2018, Vol. 26
2. 天津工业大学 纺织学院，天津 300387;
3. 工业发酵微生物教育部重点实验室(天津科技大学)，天津 300457
2. School of Textiles, Tianjin Polytechnic University, Tianjin 300387, China;
3. Key Laboratory of Industrial Fermentation Microbiology, Ministry of Education(Tianjin University of Science and Technology), Tianjin 300457, China
细菌纤维素(Bacterial cellulose，简称BC)是由微生物发酵合成的多孔性网状纳米级生物高分子聚合物(图 1)[1]，细菌纤维素最早由英国科学家Brown发现，因其由细菌合成，故命名为细菌纤维素[2].它可以由多种微生物生产，其中木醋杆菌(Acetobacter xylinum)是研究比较透彻的菌株[3].
BC的化学结构与植物纤维素相同，都是由β-1, 4-糖苷键连结的多糖，其分子式为(C6H10O5)n.但BC与植物纤维素的区别在于：1)BC不含半纤维素，木质素和果胶，是纯纤维素[4]；2)BC是由20~100 nm直径的纳米纤维组成，具有3D多孔网络结构，高纵横比、高孔隙率和独特的机械性能；3)BC具有高结晶度(70%~80%)，高聚合度(高达8 000)，高含水量(99%)和良好的成型性[5].
BC是具有一定孔隙率的三维网状结构，在培养过程中加入特定的材料，即可制备成具有特殊性能的纳米复合材料[2].近年来，针对BC复合材料的深入研究主要集中在生物医学、电化学与光学、食品包装等领域.
1 生物医学领域细菌纤维素是一种天然的生物聚合物，具有良好的生物相容性、高含水率、多微孔性、优良的机械性能以及可表面化学改性等特点，使其在涉及组织工程支架和医用敷料等生物医学领域应用前景广泛.
1.1 组织工程细菌纤维素具有较高的生物相容性、独特的纤维网状结构、高孔隙率、高机械强度和高弹性模量等性质，是骨组织支架的良好替代物[6].Chiulan等[7]通过溶液浇铸法制备了由不同浓度的聚(3-羟基丁酸酯)(简称PHB)、聚羟基链烷酸酯(简称PHA)和BC形成的新型生物复合材料，BC的添加提高了聚合物基质的热稳定性，细胞可以良好的附着在该复合材料上，实现快速增殖.
羟基磷灰石(简称HA)是一种磷酸钙矿物相，具有杰出的骨传导性和生物活性，在医疗上有广泛应用.Busuioc等[6]将细菌纤维素膜在超声波的作用下，将其在氯化钙和磷酸氢二钠前体溶液中交替循环浸渍，随后在700或1 000 ℃下热处理，获得了具有不同形态的3D多孔支架，成功制备了细菌纤维素/磷酸钙复合材料.该材料可用于骨修复和骨再生，还可作为骨水泥的生物活性填料.
Jin等[8]通过细菌还原法将G. intermedius BC-41细菌与还原氧化石墨烯共同培养制备了细菌纤维素/还原氧化石墨烯复合膜(BC-RGO).该复合膜具有良好的亲水性、生物活性及生物相容性.如在BC-RGO膜表面培养人骨髓间充质干细胞(简称hMSC)，显示出较高的细胞增殖效果，改善了细胞反应，如图 2[8]所示.
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图 2 BC-RGO膜的制造和应用示意图[8]:(a) G.中间体BC-41培养; (b)自组装(孵育和生物化学还原); (c)冷冻干燥 Figure 2 Schematic diagram depicting the fabrication and applicaion of BC-RGO film, which includes[8]: (a) G. intermedius BC-41 culture; (b) selfassembly (incubation and biochemical reduction); (c) freeze-drying |
Chen等[9]通过原位聚合法将聚(3, 4-乙撑二氧噻吩)和氧化石墨烯涂覆在BC上，合成了细菌纤维素/聚(3, 4-乙撑二氧噻吩)/氧化石墨烯复合膜(BC/PEDOT/GO)，丰富的游离羧基和羟自由基提供给复合膜用于表面改性的活性官能团.这种合成的纳米纤维支架可以模拟PC12细胞电刺激后的细胞外基质(ECM)的结构，并促进细胞取向.
