天然和合成纳米材料的电化学、生物医学和热特性的比较研究

背景

天然纳米材料涉及不同形状的纳米纤维素，如纤维素纳米纤维（NFC）和纤维素纳米晶体（CNC）。粗略地说，单个纤维素分子链通过氢键相互连接，形成更大的单元，称为基本原纤维或微原纤维 [1]。这些微纤维具有一些无定形区域和非常有序的（结晶）区域。当微纤维被分成纳米颗粒时，纳米纤维就形成了。纳米原纤维域通常被称为纳米纤维素，由于它们具有高机械强度、刚度、低热膨胀、大表面积、可再生性、光学透明性、生物降解性和低毒性，因此是一种很有前景的新型生物基复合材料 [2] .

有许多天然来源可用于制备纳米纤维素。红麻是一种天然热带植物，已被商业化种植，为包括马来西亚在内的发展中国家创造次要收入来源 [3]。洋麻中 44% 到 63.5% 的高纤维素含量引起了许多应用的兴趣 [3, 4]。 CNC和NFC可以分别通过酸水解和机械处理获得。由于其无毒、高电和热性能等优异特性，它们已被用于许多领域，例如聚合物复合材料中的填料，以制造各种其他功能材料，如透明阻隔膜 [5]、光子晶体[6]、形状记忆聚合物[7]、药物载体[8]、复合材料[9]。

包括碳纳米材料在内的合成纳米材料在工业和科学中有许多应用[10,11,12]。碳纳米管（CNT）和碳纳米纤维（CNF）等碳纳米材料由sp ² 制成 具有一维 (1D) 结构的碳原子 [10]。纯碳纳米管的结构可以看作是单片石墨卷成管状。纳米管的特性取决于原子排列、管子的直径和长度，以及形态或结构 [13]。此外，CNF 具有圆柱形纳米结构，具有不同的石墨烯片堆叠排列，例如堆叠的薄片、带状或人字形 [11, 14]。它们的直径在几十纳米到几百纳米之间变化，而它们的长度在微米的数量级 [14]。具有低密度和高纵横比以及非凡的机械、热、电和电化学性能的碳纳米材料已被用于大多数科学和工程领域的许多活动[15]。此外，在许多情况下，这些纳米材料在生物医学领域有许多应用 [12, 16, 17]。虽然有几种技术可以生产 CNT 和 CNF，包括电弧放电 [18]、激光烧蚀 [19]、化学气相沉积 (CVD) [20,21,22,23] 和自组装 [24]。 CVD 作为大规模生产方法已被用于生产高质量的 CNT 和 CNF [25]。为了获得不同的形貌，需要改变CVD的一些重要参数，如运行时间、反应温度、碳源流速和催化剂浓度[26,27,28,29]。

据研究人员所知，到目前为止，还没有人报告任何关于天然和合成纳米材料特性的比较研究的研究。在这里，主要目的是在结构、形态、组成、结晶、表面积以及热稳定性、细胞毒性效应和电化学性质方面比较不同形式的纳米纤维素和纳米碳。 Brunauer、Emmet 和 Teller 分析 (BET) 用于测量比表面积。通过扫描电子显微镜 (SEM)、能量色散 X 射线 (EDX)、透射电子显微镜 (TEM) 和 X 射线衍射 (XRD) 分析样品的表面形貌、成分和结构表征。此外，还应用热重分析 (TGA)、循环伏安 (CV) 和 MTT 分析等不同分析方法来研究纳米颗粒的结构、组成和形态对其热、电化学和毒性性质的影响。

结果与讨论

纳米材料的形态

图 1 中的 SEM 和 TEM 图像描绘了天然和合成纳米材料的显微照片。纳米材料在显微照片中显示出明显不同的形状和尺寸。为了捕获纳米颗粒的 TEM 图像，将样品分散在丙酮溶液中，以便将纳米颗粒彼此分离。

a 的 SEM/TEM 图像 数控，b NFC，c CNF 和 d 碳纳米管

根据图像，CNC 呈现出平均长度为 150 纳米、直径为 12 纳米的针状结构，而 NFC 则呈现出高度缠结的网状结构，直径范围为 50 至 200 纳米（见图 1）。 1a,b) NFC 的高度缠结结构显着增加了流动阻力，并导致收到的 NFC 样品的凝胶状行为。图 1c 显示了具有棒状结构且直径为 150-200 nm 的 CNF 具有非常粗糙和坚固的表面，而表面上的 CNT 是多壁、卷曲且相互缠结的。图 1d 显示 CNT 的壁厚直径约为 10-30 nm。与NFCs类似，CNT和CNF的长度太长，由于它们的缠结结构，不容易高精度地测量单根纤维的长度。

