近日，东北林业大学于海鹏教授、陈文帅教授和德州大学奥斯汀分校余桂华教授合作提出了一种绿色、低成本、可规模化制备氨基纤维素纳米纤维的新方法。该方法通过将羧基和氨基接枝到纤维素上，并经过超声纳米纤化处理，成功制备出超细、高长径比的A-CNF材料。该材料不仅机械性能增强，还具备优异的生物相容性和抗菌活性。研究显示，A-CNF支架在组织工程中表现出良好的生物稳定性、孔隙连通性和机械完整性，细胞活力显著提升，溶血率降低，展现出作为生物医学材料的广阔潜力。相关论文以“Sustainable synthesis of amino-cellulose nanofibers for biomaterial platforms”为题，发表在Science Advances上。

研究团队以大规模生产的纤维素浆粕为原料，采用由柠檬酸、氯化胆碱和水组成的低共熔溶剂进行预处理，促进纤维素表面羧基化。随后，通过与多种胺类化合物进行酰胺化反应，成功引入氨基官能团。在最优条件下（羧化纤维素与聚乙烯亚胺摩尔比为1:2），制备出的A-CNF具有高达2200的长径比，胺含量达6.18 mmol/g，氮含量为17.14%，zeta电位为+38.66 mV，取代度为0.22，产率超过95%。这些指标显著优于现有文献报道的同类材料。A-CNF悬浮液在储存8个月后仍保持均匀稳定，中试生产也证明其具备吨级扩产能力。

经济与环境效益分析显示，该合成路径的成本远低于传统的季铵化反应、酰胺化反应及商业壳聚糖的生产成本。生命周期评估进一步表明，该方法在全球变暖、陆地酸化和生态毒性等多项环境指标上均优于对比工艺，例如全球变暖潜能比传统壳聚糖合成降低了67.7%，凸显其绿色可持续优势。

图1. 纤维素向A-CNF的转化过程 （A）来自木材的纤维素与来自甲壳动物外骨骼的壳聚糖（CTS）的层次结构与化学结构对比，展示了多样的自然资源和有利于材料创新的复杂结构。 （B）A-CNF合成过程中的共价表面功能化步骤，详细说明了在纤维素纳米纤维上引入氨基的化学修饰过程。 （C）CTS与A-CNF在多项理化性质与生物活性上的雷达图对比，各项指标（如机械强度、热稳定性、生物相容性等）均已相对于观测最大值进行归一化处理。

图2. A-CNF的形态与理化性质分析 形态表征：（A）0.2% (w/v) A-CNF悬浮液（羧化纤维素:PEI摩尔比1:1）的数码照片；（B）原子力显微镜图像；（C、D）不同放大倍率的透射电子显微镜图像；（E）直径分布直方图；（F）0.2% (w/v) A-CNF悬浮液（羧化纤维素:PEI摩尔比1:2）的数码照片；（G）原子力显微镜图像；（H、I）不同放大倍率的透射电子显微镜图像；（J）直径分布直方图；（K）高长径比A-CNF的透射电子显微镜图像。 理化性质：（L）最优条件下制备的A-CNF与文献值的纵横比对比；（N）最优条件下制备的A-CNF与文献值的胺含量对比。 定量分析：（M）基于三次独立测量的A-CNF胺含量比较。 稳定性与可扩展性评估：（O）A-CNF悬浮液储存8个月前后的照片；（P）1 wt% A-CNF的中试生产测试，展示了生产过程的规模化能力。 生命周期与技经分析：（Q）A-CNF合成成本分解及与季铵化、酰胺化反应和商业CTS每吨成本的对比；（R）A-CNF与CTS生产在10项环境指标（包括全球变暖、人类健康、陆地生态系统等）上的影响对比。

光谱分析结果证实了A-CNF的成功合成。拉曼光谱在1500 cm⁻¹和1650 cm⁻¹处出现新吸收峰，分别对应氨基和酰胺基团；X射线光电子能谱显示碳、氮、氧含量分别为66.1%、16.3%和17.6%，并检测到C–N–C和C–N键的存在；傅里叶变换红外光谱中N–H伸缩振动信号增强，羧酸盐C=O峰消失，进一步支持了表面酰胺化的完成。X射线衍射与固态¹³C核磁共振结果也表明，纤维素I型晶体结构在修饰后得以保留，同时出现了由聚乙烯亚胺接枝引起的新碳信号。