BC膜的孔径较小，且不可生物降解，作为组织支架会阻碍细胞的内向生长.为了解决这个问题，Favi等[10]使用激光图案化技术制备了具有蜂窝孔阵列的多孔BC支架，并用氧化高碘酸盐加以修饰，得到可生物降解的氧化BC支架.该BC支架具有良好的骨细胞相容性和较强的机械性能，且可以被控制降解.
Akaraonye等[11]通过将5 mL一次性注射器的一端切割后，作为支架的模具；用摇动筛网筛选出80~100 μm的蔗糖颗粒，作为致孔剂；然后，将分别溶于氯仿中的聚(3-羟基丁酸酯)(简称P(3HB))和微纤维化细菌纤维素(简称MFC)混合均匀，随后加入蔗糖颗粒，将形成的半固体糊状物置于制备的圆筒中，在气缸的压力下，使其成为圆柱形状，最后将使实心圆柱体的糖粒完全溶解于去离子水中，成功制备了P(3HB)/MFC复合支架，该3D复合支架孔隙率高，孔径分布规则，比表面积高，与细胞外基质的形态非常相似.该复合支架可以增强细胞的附着、增殖和维持软骨细胞表型等，该复合材料在关节软骨修复植入上具有很大的潜力，见图 3[11]所示.
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图 3 具有40%MFC复合材料断裂表面的SEM显微照片:(a)颗粒浸出后P(3HB)/ MFC支架；(b) P(3HB)/ MFC复合支架SEM图像；(c) P(3HB)/ MFC复合支架SEM图像(高倍) Figure 3 SEM micrographs of the fractured surface of composite materials with 40% MFC: (a) Digital image of the P(3HB)/MFC scaffold after particulate leaching; (b) SEM image of P(3HB)/MFC composite scaffold at lower magnification showing the microstructural pores in the P(3HB)/MFC scaffold, and (c) SEM image of P(3HB)/MFC composite scaffold at higher magnification |
细菌纤维素可用于皮肤创伤[12]，但纯BC由于无法满足医学敷料的抗菌性能，因此, 制备具有抗菌性的BC复合材料是该方向研究的重点.
铜、氧化锌等金属纳米粒子可以作为高效的抗菌、杀菌剂，把这些离子引入细菌纤维素中，可以赋予细菌纤维素抗菌性能.Janpetch等[13]通过溶液等离子工艺(简称SPP)制备了细菌纤维素/氧化锌复合材料，SPP可以提供多种作为还原剂的活性物质，将前体溶液中Zn2+转化为金属纳米颗粒，沉积到BC膜上，使该复合材料表现出较强的抗菌活性，可用作伤口敷料和水消毒抗菌材料.Ma等[14]通过原位合成法制备了铜@二氧化硅/细菌纤维素抗菌复合材料.Shao等[15]通过溶液浇铸法制备再生细菌纤维素膜(RC，)，然后将其浸入到CuCl2溶液中得到饱和铜离子的RC，最后用NaBH4还原制得RC/Cu膜，该复合膜具有抗菌活性，可以用于伤口敷料，如图 4[14]所示.
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图 4 负载铜纳米颗粒(CuNP)的再生细菌纤维素(RC)膜制备示意图 Figure 4 Schematic illustration of the preparation of Cu@SiO2/BC |
除复合金属纳米颗粒，其他具有抗菌作用的抗菌剂和高分子聚合物也可用于BC的复合.Shao等[16]通过浸渍法制备了抗生素四环素盐酸盐(TCH)/细菌纤维素(BC)复合膜，该复合材料具有优异的抗菌活性和良好的生物相容性，并可以控制药物释放.Qiu等[17]通过将BC浸泡在中药“王不留行黄酮苷”(Vaccarin，分子式为C32H38O19)溶液中制备了BC-Vac(Vaccarin的简写)膜，与BC膜相比，BC-Vac膜抗菌性能增加.
2 电化学和光学领域纯BC缺乏光学透明度，导电性和磁性，可通过原位合成、掺杂、混合或涂覆的方法将导电材料、聚合物等引入到BC基质来赋予BC特殊性能[18].
一些研究者通过浸渍法制备了具有导电性能的复合材料.Kiziltas等[18]通过简单的颗粒浸渍方法，将高度溶胀的BC浸入含有纳米石墨薄片(xGnP)分散体中，制备了BC-xGnP新型纳米复合材料.该复合材料提高了BC的导电性，其性能随着xGnP负载的增加而提高.Miyajima等[19]通过浸渍法将BC凝胶浸渍到含有不同浓度金属离子的溶液中，随后将其用混合器压碎，在700~1 000 ℃、氮气保护下，以10 ℃/min的加热速率碳化，得到不同金属离子含量无粘结剂的多孔碳电极.
