大规模制备生物基气凝胶复合材料取得进展
研究背景
金属有机框架 (MOFs) 是一种由无机金属离子和有机配体通过自组装连接而成的晶体材料，具有超高的比表面积和孔隙率、结构可调的孔结构以及良好的热稳定性等优点，在储存、分离、吸附、催化等诸多领域具有广泛的应用。然而，大多数MOFs以粉末形式制备出来，难于加工成型，这限制了其工业化应用前景。
将MOF掺入稳定且富有弹性的3D生物基气凝胶是一种有效的解决方案，可以保留MOFs独特的物理化学性质，并在膜分离、气体存储、催化、传感和药物缓释等领域表现出广阔的应用前景。其中，纤维素纳米纤维（CNF）气凝胶因其具有高孔隙率、湿回弹性等特征，可以通过水溶液中无机和有机组分的配位驱动自组装来原位构建三维结构的CNF/MOFs晶体复合材料。然而，传统的气凝胶制备方法，如冷冻干燥或超临界干燥等，耗时较长，效率较低，这极大限制了三维CNF/MOFs的大规模应用。因此，探索新的绿色、高效的制备路径以大规模制备生物基气凝胶复合材料具有十分重要的科学意义。
此外，通过模拟自然的生物矿化过程，可以在MOF晶体形成过程中原位掺入和固定不同的生物大分子，如蛋白质，以保护恶劣环境中生物分子的功能性。
成果介绍
鉴于此，瑞典皇家理工学院Lars Wågberg、Goksu Cinar Ciftci和Jowan Rostami等人，报告了一种新颖的、简单、可大规模制备、高效且可持续的策略来制备高度多孔（约99%孔隙率）、湿稳定性的3D CNF/MOFs复合气凝胶。
研究成果以“Hierarchical build-up of bio-based nanofibrous materials with tunable metal–organic framework biofunctionality”为题，发表在材料领域著名期刊《Materials Today》上。
研究亮点
亮点一
该策略结合碳酸钙的结合和溶解特性，采用简便的冰模板、溶剂交换和空气干燥等程序来替代现有的低效干燥程序。
所制备的CNF气凝胶表现出较高的比压缩模量（26.8±6.1 kPa m3 kg-1），湿回弹性（80-90%），有利的比表面积（90 m2 g-1）以及可调的低密度（2-20 kg m-3）。
图1. CNF气凝胶的制备和结构表征
亮点二
同时，CNF基气凝胶的独特优势为MOF的原位生长提供了理想的基底，可以通过简单的水系仿生共组装方法，将蛋白质功能化的MOF固定在气凝胶基质上以制造坚固和低密度的生物功能性材料。
所得的CNF/MOFs混合气凝胶的表面积（810 m2 g-1）增加了九倍，同时保留了湿稳定性和附加的蛋白质生物功能。
图2. CNF/MOFs复合气凝胶的制备和表征
亮点三
为了证明这些生物功能性MOF混合气凝胶在生物医学应用中的潜在用途，作为概念验证，研究人员演示了CNF/MOFs杂化材料在药物释放系统种的应用：伴随着表面生长的MOF的分解，混合气凝胶实现了固定蛋白质的pH控制释放。
此外，将蛋白质固定在气凝胶上可以开发基于比色酶联检测策略的概念验证3D生物测定平台。
图3. 具有可调生物功能的仿生CNF/MOFs复合气凝胶
