文|漫悠芸端
编辑|漫悠芸端
引言
随着环境污染问题的日益严重，迫切需要高效、可持续的水处理技术，来保护地球上的水源，而壳聚糖基纳米纤维以其独特的属性和多功能性，成为解决这一问题的有力工具。
壳聚糖，是一个不太熟悉这个名词，但它其实是一种常见而重要的生物聚合物，它存在于螃蟹、虾壳、昆虫、甲壳类动物、环节动物、软体动物、腔肠动物和真菌菌丝中。
壳聚糖是一种无毒、可生物降解和生物相容的阳离子聚合物，因此在环境保护方面具有巨大潜力。
壳聚糖的特性
壳聚糖是β--2-脱氧-2-乙酰氨基-D-葡萄糖吡喃单元的共聚物，它是一种无毒、可生物降解和生物相容的 阳离子聚合物 ，可以通过特定浓度的氢氧化钠，在一定的水解时间和温度下，对壳聚糖进行部分，去乙酰化来获得。
壳聚糖是第二丰富的生物聚合物，仅次于纤维素醋酸酯，这是由于来自螃蟹、虾壳、昆虫、甲壳类动物、环节动物、软体动物、腔肠动物和真菌菌丝的壳聚糖来源广泛可得。
壳聚糖与碳纳米管、银、铁和金纳米颗粒等，纳米材料有良好的结合相互作用，从而防止团聚，并提供这些纳米材料的均匀分散，碳纳米管是碳的圆柱形纳米结构异变体，由于其独特的热传导和机械性能，碳纳米管被用作许多应用中的添加剂，污染水源的修复。
另一方面，银和铁纳米颗粒，负载在不同聚合物上，包括壳聚糖，由于其强大的杀菌性能，在微生物学领域引起了相当大的关注，因此，由聚合物和纳米颗粒制备的纳米复合材料，对诸如骨组织工程支架、创伤敷料，水处理等各种应用有着有效的贡献。
为了实现更高效的应用，研究人员合成管状的纳米纤维，如中空纤维和多孔结构，其中的主要挑战在于，难以获得所需的纳米尺度材料。
壳聚糖具有可调节的物理、化学和生物性能，被广泛应用于水处理领域，壳聚糖表面的氨基，和羟基基团有利于与金属形成配位键，也能与细菌细胞壁，细胞膜上的巯基进行相互作用，从而影响细菌的呼吸系统。
在水处理中使用壳聚糖，仍然存在一些限制，比如膨胀性和较低的机械强度，为了克服这些问题，研究人员将少量多壁碳纳米管，和聚异戊二烯与壳聚糖混合，以提高壳聚糖基纳米纤维的力学性能和热稳定性，同时降低其膨胀行为，以便改善壳聚糖在水处理中的应用效果。
制作壳聚糖纳米纤维
首先，将约5克壳聚糖，加入50% NaOH的圆底烧瓶中，配备有冷凝器，在80°C下回流反应48小时后冷却并过滤，水解后的壳聚糖，用*酮丙**洗涤三次，并在60°C的烘箱中干燥12小时。
随后，采用Mhlanga的方法，合成平均直径为30纳米的多壁碳纳米管，使用硫酸和硝酸的混合溶液对MWCNTs进行纯化，将0.2克合成的多壁碳纳米管，加入装有冷凝器的100毫升圆底烧瓶中的硫酸硝酸混合液，在120°C下回流反应24小时。
将产物用1000毫升，去离子水稀释并过滤，重复冲洗，直至滤液为中性pH值，氧化的多壁碳纳米管，在60°C的烘箱中干燥48小时，为了找到电纺溶液的临界粘度浓度，改变了壳聚糖的浓度。
为了增强壳聚糖的功能，将其与不同的聚合物进行混合，以便进行电纺，将聚丙烯酰胺按照不同的比例与壳聚糖混合，如CS:PAA = 70:30、78:22和80:20，同时，也在上述聚合物的混合物中加入了PEG，以降低所得溶液的表面张力。
随后再加入了PIP到混合溶液中，以改善纳米纤维的形态学，并减少其膨胀行为，PIP的添加量相对于壳聚糖而言是20%、40%、60%、80%和100%，混合后的溶液转移到玻璃瓶中，准备用于电纺。
为了制备含有2%重量碳纳米管的纳米纤维，将4毫克f-MWCNTs加入到含有丙烯酰胺、壳聚糖、聚乙二醇和PIP的总质量为0.2克的圆底烧瓶中，其中溶液中还加入了冰醋酸，将烧瓶中的溶液，在50°C下搅拌24小时，以获得均匀混合物，得到的溶液准备用于电纺。
电纺制得的纳米纤维，在40°C的烘箱中烘干24小时以去除水分，然后放置在预先浸泡了25%戊二醛蒸汽的烧杯顶部，并保持支撑24小时，得到的交联纳米纤维在烘箱中再次烘干24小时。
随后，使用扫描电子显微镜和透射电子显微镜，以及各类光谱分析仪等仪器对壳聚糖基纳米纤维进行了表征观察，这些表征确定了纳米纤维的形态学，纳米颗粒在纳米纤维上的分散性，以及它们的聚合度，功能性和热降解性，机械强度和纤维的膨胀行为。