Yue等[20]将羧甲基化的细菌纤维素(CM-BC)作为模板，通过苯胺的原位氧化聚合合成了新型导电纳米羧甲基化细菌纤维素/聚苯胺复合膜(CM-BC/PANI).该膜表现出优异的电子/质子传导性，具有一定的柔性和良好的机械性能.Guan等[21]将ZnS / BC纳米复合材料浸泡在乙醇溶液中，随后在低压下将其浸渍在E56中使乙醇蒸发，制备了硫化锌/细菌纤维素/环氧树脂(ZnS/BC/E56)复合材料，具有70%的可见光透射率，热光系数从-361×10-6 K-1增加到-310×10-6 K-1，并具有良好的柔韧性，在柔性光电材料中有潜在应用.
Zhang等[22]将钛酸钡纳米颗粒(BaTiO3)超声分散在蒸馏水中，然后与BC悬浮液混合，并经真空过滤压缩得到BTO/BC新型柔性压电纸.由于BTO / BC独特的结构，使其产生的最大功率密度比BTO /聚二甲基硅氧烷高10倍以上.在弯曲条件下，该发电机装置能产生驱动液晶显示屏的1.5 V输出电压.
2.1 电催化剂为了缓解化石燃料引起的能量危机和环境恶化，氢被认为是化石燃料的理想替代物.而氢析出反应(HER)需要一种有效且强大的催化剂，以降低反应的超电势和增加催化电流密度[23].
在各种催化剂材料中，铂(Pt)被认为是最好的电催化剂，在酸性条件下显示出近零的超电势，为HER提供较高的电化学活性.除催化剂Pt，使用碳纳米管、石墨烯和碳纳米纤维等大表面积导电载体也能提高HER的催化活性.BC的三维碳纳米纤维气凝胶可作为Pt的导电载体[23].然而，铂的稀缺性和高成本严重限制了其应用，因此，选择一种既能减少Pt的负载量，同时又能保持HER电催化活性的可行方法变得十分迫切.
Mi等[23]通过改进的原子层沉积法实现了Pt纳米颗粒在碳纳米纤维(BCF)上超低负载量的目的(图 5[23]).Pt纳米颗粒在BCF表面高度分散，平均尺寸为2 nm，具有低至0.87%的质量负载.这项研究减少了贵金属催化剂的用量.
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图 5 Pt/BCF样品制备的示意图:(a)BC水凝胶; (b)BC气凝胶; (c)BCF气凝胶; (d)Pt/BCF Figure 5 Schematic illustration of the preparation of the Pt/BCF sample: (a) BC hydrogel; (b) BC aerogel; (c) BCF aerogel; (d) Pt/BCF |
Lai等[24]通过氧化聚合和水热反应的组合成功制备了具有分级纳米结构的氮掺杂碳纳米纤维/二硫化钼纳米复合材料(pBC-N/MoS2).这种纳米复合材料在发生HER时表现出优异的电催化活性和优良的稳定性，其超电势为108 mV.在200 mV下，电流密度为8.7 mA/cm2，塔费尔斜率为61 mV/dec.在能源转换和存储领域中，这项工作为资源和材料的应用提供了一个新的战略.
2.2 电池的阳极材料随着便携式电子设备和电动汽车的快速发展，人们对能量密度更高、循环寿命更长的锂离子电池(LIB)的需求也在不断增加.因此，通过简单的合成方法开发具有高比电容、高充放电速率和良好的循环性能的新型电极材料非常重要.
Zhang等[25]通过简单的原位组装方法制备了二硫化钼/细菌纤维素碳纳米纤维(简称MoS2/cBC)复合材料，该材料用作锂离子电池的电极材料和集电器.二硫化钼(MoS2)是典型的二维层状材料，由于其分层结构，可与BC上的含氧官能团结合，制成的负极材料不含任何粘合剂和导电添加剂.该复合材料具有较高的导电性和循环稳定性.在1 A/g的电流密度下，1 000次循环后仍保持581 mA·h/g的电容量.Huang等[26]通过简单的原位热分解方法将无定型的氧化纳米颗粒包裹在细菌纤维素碳气凝胶的外层，制得了无定形氧化铁阳极复合材料，具有稳定的循环性能和高倍率性能.
