纤维素是地球上最丰富的天然高分子，来源广泛、可再生可降解，是替代石油基合成材料的理想选择。然而，天然纤维素缺乏可电离基团，功能受限。如何通过理性修饰手段赋予纤维素“带电”能力，使其在生物医学、能源存储、环境修复等领域大放异彩？

  近日，武汉大学周金平教授与陈朝吉教授团队在前期纤维素溶解、再生及功能化设计的研究基础上，于国际顶级期刊《Progress in Polymer Science》上发表了题为“Ionic cellulose derivatives: Charge design and advanced applications”的长篇综述。该综述系统梳理了离子纤维素衍生物的类型、结构、合成策略、电荷调控机制及其前沿应用，首次揭示了“电荷-功能”之间的内在关联，为可持续离子纤维素基材料的理性设计提供了重要的理论框架（图1）。

图1. 离子纤维素衍生物中的电荷设计及其前沿应用

  纤维素每个脱水葡萄糖单元均含有三个羟基，这使其成为化学修饰的理想分子平台。通过氧化、酯化、醚化和接枝共聚等策略，可将带电荷的官能团精准引入纤维素骨架，构筑阴离子型（如羧甲基纤维素）、阳离子型（如季铵化纤维素）和两性型（如两性纤维素）三大类衍生物。此外，作者特别聚焦于离子型纳米纤维素（包括磺酸化纤维素纳米晶和羧基化纤维素纳米纤维等），强调其兼具纳米尺度效应与高表面电荷密度的协同优势，这种双重特性为其在功能材料领域的精准设计奠定了重要基础。

图2. 离子纤维素衍生物类型及其电荷衍生性质

  该综述深入剖析了离子基团赋予纤维素的电荷衍生的性质及其内在物理化学机制（图2）。在生物活性方面，阳离子基团可通过静电吸附破坏细菌细胞膜，赋予材料广谱抗菌性；阴离子基团则可模拟肝素结构实现抗凝血功能；而两性基团通过形成强水合层，能有效抵抗非特异性蛋白吸附，展现出优异的抗污性能。在表面润湿性方面，离子基团的引入显著提升了材料的亲水性，其中磷酸根的增强效果最为显著。在刺激响应性方面，基于质子化/去质子化平衡，离子纤维素衍生物可对pH、盐浓度和湿度等外部环境产生可逆的响应，例如实现疏水与亲水状态的可逆切换。在离子交换与调控方面，阴离子基团赋予材料质子交换能力以用于燃料电池，阳离子基团赋予材料阴离子交换能力以用于重金属吸附，而通过在纳米通道中形成双电层，离子纤维素还能精确调控离子传输和沉积行为，作为隔膜或电解质可有效抑制枝晶生长。此外，离子基团之间以及离子基团与金属离子间的非共价相互作用（如静电吸引、阳离子-π作用和金属配位）可作为“牺牲键”显著耗散形变能量，从而大幅增强材料的力学强度和韧性。

  基于上述电荷赋予的独特性质，作者梳理了离子纤维素衍生物在多领域中的前沿应用进展。在生物医学工程领域，该类材料被用于制备智能伤口敷料、可控药物递送系统、组织工程支架及抗凝血抗污涂层等功能平台，展现出良好的生物相容性与功能可设计性。在能源存储与转换方面，羧甲基纤维素已成为经典的水性电池粘结剂，而季铵化或磺化改性的纤维素材料在隔膜、固态电解质和离子交换膜等方面展现出巨大潜力，同时还可用于构建高性能摩擦纳米发电层。在环境修复领域，离子型纳米纤维素凭借高比表面积和丰富的活性位点，可高效用于海水淡化、纳米塑料捕获、染料及重金属离子吸附以及油水分离等过程。在传感器领域，基于离子传导机制与纤维素纳米晶的手性光子结构，研究者开发了高灵敏度的应变传感器、湿度传感器和光学传感器，拓展了纤维素材料在智能感知方面的应用边界。在驱动器领域，通过构筑非对称双层、扭曲纤维或图案化复合结构，离子纤维素材料能够将湿度、温度或光能转化为可控的机械形变，为智能机器人发展提供了新的材料基础与设计思路。