为了确定，易于电纺的关键粘度浓度，改变壳聚糖粉末的浓度，当电纺2％和3％的脱乙酰度为75％的壳聚糖，以及3％浓度的水解壳聚糖时，溶液在针尖形成一个液滴，立即形成一个圆锥体，然后形成一个喷射流向铝箔表面。
扫描电子显微镜图像，显示在这些浓度下未形成纳米纤维，这归因于壳聚糖溶液的低浓度，无法足够稳定带电的喷射流，从而将喷射流分解为较小的液滴，当壳聚糖的浓度增加到3.5％时，溶液变得太粘稠，无法从注射器中释放出来。
为了克服与壳聚糖电纺相关的挑战和困难，将壳聚糖与聚丙烯酸混合，目的是保持壳聚糖相对于PAA的量较高，因为壳聚糖是关注的聚合物，当水解壳聚糖与PAA以60:40的比例混合时，在铝箔上收集到了短断裂的纳米纤维。
PAA是一种高分子量聚合物，已知它能与其他聚合物形成氢键，并有助于在电场下稳定带电喷射流，相对于壳聚糖添加5%的聚乙二醇，到水解壳聚糖和PAA的60:40混合物中时，形成了层状的长壳聚糖纳米纤维。
PEG有助于降低粘稠，壳聚糖聚合物的表面张力，从而改善其电纺性能，为了监测PAA对壳聚糖纳米纤维形态的影响，改变壳聚糖与PAA的比例。
在壳聚糖与PAA的百分比比例为70:30和78:22时，获得无珠状纳米纤维的电纺产物，当以80:20的聚合物，比例电纺壳聚糖与PAA时，纳米纤维伴随着小细溶液液滴的形成，这表明在这种聚合物比例下，电纺同时伴随着电喷雾的发生。
这是由于在施加电场到聚合物溶液时，拉伸聚合物无法维持流体断裂，在这种聚合物比例下，认为PAA的含量较低，无法达到稳定聚合物，喷射流所需的特征浓度，从而得到细小且优良的非织造布。
由于壳聚糖是研究的主要聚合物，因此选择在混合物中，含有最高壳聚糖量的CSPAA混合物，用于进一步，与旨在减少壳聚糖纳米纤维溶胀行为的PIP进行混合。
在壳聚糖聚丙烯酸钠聚乙二醇混合物中，添加不同量的聚异*烯丁**，以得到在扫描电子显微镜，分析下具有均匀纳米纤维，和均匀外观的混合物，相对于壳聚糖，添加20-40%的PIP并没有显著改变壳聚糖纳米纤维的形态。
进一步增加PIP的添加量，会导致具有改善形态的均匀纳米网状结构，当PIP浓度增加到100%时，纳米网状结构的均匀性丧失，纳米纤维呈珠状，所有这些纳米纤维形态的变化，都归因于弹性PIP的浓度。
PIP可能会影响粘度、表面张力和溶液的导电性等不同参数，这些参数会对电纺过程产生积极或消极的影响，表面张力，有助于维持聚合物溶液的摆动和拉伸，而粘弹性的PIP则维持喷流的流动断裂。
这两个参数受到聚合物浓度的影响，聚合物浓度鼓励纠缠的发展，从而在特征电纺聚合物浓度下，产生光滑均匀的纳米纤维，通过以下比例的3％混合聚合物，获得了均匀无珠状纳米纤维，壳聚糖-PA为78:22，PEG为5％，PIP相对于壳聚糖为80％。
剩下的挑战是，合成具有纳米尺寸的纳米纤维，以改善其作为，去除水中污染物的高表面积材料的应用，在这种情况下，使用产生具有改善形态的均匀，纳米结构非织造材料的混合CSPAAPEGPIP溶液进行优化，以确定流量、针尖与电压之间的距离等电纺参数。
从而找到产生较小直径壳聚糖基纳米纤维的参数，如果带电载体浓度高于最大阈值，则电荷密度的改变可能会影响泰勒锥的形成，这与聚合物的优化浓度中添加的带电载体的浓度有关。
人们认为Ag+和Fe3+离子的添加，没有使混合壳聚糖，电纺溶液的带电密度超过最大阈值，因此不会对纳米纤维的完整性产生改变，交联和非交联纳米纤维都具有均匀的非织造纳米纤维薄膜结构。
在使用GLA进行交联后，纳米纤维的完整性得到了保持，没有观察到结构变形，然而，交联纳米纤维的尺寸从471±139 nm增加到627±284 n，这是由于交联过程中壳聚糖基纳米纤维吸湿导致的膨胀行为所致。
结论
通过电纺技术，科研人员成功地合成了一种基于壳聚糖的纳米纤维，该纳米纤维中，含有Ag和AgFe纳米颗粒，壳聚糖基纳米纤维，对12种不同菌株的生长具有显著的抑制作用。
这意味着它们在水处理过程中，可以作为一种有效的消毒剂使用，这项研究为纳米纤维的应用，开辟了新的可能性，能够帮助人们解决水污染发处理方面的问题。
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