Lv等[27]通过生物合成方法制备了羧酸多壁碳纳米管(c-MWCNT)与BC组成的新型纳米复合材料，可作为酶生物燃料电池的阴极和阳极，其功率密度和电流密度可分别达到32.98 μW/cm3和0.29 mA/cm3.
Dursun等[28]通过在BC培养基中加入SnO2，并通过低成本和环境友好的热裂解的方法生成了SnO2/BC复合材料.该材料作为钠离子电池的负极材料，在C/10 A电流密度下，经50次循环后仍具有约400 mA·h/g容量的高稳定容量保持率(图 6[28]).
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图 6 SnO2@ PBC纳米复合材料的合成过程 Figure 6 The synthesis procedure for SnO2@PBC nanocomposites |
由于超级电容器能提供比电池更高的功率密度，比传统电容器更高的能量密度而备受关注.但如何进一步提高其能量密度是一个难题.碳材料、金属氧化物和导电聚合物是常见的3种超级电容器电极材料[29].
以细菌纤维素为原料制备电极材料是近年来超级电容器领域的热点研究方向之一.BC作为导电基体材料的主要优点是便宜易得、环境友好且具有机械强度高的三维网状结构[29].Wang等[30]将细菌纤维素在氮气保护下热裂解，然后通过KOH活化，形成了用于超级电容器的多孔三维网状电极材料—活性热解细菌纤维素(APBC)，具有较大的比表面积，比电容达到241.8 F/g，且即使在5 A/g的电流密度下其能量密度也高于PBC的5倍.
氮原子的掺杂可以提高电容器的电容值并使其保持卓越循环能力.Lei等[31]将BC均匀分散在去离子水中形成分散浆料，在氯化铁引发下，令吡咯单体与BC表面的氢键结合，并均匀的涂覆在BC的表面上，形成了BC/PPy核-壳结构.随后，将BC/PPy复合材料在氩气保护下碳化，形成氮掺杂碳纳米纤维(NDCN).由于BC的3D结构，导致电极/电解质较大的接触面积，这种接触方式缩短了电解质离子的运输途径.此NDCN中含有吡啶氮，吡咯氮和季氮3种类型的N掺杂，从而提高了电极的电子传导性.该材料用于超级电容器的电极，具有优异的电化学性能.Peng等[32]将BC膜浸泡到六水硫酸镍水溶液中达到平衡溶胀，随后浸泡在硫化钠水溶液中使BC膜变成棕色，形成硫化镍/细菌纤维素膜(NiS / BC)，最后以六水氯化铁化合物为氧化剂，将吡咯通过原位氧化聚合的方法沉积在NiS / BC膜上，制得了聚吡咯/硫化镍/细菌纤维素(PPy/NiS/BC)复合材料，在电流密度为0.8 mA /cm2时，其比电容、能量密度和功率密度分别达到713 F/g、239.0 Wh/kg、39.5 W/kg.
Lai等[33]将细菌纤维素/聚酰亚胺复合材料通过连续酰亚胺化和碳化生成了具有分层结构的碳气凝胶.碳气凝胶用作超级电容器的电极材料时，具有194.7 F/g的高比电容和优异的稳定性.
元素的共掺杂也可以发挥各元素间的协同作用.Hu等[34]通过简单、低成本的溶液浸渍法将NH4H2PO4浸入到细菌纤维素膜中，而后将冷冻干燥的BC膜在NH3保护下热解，首先以1.5 ℃/min的速度从室温升高到350 ℃并维持1 h，随后以相同的速度升高到800 ℃并维持1 h，最终制备了N, P-CNWs(氮、磷碳纳米线)复合材料，其可用作超级电容器的有效电极材料.所制备的材料在1 A/g的电流密度下表现出258 F/g的比电容，循环30 000次仍保持稳定，通过该材料作为正电极和负电极制造对称超级电容器，如图 7[34]所示.
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图 7 对称电容器示意图 Figure 7 Schematic illustration of the symmetric capacitor |
Wang等[35]将BC悬浮于含有NaBr和四甲基哌啶氧化物(TEMPO)的去离子水中，缓慢加入NaClO溶液，而后将溶液pH通过NaOH溶液调节至10，再通过HCl调至7，制得TOBC(TEMPO氧化的细菌纤维素).最后，通过原位氧化聚合的方法将吡咯纳米颗粒均匀地涂覆在TOBC表面，得到了具有核-壳结构的PPy-TOBC复合材料，该材料表现出高孔隙率和高电导率，在0.2 A/g的电流密度下，显示出153 F/g的高比电容值.此外，该超级电容器电池在100次循环后保持93%的电容，并显示出良好的弯曲稳定性.