能量色散 X 射线光谱

为了找到每个纳米结构的组成，使用了 EDX。表 1 中报告了每种类型纳米材料的 EDX 结果。所有纳米颗粒都显示存在大量碳和氧。 CNC的EDX结果表明，不仅有碳和氧，还有少量的S存在，而NFC没有发现污染物的存在，这与制备方法有关。用CVD法合成的CNF和CNT的EDX结果证明产物中存在少量Ni催化剂。尽管将 CNF 和 CNT 浸入 FeCl3/HCl 溶液中以去除 Ni 催化剂，但仍观察到与纳米纤维和纳米管中存在 Ni 催化剂有关的少量 Ni。正如预期的那样，所生产的纳米材料主要含有碳和氧，杂质的数量很少，如表 1 所示。

下注表面积

为了获得天然和合成纳米材料的表面活性，测定了 BET 比表面积。表 2 报告了从氮吸附-解吸等温线获得的 BET 结果。纳米材料在 200°C 下干燥以去除湿气。吸附和解吸滞后表明纳米结构中存在一些孔。结果表明，天然纳米材料的 BET 表面积低于合成纳米材料，这通过纳米材料的孔径和体积得到了证明。天然纳米材料的孔径和体积远小于合成材料的孔径和体积。

因此，纳米碳的表面积高于纳米纤维素，这是由于形成的碳纳米材料不仅具有小尺寸而且具有网络结构。此外，CNF 和 CNT 之间形态和直径的差异导致了不同的表面活性。最后发现，在这些纳米粒子中，NFC的表面积最小，而CNT的表面积最大。因此，所得到的具有最高表面积的碳纳米管有可能成为吸收复合材料等许多应用的先驱纳米粒子。

XRD

图 2 中显示的 X 射线衍射 (XRD) 是一种用于确定晶体内原子排列的技术。在 2θ =15°、22.5° 和 35° 附近存在三个典型的纤维素纳米材料明确定义的结晶峰。可以看出，CNC 在 2θ =22.5° 处的峰值明显比 NFC 的峰值尖锐。这是因为CNC存在比NFC更高的晶畴。

纳米材料的XRD图

对于碳纳米结构，在大约 20-30° 范围的角度 (2θ) 处最强的衍射峰可以被索引为六方石墨结构的 C(002) 反射。在 25.5° 角 (2θ) 处峰的锐度表明 CNT 的石墨结构没有显着损坏，因为 CNF 中结晶度的任何降低都会使 XRD 峰更宽。石墨在2θ约43°处的其他特征衍射峰与石墨的C(100)衍射有关。

热阻

在 TGA 过程中，当材料吸收一定量的热量时，所有样品的单一降解步骤以及热降解开始发生。降解过程导致样品基质结构的破坏。图 3 中的 TGA 图说明了基于重量损失 (wt.%) 与温度 (°C) 的纳米材料降解。重量损失表现出 5wt.% 的温度定义为起始分解温度 (Tonset)，而降解速率达到最大值的温度定义为 Tmax。对于 CNC，在 180°C 和 300°C 左右有两个明显的降解过程，而 NFC 在 300°C 下仅显示了一个典型的纤维素热解过程。这表明硫酸水解制备的CNCs的热稳定性低于机械技术制备的NFC。较低温度的过程可能对应于高度可及的、因此硫酸化程度更高的无定形区域的降解，而较高温度的过程与未硫酸化晶体的分解有关。作为脱水反应的结果，酸性硫酸盐基团的存在降低了纤维素的热稳定性[30]。此外，高表面积的CNC具有更高的传热率，导致热稳定性降低。

CNC、NFC、CNF和CNT的TGA曲线

另一方面，很明显，CNF 的分解温度从 480°C 开始并在 615°C 完成，而对于 CNT，样品的分解温度升高到 600°C 左右并在 690°C 完成.由于CNT和CNF的组成相似，因此，由于其尺寸、结构和形态，CNT比CNF具有更高的热稳定性。尽管与 CNF 相比，CNT 具有更大的表面积，但具有更强结构的 CNT 具有更高的热稳定性。简而言之，TGA 结果表明合成纳米材料（CNF 和 CNT）的热降解远低于天然纳米结构（CNC 和 CNF）。因此，合成纳米材料，特别是具有高热稳定性的碳纳米管具有应用于热器件的能力。

