基于纳米几丁质的复合薄膜的研究文献综述

 2022-05-06 21:03:46

文献综述

1.1 几丁质简介

几丁质又称为甲壳素，是由N―乙酰―D―葡萄糖胺以beta;―1，4糖苷键连接而成的天然高分子多糖，是地球上含量仅次于纤维素的可再生利用的资源，广泛存在于虾壳、蟹壳、软体动物、原生动物等低等动物和各种藻类等植物中。几丁质天然无毒，是一种白色、不溶于水、不定形片状、可生物降解的固体。几丁质具有好的生物相容性、生物可降解性、无毒性、抗菌性和低的抗免疫性等优点，这些都是生物型天然高分子所特有的优点，是人工合成聚合物难以达到的。通过一些化学及物理手段，可以将生物体内的几丁质提取出来制备成纳米纤维，除了具有自身的优点外，还具有纳米材料高长径比和高比表面积等特点，能稳定的存在于水中，所形成的水分散液更容易被加工和使用。几丁质的结构与纤维素非常类似，几丁质是一种纤维素的氨基多糖生物聚合物，当纤维素呋喃环C2位的羟基被乙酰氨基取代时，就是几丁质，因此，它们都是生物体的关键支撑材料。几丁质的衍生物壳聚糖，又称脱乙酰甲壳素，是天然多糖中唯一大量存在的碱性氨基多糖。壳聚糖具有抗菌、抗癌、抗病毒等作用，并且具有良好的生物相容性和生物可降解性，在医药、食品、化工等行业得到了广泛应用。

1.2 几丁质的性质

几丁质分子中的氢键排列有序、结构紧密，使其在水、稀酸、碱和有机溶剂等溶剂中几乎不溶，能溶于浓酸溶液中，且在浓酸中旋光度会发生变化。几丁质分子中含有大量氨基和羟基等亲水基团，因此，具有良好的吸湿性和亲水性；几丁质还能够被生物降解，在替代塑料解决白色污染问题中具有广阔的发展前景。几丁质具有来源广泛、产量高、可再生、环境友好等特点，分子中的每个糖环上有3个羟基，因此几丁质具备一定的吸附性能力。通过将几丁质降低到纳米级别的方法，增加了分散颗粒的长径比、比表面积，因而其吸附能力也得到了显著的提高。不同于一般吸附剂，几丁质纳米纤维吸附剂的尺寸更小，比表面积更大，因此具有更加优异的吸附性能，同时还具备安全性高、毒性小和来源广泛等优点。

1.3纳米材料简介

纳米材料在狭义上指的是具有纳米量级(1 nm～ 100nm)的晶态或非晶态超微粒构成的固体物质，广义上是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。纳米粒子介于宏观世界与微观世界之间，所具有的小尺寸效应、量子尺寸效应、量子隧道效应、表面界面效应等性质 使纳米微粒和纳米固体呈现出许多既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体的奇异物理化学性质。因此，纳米材料已在国防、电子、化工以及医学等领域呈现出重要的应用价值。

纳米材料主要由纳米晶粒和晶粒界面两部分组成。纳米晶粒内部的微观结构与粗晶材料基本相同，因此在这方面的研究报道不多。纳米材料突出的结构特征是晶界原子的比例很大，当晶粒尺寸为 10 nm时,一个金属纳米晶内的界面可达6times;1025 m2时，晶界原子达15%～50%，可以用TEM(透射电镜)、X射线、中子衍射以及其他方法来表征纳米材料及其结构。由于纳米材料中晶界的原子结构十分复杂，使其在 80年代末至90年代初曾一度成为纳米材料研究的一个热点。为描述纳米晶界结构，人们提出了许多模型，概括起来可分为三种不同的学说:Gleiter的完全无序说、Siegel的有序说和有序无序说。但是,目前很难用一个统一的模型来描述纳米晶界的微观结构。其原因在于纳米材料中的晶界结构相当复杂，它不但与材料的成分、键合类型、制备方法、成型条件以及所经历的热历史等因素密切相关，而且在同一块材料中不同晶界之间也各有差异。可以认为纳米材料中的界面存在着一个结构上的分布，它们处于无序到有序的中间状态，有的与粗晶界面结构十分接近，而有的则更趋于无序状态。