图3. A-CNF的光谱分析 （A）CNF与A-CNF的拉曼光谱；（B）羰基（C=O）与（C）氨基（NH₂）的拉曼光谱细节，通过颜色强度展示酰胺与氨基在A-CNF中的分布；（D）CNF与A-CNF的XPS谱图；（E、F）A-CNF的C 1s与N 1s谱图；（G）所有样品的FTIR光谱对比；（H）CNF与A-CNF的固态13C NMR谱图对比。

A-CNF支架展现出高度可调的物理结构与性能。通过调节A-CNF固含量（1–10 wt%），可实现孔径从540 μm至20 μm的精确调控，满足不同细胞尺寸的需求。支架具有高比表面积（17.84–22.51 m²/g）、优异的孔隙连通性（闭合孔数量仅为壳聚糖支架的1/14至1/21）和持续高于95%的生物稳定性，远优于壳聚糖支架（12小时内完全降解）。此外，A-CNF支架的水吸收率和持水率分别为壳聚糖支架的6–32倍和4–11倍，为细胞提供了理想的湿润微环境。

在抗菌性能方面，A-CNF对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌率分别达到81.8%和92.3%，其机制包括破坏细菌膜结构和干扰细胞壁合成。机械性能方面，A-CNF支架的压缩强度可从0.3 MPa调整至8.6 MPa，杨氏模量覆盖0.003–0.51 MPa，能够匹配从软组织（如脑、肝）到硬组织（如骨）的力学需求，并通过浇铸成型成功制备出心、脑、肺、肾等多种器官模型。

图4. A-CNF支架的可定制性能 （A）不同固含量A-CNF支架的截面示意图与扫描电镜图像，插图为各支架的数码照片； （B）Micro-CT重建的三维图像展示A-CNF支架内部的孔隙结构； （C）比表面积与孔径随支架固含量的变化； （D）A-CNF与CTS支架内部孔隙连通性分析； （E）不同固含量下A-CNF与CTS支架的孔隙率与密度对比； （F）A-CNF与CTS支架的水吸收与持水能力图示； （G）A-CNF与CTS支架在不同固含量下的生物稳定性比较，附随时间变化的数码照片记录； （H）A-CNF支架对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌抑制率； （I）固含量对A-CNF支架压缩强度与杨氏模量的影响； （J）A-CNF支架与四种文献报道支架在压缩强度与比强度上的Ashby图对比； （K）A-CNF支架杨氏模量与天然体内组织刚度范围的比较； （L）通过凝胶浇铸制备的仿生软组织形态A-CNF支架。

生物学评价进一步验证了A-CNF支架的优越性。溶血率仅为0.68%，远低于5%的安全阈值。使用H9c2、SK-BR-3和PHC三种细胞系进行的实验表明，A-CNF支架能显著提升细胞活力与增殖率，抑制率为负值，细胞存活率超过110%。通过匹配细胞尺寸与支架孔径（如100 μm用于心肌细胞，50 μm用于乳腺腺癌细胞，20 μm用于肝细胞），A-CNF有效促进了细胞粘附与器官样结构的形成，在48小时内成功支持了心脏、乳腺和肝脏类器官的发育。

图5. A-CNF支架的生物学性能 （A）A-CNF支架用于类器官培养的示意图，显示其可调孔径适应不同细胞尺寸； （B）CTS与A-CNF支架的溶血测试结果图像； （C）各支架组的溶血率定量； （D）CCK-8法测定的细胞抑制率； （E）细胞在A-CNF支架上培养24小时后的活力分析； （F）H9c2、SK-BR-3与PHC细胞在CTS与A-CNF支架上培养48小时后的共聚焦与三维荧光图像； （G）支架孔径对细胞行为影响的示意图； （H、I）不同孔径A-CNF支架上H9c2、SK-BR-3与PHC细胞的粘附率与增殖率； （J）心脏、乳腺与肝脏类器官在A-CNF支架中培养48小时后的数码照片。

综上所述，该研究不仅成功开发出一种兼具高强度、高生物活性与绿色可持续特性的氨基纤维素纳米纤维材料，还通过系统的结构与功能验证，展示了其在组织工程、抗菌敷料、药物递送等领域的广泛应用前景。未来，研究人员将进一步探索A-CNF的长期体内生物相容性、降解动力学及其免疫响应行为，推动这一创新材料向下一代医疗器械与再生治疗产品转化。