电化学结果

SPE、天然和合成纳米材料的循环伏安图 (CV) 如图 4 所示。纳米材料的伏安图显示带有氧化还原峰的矩形峰表明电化学双层电容器 (EDLC) 方式和赝电容影响的贡献。

CNC、CNF、CNT 和 NFC 在 PBS 缓冲溶液（pH 7.0）中的循环伏安图。扫描速率：0.1 Vs ⁻¹

与天然纳米材料相比，合成纳米材料的循环面积增加与 CNF 和 CNT 电极的存储电容增加有关，可能是由于这一事实，合成纳米材料的孔隙率和表面积更大比天然纳米材料。合成纳米材料中的氧化还原峰表明，CNF 和 CNT 可以加速电化学反应并为电荷转移提供一种出色的方式。此外，合成纳米材料通过创造更高的表面积和降低电流流动阻力来提高电极的输出。在约− 0.5 至 0.5 V 处出现平台可归因于在 CNC 和 NFC 电极表面形成固体电解质界面 (SEI) 膜。

细胞毒性分析

MTT法用于测试纳米材料的细胞活力。与含有不含纳米颗粒的细胞培养基的对照孔相关的相对细胞活力（%）通过下式计算：

根据图 5 所示的结果，与合成纳米材料化合物相比，天然纳米材料化合物对 4T1 乳腺癌细胞系的毒性较小。 NFC 和 CNC 化合物在 100 μg/ml 的浓度下抑制/杀死约 1.1% 和 7% 的细胞，而在类似浓度下，碳纳米纤维和纳米管以更高的百分比杀死细胞（分别为 34% 和 28%） .在 12.5 μg/ml 的浓度下，NFC 对细胞没有任何毒性，因为细胞 100% 存活，而 CNC 化合物则不然，因为它杀死了 7% 的活细胞。此外，CNC 在 3.125 μg/ml 时没有毒性作用，而在该浓度下，CNF 和 CNT 分别杀死了 4.3% 和 1.7%。因此，与合成纳米结构相比，天然纳米材料是生物医学应用的更好选择。

a的细胞毒性分析 数控，b NFC，c CNF 和 d 碳纳米管

结论

在这项研究中，使用酸水解和机械技术生产天然纳米材料（CNC 和 NFC），以及通过 CVD 方法合成纳米结构（CNF 和 CNT）。 SEM、TEM 和 XRD 方法不仅证实了 CNC 的结晶性质和 CNT 的高石墨化结构，而且还确定了相对于 NFC 和 CNF 的较小直径。此外，EDX证明了纳米材料的高纯度。此外，BET表面积分析仪发现合成纳米材料比天然纳米材料具有更大的表面积。

对所制备的纳米材料的电化学性质、耐热性和对活细胞的细胞毒性作用等性质进行了综合研究和比较。因此，研究了纳米材料形态对其性能的影响。从所得结果来看，合成纳米粒子与天然纳米材料相比具有更高的耐热性和存储容量，而对活细胞的细胞毒性作用较低的天然纳米材料在生物医学应用中具有更大的应用潜力。

方法

应详细描述材料和方法，以允许其他人复制和建立已发表的结果。请注意，发表您的手稿意味着您必须向读者提供与该出版物相关的所有材料、数据、计算机代码和协议。请在提交阶段披露对材料或信息可用性的任何限制。应详细描述新方法和协议，而应简要描述并适当引用已建立的方法。

天然纳米纤维的制备

通过改编自 Kargarzadeh 等人的方法从红麻韧皮纤维中分离纤维素。 (2012) [30]。在这里，CNC 和 NFC 分别通过酸水解和机械方法由纤维素红麻韧皮纤维生产。 CNC 是通过 Kargarzadeh 及其合著者在 2012 年报道的方法分离出来的，使用酸水解在 65% 的 H2SO4 水溶液中在 50°C 下机械搅拌 40 分钟 [30]。然后，将悬浮液冷却并用蒸馏水 (10°C) 稀释，然后以 10,000 rpm 离心 10 分钟，共 3 次。之后，用蒸馏水透析直至达到固定的pH值。为了分散纳米晶体，进行了超声波处理。加入几滴氯仿以防止细菌生长后，随后将所得悬浮液储存在冰箱中。

为了制造 NFC，将编码为 RF 的水浸红麻韧皮纤维切成短片，然后在 JSR-212 旋转蒸煮器中以 25% NaOH 和 0.1% 蒽醌溶液（液体与纤维的比例为 7:1）在 160 度下蒸煮°C 2 小时。将蒽醌加入蒸煮液中以提高脱木素率，同时保护纤维免受碱降解和纤维素链端部降解。