纳米几丁质的制备方案可以总结为两种方法：一种方法以静电纺丝为主要制备形式，该方法是基于几丁质溶解为基础，在机动至的静电纺丝之前必须对几丁质原料进行溶解或熔融，破坏几丁质原料的结晶度，进而对其进行溶解处理；另一种方法是直接从生物质原料中破坏其分子结构进而机械剥离制备纳米尺寸的纤维，这种方法的最大优点是在纳米几丁质制备的整个过程中其原有的结晶度并未遭受到破坏，制备得到的纳米几丁质仍然保持了其天然完美的洁净结构，这个方法以酸水解结合机械分散为主要代表。几丁质原料通过高温酸水解后采用强剪切力的机械分散或研磨能制备出尺寸为几十纳米的纳米几丁质晶须，采用该方法制备纳米几丁质时几丁质在水解过程中纳米晶须得率很低。此外，超声波处理制备几丁质纳米纤维的方法也较为长剑，该方法主要是纯物理性的分散过程，通过间歇式长时间的超声处理几丁质也能被慢慢剥离为纳米尺寸，这种方法实质是对几丁质进行分丝，人儿机械超声剥离的几丁质碎片并不均匀，一般在强功率剥离后能够得到部分剥离的几丁质纳米纤维碎片，这些碎片中存在几十到几百纳米尺寸不均匀的纤维。TEMPO氧化方法制备几丁质的纳米纤维的原理是对几丁质分子中的羟基基团进行羧基化改性，使几丁质纤维带有相互排斥的-COO-，然后结合机械挤出、匀质或超声可以将其分散为纳米尺寸，由于几丁质纤维的负电荷的静电排斥作用，制得的TEMPO氧化纳米几丁质分散液稳定性较好。

1.4不同领域的应用

1.4.1化工领域

纳米技术为化学工业的可持续发展搭建了广阔的平台。纳米材料应用在化学工业领域中的许多方面，如催化剂与催化反应、高分子材料改良和化学传感器等等。纳米粒子可以作为化学工程中催化反应中的催化剂，主要有金属离子(如贵重金属 Pt、Pd、Rh、Ag等)、非金属(如 Ni、Fe、Co、Cu等)和氧化物为载体(Al2 03、TiO2、SiO2、CeO2、ZnO等)的催化剂，纳米粒子催化剂的开发和使用不仅提高了化学反应效率, 并且 可以通过对化学反应速度的调控，对化学工艺产品的生产体系进行优化，使工业产值得到进一步提高。纳米粒子作为催化剂的优点在于它不仅具有较高的活性、优良的选择性和较长的使用寿命， 而且在催化剂的生产过程中不使用酸、碱、盐 等有毒、有害物品，无三废排放，对环境无污染，是一种环境友好的催化剂。纳米材料可以作为高分子材料的改进剂和增强剂，如粘土纳米粒子、纳米 SiO2、纳米CaCO3等。它们对聚合物的物理、化学性能产生特殊的作用，可以提高高分子材料的延展性、韧性、刚性、强度、阻隔性、耐热性及尺寸稳定性的特点。

1.4.2生物医学领域

随着生命科学、生物信息学和医学的迅速发展，纳米材料因具有特殊的结构效应已在生物医学领域展示出广阔的应用前景.纳米材料可以应用于生物传感器与人造器官，还适用于疾病分析与治疗.纳米金属材料、纳米陶瓷材料、纳米高分子材料、纳米碳材料等已应用在疾病分析与治疗方面，基于纳米材料与纳米技术的药物载体的制备研究及其抗癌药物在载体材料中的装载、可控释放以及靶向传输对人类重大疾病如肿瘤的治疗具有重大的意义，已经成为当今纳米生物技术研究的前沿和热点.介孔材料在生物医学领域中的应用, 对于减少或防止有毒抗癌药物对人体正常细胞和组织的侵害、防止药物在摄入后短时间内过于集中或不均匀释放, 延长药效、实现药物的靶向作用以及提高药物的稳定性等, 具有明显的意义和社会价值.聚乳酸( PAL)是最常见的可降解生物高聚物纳米粒子之一，经常用于包埋和运载药物、疫苗和蛋白质，但它也有一定局限性。

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