北京林业大学彭锋课题组Green Chemistry：工业木聚糖稳定的多功能液态金属墨水
背景介绍
工业木聚糖是我国造纸厂或纺织企业溶解浆过程中主要副产物之一，其高值化利用问题严重影响产业发展，对环境和社会经济效益已产生巨大负担。此外，被浓碱溶出的半纤维素由于支化度大大降低，分子链结构较为规整，易形成大量结晶区域，几乎不溶于常见的各种溶剂，导致其转化利用困难。如何从分子结构层面上调控其结构性能，通过绿色经济的手段实现其高值化利用，极具科学挑战性。
针对以上问题，北京林业大学彭锋教授团队，在前期实现工业木聚糖向护肤凝胶（International Journal of Biological Macromolecules, 2020, 158, 244–250）和高强度膜材料（Biomacromolecules, 2021, 22, 9, 3810–3818）的研究基础上，进一步通过常温水相非均相氧化法，将高度结晶水不溶的木聚糖转化成无定形可水溶的醛基木聚糖，并随后制备了兼具生物相容性、优异稳定性的木聚糖基液态金属墨水材料，可用于催化聚合和制备凝胶基传感材料（图1）。
图1. 论文的研究思路示意图
图文解读
作者首先对工业木聚糖进行高碘酸钠氧化改性，反应前木聚糖完全不溶于水，但伴随着氧化反应的不断进行，反应后体系完全澄清。实验结果表明，制备得到的醛基木聚糖具有典型的无定形结构，水溶性较好，并可以在超声条件下与液态金属形成纳米核壳结构，其胶体和化学稳定性长达1周以上。
图2 a）工业木聚糖改性及制备液态金属纳米墨水示意图; b) 高碘酸钠氧化反应示意图; c-d) 醛基木聚糖FTIR及XRD表征谱图；e-f) 液态金属墨水XPS谱图及TEM照片；g-h) 木聚糖基液态金属墨水大分子壳层及纳米尺寸与聚合物浓度关系；i-j) 纳米墨水长期稳定性测试
木聚糖基纳米墨水具有优异的生物相容性和织物浸渍性，表现典型的剪切变稀流变特性，可替代普通油墨进行书写或打印。
图3 a)纳米液态金属墨水细胞活性测试；b)纳米液态墨水的剪切变稀特征；c-d) 木聚糖基液态金属墨水可打印特性及微观结构；e-g)木聚糖基液态金属墨水的可书写性以及对织物和去除木质素的木头浸渍性。
由于醛基木聚糖具有较弱的还原性，因此可以与液态金属及过硫酸胺在室温下形成复合氧化还原体系，可在15 s内快速对丙烯酰胺单体进行引发聚合，无需除氧或加热。此外，即使对于其他常见乙烯基单体，也同样具有快速催化氧化聚合特性。
图4 a-c) 木聚糖基纳米墨水快速引发单体聚合照片、热辐射红外照片及机理示意图; d) 引发聚合时间与木聚糖浓度关系；e) 反应体系的CV曲线图；f）纳米木聚糖墨水对不同单体的引发时间；g-h) 纳米木聚糖基墨水引发得到的凝胶力学性能；i）液态金属墨水储存不同时间后化学活性稳定性。
由于醛基木聚糖可与壳聚糖通过席夫碱反应交联，利用这种反应活性，结合快速引发聚合的催化特性，可以制备液态金属基运动传感器，GF值可达8.19。
图5 a-c)木聚糖基液态金属墨水与壳聚糖反应示意图及其流变测试结果; d-e) 纳米液态金属墨水-聚丙烯酰胺-壳聚糖复合凝胶材料力学性能示意图；f-i) 液态金属复合凝胶的传感性能测试。
总结
通过对工业木聚糖进行水相氧化改性，将高度结晶不水溶的木聚糖转变为无定形可水溶的醛基木聚糖，随后对其进行性能开发，构建了具有良好生物相容性、可打印性以及兼具胶体和化学长期稳定性的纳米液态金属墨水。该论文成果不仅为工业木聚糖的高值化利用提供了全新的思路，同时拓宽了液态金属墨水材料的外延，为新型生物质基纳米材料的制备奠定了理论基础。
原文链接：
https://doi.org/10.1039/D1GC02696H
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