一、什么是纤维素水凝胶？

首先，简单说一下纤维素水凝胶的结构单元：纤维素是由葡萄糖组成的大分子多糖，是植物细胞壁的主要成分，无色无味，不溶于水和大部分有机溶剂。纤维素是地球储量最丰富的天然聚合物，具有可生物降解、再生和回收等特性被广泛应用于水凝胶、气凝胶等领域。

水凝胶是能吸收、溶胀和释放大量水和生物流体的三维亲水性聚合物网络，一般具有良好的抗压能力，有良好的生物相容性和环境友好性。

图1. 纤维素纳米晶水凝胶的应用领域

氢键和范德华力的存在，使纤维素或纤维素衍生物具有亲水性表面，使其可以通过氢键、共价键或离子相互作用，交联成具有大量不同金属、有机物和聚合物的三维网络纤维素水凝胶。其可以保留大量的水或水溶液如生理溶液，而不会溶解或失去其结构完整性，在食品工业、农业、水净化和生物医学领域均有应用。

那么，大自然丰富的天然聚合物纤维素如何变成高性能的纤维素水凝胶呢？

二、纤维素水凝胶的制备方法

1、物理交联

纤维素分子结构中具有大量羟基，可通过氢键的形式连接成网络，通过物理交联的方式形成纤维素基水凝胶。用物理交联法制备水凝胶时，纤维素分子链可通过氢键、离子相互作用、分子缠结或疏水相互作用等形成网络结构，从而构成不被溶解的物理水凝胶。物理交联的纤维素凝胶分子间的作用力是可逆的，网络结构可随物理条件的改变而破坏。物理交联的制备方法主要有溶液交联法和冻融法等。

2、化学交联

化学合成方法被广泛用于制备纤维素基水凝胶。一些双功能分子被用作纤维素或其衍生物的交联剂，以共价键结合不同的聚合物分子，形成三维网络结构水凝胶。采用化学交联法制备的纤维素基水凝胶，具有更稳定的分子结构和更好的溶胀性能，主要方法有化学引发自由基均聚或共聚法、辐射法等。

3、互穿聚合物网络法（IPN）

互穿网络聚合物（IPN）是 2 种聚合物以网络形式相互贯穿而形成的聚集态结构，其中至少有一种聚合物通过化学交联，一种聚合物贯穿于另一种聚合物的网络中，且 2 种聚合物间没有形成共价键。采用 IPN 法制备的纤维素基水凝胶拥有双组分网络结构，使其兼具大溶胀比和良好的力学性能的特性，在生物医学组织工程、吸附和分离等领域具有良好的应用前景。

三、纤维素水凝胶的应用

纤维素作为纤维素水凝胶的前体材料，其来源广泛，可再生成本低廉，且具有良好的生物相容性，一些纤维素水凝胶还对外界刺激的变化有反应。水凝胶在其三维网络中可以膨胀和吸收水及其他水溶液，但它们不溶于水。基于以上众多优点，纤维素基水凝胶不仅可应用于农业和园艺、水处理、生物医学、药物输送系统和个人保健等，其在建筑、电力、橡胶填料等领域也有应用。

1、生物医学领域

纤维素基水凝胶生物相容性好、细胞识别、生物可降解性以及优异的力学稳定性，在生物医学应用领域（如药物缓释、伤口愈合、组织工程支架等）应用广泛。

图2. 纤维素纳米晶水凝胶的合成及其在癌症治疗中的应用(x等于水凝胶中NCDs的浓度；x= 2, 4 , 6, 8 mg/mL)

A、组织工程

纤维素水凝胶含有足够大的孔结构和三维空间，具有强吸水保水功能和出色的生物相容性，以及与天然组织非常相似的柔韧性，其作为组织器官，可为体内活细胞提供生存以及储存养分的空间。另外，纤维素水凝胶由于其特定的结构和性能，成为可注射型支架的首选材料，用于组织缺损部位的填充。

B、伤口敷料

水凝胶医用敷料内部形成了三维立体网状结构，含水量可高达96%，能够维持伤口表面的湿润环境。与传统医用无菌纱布等相比，不会造成伤口与包扎物发生黏连，造成伤口二次伤害。是新一代伤口敷料的理想材料。纤维素基水凝胶除了具有优异的生物相容性和可降解性，还具有高含水量和柔软性等特点，用作创面敷料材料，可减少病人伤口的疼痛，减少体液的流失，保护皮肤，防止感染，还可以让伤口呼吸，防止结痂疤痕的形成，在治疗伤口特别是烧伤方面是理想的材料。

图3. 水凝胶纤维作为外科缝合线

C、药物释放

药物制剂研究正向着高效、速效、长效、毒性小、副作用小、剂量小及生产方便、运输方便、贮存方便、携带方便和服用方便的方向发展。纤维素基水凝胶作为一种新型的药物缓释载体，拥有交联密度和孔径可调控的多孔三维结构，具有开放的孔隙结构及较高的比表面积，药物分子可以负载在其中，并可通过调节外部环境条件得以释放，其在药物控释领域越来越受欢迎。

2、农业用途

水凝胶应用于农业系统的各个方面：增强土壤特性（渗透性、密度、结构、质地、水分蒸发、过滤速率），释放和携带农用化学品，在干旱环境下帮助植物生长刺激发芽等，确保将农用化学品平稳连续地供应给农作物，减轻了农用化学品对环境的污染。纤维素基水凝胶的生物降解性和可再生性，以及无毒性和环境友好性，使其在学术和工业应用中引起了研究学者和科学家们的极大兴趣。

图4. 天然木材可作为海水淡化基板

3、吸附材料

具有丰富羟基的纤维素可用于制备具有迷人结构和特性的超吸收性的纤维素水凝胶。纤维素超吸收性水凝胶可以吸收和保留相当于其自身质量很多倍的液体。纤维素基水凝胶的孔隙率高、比表面积大，可引入特殊的表面官能团（如−OH、−COOH、−NH2、−SO3H），作为吸附材料，通过络合作用去除金属离子、通过静电作用吸附去除有机污染物等。

4、医疗保健产品

纤维素是一种天然碳水化合物，其优良的生物相容性促使了纤维素类医疗保健产品的大量使用。纤维素水凝胶在这些产品中起到了增稠剂和稳定剂或保湿剂的作用，同时改善了产品的皮肤感觉。纤维素基水凝胶的高吸水性，对尿液、血液等大量分泌的液体有吸收和保留的能力，被广泛应用于个人护理产品和个人安全产品。

5、智能材料

纤维素基水凝胶因其整体的生物相容性、细胞和小分子的高存储容量以及凝胶- 水溶液界面处的低界面张力而应用于智能设备的制造。基于纤维素的智能材料具有独特的特性，比如强大的机械强度和生物相容性等。纤维素与碳纳米管制备的复合水凝胶，广泛应用于导体、可穿戴电子设备、结构健康监测、智能纺织品、液体泄漏的检测、应变传感器、热敏电阻、湿度或蒸汽传感器、生物传感器、化学传感器、电池、能源储存和超级电容器等。水凝胶膜还可用作响应时间短的高灵敏度pH 响应纳米传感器。

图5. CNF基离子导电水凝胶

四、纤维素水凝胶的发展方向

1、纤维素在制备过程中分散性差，易聚集，溶剂回收成本高；

2、纤维素改性工艺的改进，需要超低成本且符合工厂生产方向发展；

3、纤维素凝胶的制备、改性以及应用的研究相对不足，需要从生产工艺等多方面考虑降低成本，使用绿色溶剂，选择生态环保的新方法。