创新点

       本文介绍了一种基于脱乙酰化介导设计策略的高性能再生甲壳素纤维。所制备的纤维通过精确调控脱乙酰度（DD），实现了机械性能与多功能效能的协同提升。纤维采用KOH/尿素水溶液低温溶解体系，通过湿法纺丝技术连续成型，建立内在分子结构 -聚集结构-性能之间的关系，系统评估了脱乙酰化对纺丝原液的性能、再生过程、结构演变及内部相互作用的差异。脱乙酰处理不仅增强了分子间相互作用，使纤维内部结构更致密、取向度更高，拉伸强度从70 MPa提升至101 MPa的同时，还显著提高了纤维的抗菌性能。这一研究为从多尺度理解甲壳素结构-性能关系提供了新视角，推动了甲壳素在高强度可持续纤维领域的应用。

在向循环经济转型的背景下，社会日益重视可再生资源的利用。甲壳素作为自然界中含量最丰富的含氮天然生物聚合物和第二大多糖，因其独特的生物可降解性、生物相容性和抗菌性能，在生物医学、包装等领域具有广泛应用前景。然而，甲壳素的实际应用受限于其不溶不熔的特性，以及传统加工方式对材料本征结构的忽视。尽管碱/尿素水溶液等绿色溶剂体系为甲壳素的溶解和加工提供了新途径，但针对再生甲壳素纤维的多尺度结构调控与性能关联研究仍显不足。

基于上述背景，四川大学高分子科学与工程学院傅强教授课题组采用脱乙酰化介导的设计策略，系统探究了脱乙酰度对再生甲壳素纤维从分子水平（分子间作用力、链取向）到微纳尺度（纳米纤维聚集行为）的多层次结构影响。通过调控脱乙酰度，在提升纤维机械性能的同时，赋予其优异的抗菌功能，为甲壳素在可持续高性能纤维领域的应用提供了新思路。

图1 部分脱乙酰化甲壳素及其再生纤维的制备. a)部分脱乙酰化过程中甲壳素分子结构和外观的变化示意图；b) 不同脱乙酰度甲壳素原料的XRD图谱；c) 甲壳素/KOH/尿素水溶液的光学照片；d) 湿法纺丝过程示意图；e) 甲壳素纤维的光学照片；f) 纤维表面形貌的SEM图像

文章系统研究了脱乙酰度（DD）对甲壳素纺丝溶液流变性能和可纺性的调控规律(图2)。研究发现，脱乙酰处理可显著降低溶液黏度（从164 Pa·s降至26 Pa·s），改善溶液稳定性，并有效提升可纺性。通过精确控制脱乙酰度，可在高甲壳素含量条件下获得具有适宜黏度和优异存储稳定性的高品质纺丝溶液，为高性能再生甲壳素纤维的制备提供了重要理论基础。

图2 甲壳素纺丝溶液性质. （a-c）相同DD下不同浓度甲壳素溶液的黏度、模量和凝胶化温度；（d-f） 相同浓度下不同DD甲壳素溶液的黏度（@9 wt%）、模量（@11 wt%）和凝胶化温度（@7 wt%）

文章研究了脱乙酰度（DD）对再生甲壳素纤维多级结构的演化规律及其对力学性能的影响机制(图3)。通过扫描电子显微镜（SEM）和二维广角X射线衍射（2D WAXD）等技术，揭示了脱乙酰处理可诱导纤维形成从互联纳米纤维到微米级孔洞的多级结构转变，同时显著提升分子链取向度（从0.66增至0.76），为制备高性能甲壳素纤维提供了重要的结构调控策略。 

图3  再生纤维的结构演变. a)甲壳素凝胶纤维网络结构的SEM图像；b) 干燥甲壳素纤维表面结构的SEM图像；c) 不同DD干燥甲壳素纤维的2D-WAXD图谱

进一步通过多尺度结构表征揭示了脱乙酰度（DD）对再生甲壳素纤维内部相互作用力和结构与力学性能的调控机制(图4)。研究发现脱乙酰处理可进一步促进分子间新氢键形成，促进结构致密化，使纤维拉伸强度显著提升。通过优化纺丝溶液浓度和DD值，实现了强度与延伸性的最佳平衡，为高性能甲壳素纤维的定向制备提供了重要的理论依据。

图4  纤维的内部相互作用、结构与机械性能. （a-c）部分脱乙酰化再生甲壳素纤维的FT-IR光谱、CP/MAS ¹³C-NMR谱和XRD图谱；(d) 纤维结晶度变化；(e, f) 不同浓度纺丝溶液制备的脱乙酰甲壳素纤维的强度和伸长率

此外，还研究了脱乙酰度（DD）对再生甲壳素纤维环境稳定性与抗菌性能的调控规律(图5和图 6)。研究发现脱乙酰化处理虽然会降低纤维的热稳定性和湿态强度，但可显著增强其抗菌性能。通过氨基质子化作用，纤维对革兰氏阴性菌（大肠杆菌）和革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌）均表现出优异的抗菌活性，为甲壳素纤维在生物医学领域的应用提供了一定的基础。

图5  纤维的热湿性能. (a) 不同DD再生甲壳素的水接触角；(b) 相对湿度81%条件下24 h后的吸湿率；(c,d) 吸湿前后再生纤维的强度和断裂伸长率；(e) 50℃水浴1 h后的强度和断裂伸长率；(f) 再生甲壳素纤维的TGA曲线

图6  纤维的抗菌性能. (a) 不同DD甲壳素对革兰氏阴性大肠杆菌和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌的抗菌活性及抗菌率；(b) 脱乙酰甲壳素氨基质子化示意图；(c) 壳聚糖细菌的抗菌作用模式

本研究题为“Enhanced Regenerated Chitin Fiber by a Deacetylation-mediated Strategy Based on Alkali/Urea Green Dissolution System”发表在Chinese Journal of Polymer Science。

Citation

Xue, S.; Tan, H.; Fu, Q. Enhanced regenerated chitin fiber by a deacetylation-mediated strategy based on alkali/urea green dissolution system. Chinese J. Polym. Sci. 2025DOI：10.1007/s10118-025-3411-x