于纳米材料表面，或将药物包裹传递至受损组织。纳米纤维素具有较高的表面体积比、拉伸强度、刚度、柔韧度，良好的热学性能，可以作为药物载体搭载药物进行定点释放及药物缓释。

水凝胶材料具有高吸水性，对于亲水药物具有强大的包埋潜力，加入纳米纤维素，被证明可以很好地调节水凝胶的力学性能和降解能力。Chen等[18]成功地构建了纳米纤维素基、PH敏感、可控释药的水凝胶载体，并嵌入pH响应性二嵌段共聚物胶束中，实现了局部药物递送，并具有长时间刺激驱动和缓释功能。珠状水凝胶比表面积大，形态更适于药物定点运输。Mohammad等制备了纳米羧甲基纤维素，将其接枝在球状海藻酸盐水凝胶上，药物包载率高，实现了定向运输，减少了药物在胃部的释放。

此外，通过对纳米纤维素进行表面改性，使其更具疏水性，可以与疏水性非甾体抗炎药的结合并持续释药，例如使用阳离子表面活性剂CTAB(N-十六烷基-N，N，N-三甲基溴化铵)、TBAB(四正丁基溴化铵)等修饰纳米纤维素。Renu等制备出NCC后，通过CTAB的改性使NCC-CTAB具有更大的比表面积和高深宽比，作为缓释给药系统用于非甾体抗炎药的体内给药[21]。

2.1 纳米纤维素在构建口腔速溶膜复合材料中的应用

纳米纤维素基口腔速溶膜可以提高药物溶出速度、快速释药，以纳米纤维素为赋形剂的给药系统既可以立即给药，也可以持续给药。通过口服控制给药，减少给药的频率，避免极端给药引起的不良反应和毒性，自动地控制药物的浓度，同时便于儿童、老人以及吞咽困难患者服用药物。近期，Kirandeep等在生物相容性PVA 中利用AmphotericinB(AmB)和乙基纤维素通过溶高压乳化溶剂蒸发法成功合成了抗生素AmB-EC-NPs，完成构造口服给药载体并实现了药品的持续释放。

图6 AmB、乙基纤维素合成抗生素AmB-EC-NPs研究过程

2.2 纳米纤维素基复合材料在癌症治疗领域的应用

癌症的治疗是全人类共同面对的难题，传统抗癌药物的渗透性和水溶性较低，细胞毒性高，药物很难在肿瘤部位释放，从而损害正常细胞[24]。因此需要合适的载体，搭载药物完成癌症的靶向治疗。纳米纤维素与其他材料相结合可以完成对肿瘤的靶向治疗,同时增强了药用材料的载药能力，可以作为药物载体被广泛应用在抗肿瘤治疗中。例如，Jarosaw等使用甲氨蝶呤通过甲酯键与水溶性羟乙基纤维素连接，完成了搭载甲氨蝶呤抗癌药物的研究，证明了纳米纤维素可以作为甲氨蝶呤载体[25]。

另外，Ji-Hye等采用基于静电相互作用的分层方法，将带负电荷的CNC用化疗药物阳离子阿霉素(DOX)分子覆盖以制备DOX@CNC，后用CD44受体靶向配体阴离子透明质酸(HA)聚合物包裹制备了杆状HA@DOX@CNC，实验产品作为生物相容性肿瘤靶向纳米级给药系统具有广阔的前景。

图7 HA@DOX@CNC肿瘤靶向策略方案图。

此外，siRNA作为一种可能的新型抗癌药物，其递送在体内可能具有高毒性和严重的副作用，Young等采用水热脱硫和化学修饰的方法合成了阳离子型CNCs，后与滚环转录并利用Mg2+螯合得到的聚合siRNA络合，所得复合物具有酶稳定性，可以敲除基因、诱导细胞凋亡，应用于癌症治疗。

3 纳米纤维素作为伤口敷料中的应用

伤口愈合迟缓给患者带来巨大的费用支出，给医疗系统带来负担，严重时对患者性命造成威胁。纳米纤维素作为生物质资源，良好的生物相容性以及多孔材料的吸水性满足了作为创面敷料所需的透气、透湿、无毒的要求[29]。