3 食品包装领域BC用于食品包装，通常采取向BC系统中引入抗菌材料的方法来增加膜的抗菌性.这种抗菌材料提高了产品的安全性，延长了产品的保质期[36].该抗菌性能主要表现在：1)隔绝食品表面的氧气；2)增强BC的吸附性能；3)去除食品表面水分和污渍.从这3个方面出发，已有大量食品包装材料的研究报道.
Padrao等[37]通过将BC膜浸入含有牛乳铁蛋白(bLF)的磷酸盐缓冲盐水(PBS)中，使BLF吸附在BC上，制得功能化复合膜(BC+bLF)，该材料具有抗菌性，可作为高度易腐败食品的可食性包装材料，如可用于新鲜香肠等肉制品.
Jebel等[38]将5wt.% ZnO纳米颗粒掺入到细菌纤维素中，得到了ZnO/BC纳米复合材料，并制备了多层膜.ZnO/BC纳米复合材料具有良好的机械性能、低吸水性和水蒸气渗透性.在超声波条件下，会导致ZnO颗粒尺寸的减小，可以实现至少96 h内ZnO的稳定持久释放.该纳米复合材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有抗菌活性.
Urbina等[39]将聚乳酸(PLA)浸渍到BC膜中，制得了BC/PLA复合膜，该膜的透明度、水蒸气阻隔性能优于纯BC膜，且生物降解速度比纯PLA还要快.
为了改善玉米醇溶蛋白纤维的疏水性.Wan等[40]将BC膜作为外层，电纺丝玉米醇溶蛋白纤维作为内层，开发了多层细菌纤维素/玉米醇溶蛋白复合膜，该膜具有优异的防水性能，可以用于防水性BC包装膜的开发.
由于细菌纤维素纳米晶须(BCNW)对氧气和水蒸气有一定的阻隔性.Jose等[41]通过熔融混合制备性能增强的热塑性玉米淀粉(TPCS)纳米复合材料，其内含有细菌纤维素纳米晶须(BCNW).聚(3-羟基丁酸酯)(PHB)涂覆纳米材料BCNW或静电纺丝法纺制PHB-BCNW，可优化材料的疏水性能.在热塑性玉米淀粉(TPCS)内层和PHB涂层中并入BCNW的多层结构，都可降低水蒸气的透过率.
Ummartyotin等[42]将蛋壳与细菌纤维素悬浮液混合，并将其作为复合膜浇铸，得到了细菌纤维素/蛋壳复合材料.该复合材料在300 ℃具有优异的热稳定性，其吸附性增强，可用于活性包装中的吸收材料.
4 其他领域重金属污染会导致严重的环境问题，如何开发新材料来除去污染中的重金属成为了大家关注的重点.Stoica-Guzun等[43]通过原位共沉淀法在纯N2条件下，将BC膜加入到Fe(Ⅱ)和Fe(Ⅲ)(Fe2+/2Fe3+)共混溶液中，再用氢氧化钠(0.1 M)调节pH到10，制得BC-Fe3O4复合材料，该材料可以有效地从稀释溶液中除去六价铬离子.
Wang等[44]通过使用微波辐射制备了黄原酸酯改性的细菌纤维素(XMBC)和硫酸盐改性的细菌纤维素(SMBC)，两种材料可以有效去除溶液中的Pb(Ⅱ)离子.其中XMBC的吸附容量为144.93 mg/g，SMBC的吸附容量为126.58 mg/g.
5 展望BC是由木醋杆菌等微生物合成的一种天然可再生聚合物，具有良好的生物相容性、纳米级网状结构、高机械强度、生物合成的可调控性等优良的性能，已成为生物材料领域中的一个研究热点.目前，BC已广泛应用于食品和化妆品(面膜)行业，并在医用敷料行业实现了产业化.然而，由于BC的性能还存在局限性，如不具有抗菌性等，限制了其在生物医学、食品包装上的应用；不具有导电性，限制了在电化学方面的应用.为了解决这些问题，近年来主要通过聚合物渗透、掺杂杂原子和纳米颗粒修饰等方法制备BC复合材料，以弥补单一BC性能上的缺陷，从而扩展其应用领域.
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