图3. 离子纤维素衍生物面临的挑战及其机遇

  最后，作者指出，离子纤维素衍生物领域在迈向实际应用的道路上，仍面临着从合成到设计的系统性挑战，未来发展方向同样充满机遇（图3）。在合成层面，当前主流的反应体系无论是均相（如NMMO、离子液体）还是非均相（如TEMPO氧化、酸碱水解）路径，普遍存在成本高昂、能耗巨大、溶剂回收困难以及反应效率偏低等问题，尤其是为实现高取代度往往需要数十乃至数百倍摩尔过量的试剂。因此，亟需开发可回收、低能耗且具有高反应效率的绿色合成体系。在表征层面，准确测定离子纤维素衍生物的取代度以及取代基在分子链上的区位选择性分布，是深入理解构效关系的前提，但目前核磁共振技术仍面临诸多实际困难——氢谱中特征峰易被残余水信号掩盖，碳谱则受限于样品溶解性差和分辨率不足，导致信号噪声比偏低，而电导滴定或原子吸收光谱等方法又存在分析时间长或仪器稳定性差的问题。因此，发展更为精准、高效的先进表征手段，尤其是能够直接解析取代基沿分子链分布规律的分析技术，已成为推动该领域进一步发展的迫切需求。在设计层面，现有的大多数离子纤维素衍生物仍停留在单一类型的离子修饰阶段，未来的发展趋势将迈向多种不同电荷基团在单一纤维素分子链上的理性集成，以实现协同增效的复合功能。目前，逐渐兴起的人工智能将扮演至关重要的角色，通过建立定性和定量的构效关系模型，人工智能可以高效预测最优的电荷组合方式、指导复杂分子架构的设计，从而加速从经验试错向理论驱动的理性设计范式转变。在应用层面，离子纤维素衍生物正经历从单一功能材料向智能化、个性化多功能集成平台的跨越。通过将离子纤维素与合成高分子、无机纳米材料、功能小分子以及先进制造技术进行巧妙结合，有望催生出一系列具有突破性性能的新材料体系，从而推动离子纤维素衍生物从实验室走向真正的商业化应用。

  武汉大学化学与分子科学学院张皓东博士后为本文第一作者，周金平教授和陈朝吉教授为共同通讯作者。该工作得到国家自然科学基金（22375154, 52173106, 2461142135）和湖北省自然科学基金（2026AFB007）等项目的支持。

  原文链接：https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2026.102164

作者简介：

  张皓东：武汉大学化学与分子科学学院博士后，主要从事生物质（纤维素/甲壳素/壳聚糖）资源利用与储能应用研究，以第一作者（或共一作）在Prog. Polym. Sci.、Angew Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊发表SCI论文15篇，其中3篇入选ESI高被引论文，论文总引1000余次，H因子10。

  周金平；2001年6月于武汉大学化学学院获理学博士学位并留校任教，2003年11月晋升为副教授，2006年4月遴选为博士生导师，2007年11月晋升为教授，2011年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”，2012年获日本学术振兴会（JSPS）奖学金资助赴九州大学作访问研究，2013年受聘为武汉大学“珞珈特聘”教授，2014年入选武汉市“黄鹤英才”计划。主要从事天然高分子功能材料的研究。在SCI源刊发表论文170多篇，SCI他引近13000次，参编专著8部。曾获国家自然科学二等奖（排名第5）、湖北省技术发明二等奖（第2）、教育部自然科学二等奖（第2）。

  陈朝吉，武汉大学资源与环境科学学院教授、博士生导师。2015年博士毕业于华中科技大学，2015-2021年分别于华中科技大学与马里兰大学帕克分校从事博士后研究，并于2021年5月入职武汉大学资环学院组建X-Biomass课题组。从事生物质材料（木材、竹材、纤维素、甲壳素等）的多尺度结构设计、功能化及高值利用方面的研究，致力于以天然材料解决可持续发展面临的材料-能源-环境挑战。以第一/通讯作者（含同等贡献）在Nature/Science (3篇)及其子刊 (18篇)等国内外著名学术期刊上发表SCI论文100余篇，总引用43,000余次，H因子110。获科睿唯安“全球高被引科学家”（2021-2025连续五年入选材料科学领域）、麻省理工科技评论亚太区“35岁以下科技创新35人”、“ACS KINGFA Young Investigator Award”、“中国化学会纤维素专业委员会青年学者奖”、“国际材料联合会前沿材料青年科学家奖”、“Advanced Science青年科学家创新奖”、阿里巴巴达摩院“青橙优秀入围奖”、“中国新锐科技人物卓越影响奖”、“R&D 100 Awards”等荣誉。担任The Innovation Materials学术编辑，The Innovation、National Science Review、Science Bulletin、Research、SusMat、npj Soft Matter、Green Carbon、Molecules等杂志编委/青年编委，以及中国化学会纤维素专业委员会委员。

  课题组网站：https://biomass.whu.edu.cn/index.htm