3.1 细菌纤维素用作伤口敷料

学术界发现BC具有优良的持水、释水能力，可以提供湿度大的环境，有利于伤处痊愈，但其加工具有一定的难度且细菌产量具有限制，导致制成实品较少。另外，BC的干燥时间较短，需要人力对敷料进行更换，导致资源浪费。目前对BC与其他物质进行交联或者复合制备伤口敷料膜的研究越来越多，选择不同材料得到的膜抑菌抗菌效果不同。

Oranattee等将纯BC和与戊二醛(BG)交联的BC 浸入有利于皮肤表面细胞再生的木瓜蛋白酶溶液中，使木瓜蛋白酶固定在BC上，大大降低了BC的机械性能，可以加速新组织的生长并具有良好的抑菌效果[30]。Wan等[31]通过新型原位生物合成法制备了BC和银纳米线(AgNWs)的复合材料，结果表明BC/AgNW伤口敷料能够吸收伤口皮肤渗出物并维持水分环境，实现了银的持续释放，有利于皮肤再生。Irina Sulaeva等[32]则添加了海藻酸钠使BC敷料的持水性得到了提高，并对所得BC/海藻酸钠材料进一步浸聚六亚甲基双胍盐酸盐(PHMB)，抗菌材料比纳米金属更加安全高效且更有利于伤口愈合。Daria等[33]使用柠檬酸和催化剂如磷酸二钠、碳酸氢钠等进行简单的BC交联过程，优化的交联BC水容量比现在商用敷料高1.5倍以上，可以用于制作高吸水的慢性伤口敷料。

3.2 醋酸纳米纤维素用作伤口敷料

醋酸纤维素(CA)是一种具有生物相容性、较强亲水性、较低成本的纤维素衍生物，易溶于大部分有机溶剂，可以利用静电纺丝技术电纺为纳米纤维伤口敷料。

Chen等[34]采用共静电纺丝技术制备了多孔CA膜(含百里香酚)，改善膜的疏水性，初始释药速度慢、释药时间长，提高了药物利用率。Rasha等利用CA/聚环氧乙烷与疏水性聚乳酸混合，控制了药物缓释的亲水比，所得敷料在生物活性和细胞相互作用方面具有明显的优越性，使伤口处愈合更快[35-36]。

4 纳米纤维素在医药领域的其他应用

手工细胞播种位置不精确，细胞分布随机，通过构建生物支架可以在细胞友好的条件下精准地沉降生物细胞，控制其空间位置，实现定制化生产。纳米纤维素较高的结晶度、分散性以及其自组装等理化性质使其适合作为支架填料用于医疗领域。

近期，RagabE等[37]以漂白蔗渣浆与聚乙烯醇(PVA)交联，制备了羧基和醛基双功能CNF,将PVA接枝CNF与海藻酸钠混合，制备了三维打印海藻酸钠/PVA接枝CNF水凝胶，可用于骨组织工程领域充当支架。Sayan等[38]由海藻酸钠、明胶和CNC制备了3D打印混合生物降解水凝胶，有利于细胞增殖、粘附、营养物交换和基质矿化，杂化支架机械强度较纯聚合物支架强。Semra等[39]制备了含有聚己内酯(PCL)/明胶(Gel)纳米纤维复合支架的BC纳米晶体(BCNC)，测试发现PCL/ Gel/BCNC可促进轴突生长和伸长，是一种很好的仿生GBM肿瘤平台候选材料。

5 结 语

纳米纤维素比表面积、强度均较高，结构性能优良，推动纳米纤维素技术发展已经成为多个国家重要的技术发展要求。当前，纳米纤维素材料供大于求，其较高的成本亟待新的技术手段来降低，通过创新制备方法，采取更加环境友好型、产率更高的制备方法，解决纳米纤维素耗能高的现状，继续扩宽纳米纤维素在不同领域的应用前景。此外，纳米纤维素应用于医疗领域，其生物安全性及降解性需要提高一定的标准，即需要考虑纳米纤维素的毒性再进行应用。其在医药领域在眼部、牙组织方面应用较少，可以在这些方面进行更加广泛的研究，以节约医药不同领域的成本、环保问题。