合成纳米纤维的制备

在这部分中，将六水硝酸镍粉末 (Ni(NO3)2.6H2O) 作为 Ni 催化剂的前驱体放入位于 CVD 反应器的石英舟中，然后在 160°C 下干燥以去除湿气 50 分钟，然后增加将温度升至 400°C 以去除硝酸盐化合物 1 小时。在该步骤中，产生作为催化剂的所得Ni颗粒。为了合成合成纳米纤维，必须改变 CVD 反应温度 [10, 31]。温度固定在 650°C 和 800°C，以分别制造高质量的 CNF 和 CNT。该过程通过乙炔在 50 sccm 流速下在 Ni 颗粒上以 100/100 sccm H2/N2 流速分解 30 分钟来进行。为了从制备的碳纳米材料中省去催化剂，使用 FeCl3 (1 M)/HCl (1 M) 的混合物并将碳纳米材料倒入其中，然后过滤。然后用蒸馏水洗涤数次，最后干燥。

合成纳米材料的表征

显微镜

分别采用扫描电子显微镜(SEM)、能量色散X射线光谱仪(EDX)和透射电子显微镜(TEM)对纳米材料的形貌、结构和组成进行了分析。

X 射线衍射分析 (XRD)

X 射线衍射 (XRD) 分析是一种无损表征技术，可揭示有关层间距、结构应变和产品杂质的一些必要信息。对于纳米纤维素，XRD 分析表明具有不同强度指数 (CrI) 的 C (002) 峰。在大约 2θ =18.0° 的衍射角处，无定形部分被测量为最低强度。另一方面，碳纳米结构表现出由几个宽带组成的XRD图谱，分别位于（002；2θ =25）和（100；2θ =45）六方石墨结构的反射和石墨的衍射附近。

BET 表面积分析

根据ISO 9277标准，使用吸附仪（BELSORP-mini II分析仪）采用Brunauer, Emmett, and Teller (BET)法计算纳米材料的比表面积。

电化学分析

采用PGSTAT204系统完成电化学分析。此外，循环伏安法用于评估在丝网印刷电极 (SPE) 上的纳米材料修饰电极在 100 mVs ^-1 缓冲溶液中的电化学行为 扫描率。最初，将均匀悬浮液（2 毫升去离子水/1 毫克纳米材料粉末）超声处理 6 分钟。然后，将 10 μl 悬浮液滴注到 SPE 上制成修饰电极。样品的电流-电压 (CV) 图在室温条件下在 - 1.5 至 1.5 V 电位下进行评估。

细胞毒性分析

为了分析不同纳米材料的细胞毒性潜力和细胞活力，使用了 3-[4,5-二甲基噻唑-2-基]-2,5 二苯基溴化四唑 (MTT) 染料还原。纳米材料的细胞毒性作用可以通过使用这种基于产生的 IC50 的测定来测量。将 100 μL 0.8 × 105 个细胞/孔浓度的 4T1 细胞倒入 96 孔板中，并在 RPMI 培养基中保持 24 小时。第二天，将天然和合成纳米材料加入孔中，然后孵育 72 小时。将 MTT 溶液 (5 mg/ml) (Calbiochem) 以 20 μL 的体积单独添加到每个孔中并孵育 3 小时。随后，从孔中取出溶液并加入 100 μL DMSO 以溶解甲臜晶体。最后，使用 ELISA 酶标仪在 570 nm 波长（Bio-Tek Instruments，美国）读取板。

热重分析 (TGA)

为了分析热阻，使用了热重分析（TGA）。 TGA 由 Mettle Stare SW 9.10 热重分析仪完成。最初，将 0.5 毫克纳米材料置于位于 TGA 系统中的坩埚中，并加热至约 200°C 5 分钟以消除湿气。之后，在 N2 流存在下，将加热程序分别增加到 600°C 和 900°C，速率为 10°C/min，用于天然纳米纤维和合成纳米纤维。

缩写

赌注：

布鲁诺尔、埃米特和特勒

数控：

纤维素纳米晶

CNF：

碳纳米纤维

CNT：

碳纳米管

简历：

循环伏安图

CVD：

化学气相沉积

EDLC：

电化学双电层电容器

EDX：

电子色散X射线

NFC：

纳米纤维纤维素

SEI：

固体电解质界面

SEM：

扫描电镜

TEM：

透射电子显微镜

TGA：

热重分析

XRD：

X射线衍射