纤维素是最丰富的天然多糖，由一丁基戊糖链连接而成，是石油合成聚合物最有前途的替代品之一。纤维素的溶解和再生过程可以将纤维素I转化为纤维素II，通过自下而上的方法可以构建高性能材料。纤维素I和纤维素II的区别在于其晶体结构中的氢键模式，其中纤维素I的大分子链是平行的，而纤维素II的大分子链是反平行的。纤维素可再生成膜、水凝胶、气凝胶、细丝/纤维、微球/珠、生物塑料等，在纺织、生物医学、储能、包装等领域具有潜在的应用前景。本文重点介绍具有优良机械性能的再生纤维素水凝胶材料，它们不仅表现出良好的性能，而且具有良好的生物降解性，作为环保材料替代部分不可降解材料具有很大的潜力。

Gong等设计了一种超强各向异性纤维素水凝胶(ACH)，通过在空气中干燥、限制长度、方向和在水中的回流，得到了具有仿生层次结构的完美排列的纤维状水凝胶。聚合物链、纳米和亚微观纤维结构由于具有足够高的沿长度方向的拉伸应力而自发排列，在水中回流后可以很好地保留这些定向结构。在封闭干燥过程中，通过物理缔合，在本体水凝胶中建立了足够高的拉伸应力来排列聚合物链，同时形成了从纳米到亚微米到微尺度的纤维结构。与最初的溶胀状态的水凝胶相比，低溶胀状态的纤维素凝胶的含水量从88%下降到58%。更重要的是，在100%预拉伸条件下，低溶胀状态的纤维素凝胶的断裂应力从25.80±1.33增加到53.55±0.53 MPa。本工作为设计高强度水凝胶开辟了一条新途径。

Wang等以有机碱为溶剂，直接用化学交联法制备了具有抗冻性能的离子导电纤维素水凝胶。所得水凝胶具有透明度、离子电导率和耐寒性。在27.8 ~ 62.1 ℃的温度范围内，纤维素水凝胶保持了90%以上的透明度和稳定的力学性能。此外，基于纤维素水凝胶的传感器在包括零下温度在内的较宽温度范围内，对拉伸应变、压缩压力和温度具有稳定的灵敏度，响应时间快，无明显的滞后现象。本研究提供了一种以纤维素为基础制备多功能防冻软导体的简单可行的途径，具有广泛的应用前景。

图1．纤维素水凝胶的构造以及在不同温度下的力学性能和导电性能。

Zhang等通过将棉衬浆溶解在碱/尿素水溶液中，得到了由纳米尺度排列的纳米纤维组成的各向异性纤维素水凝胶。在利用化学凝胶态表面预拉伸策略定向控制纤维素链结构的基础上，通过邻近纤维素纳米纤维之间强大的自聚集力形成紧密的物理网络来锁定高度有序的纳米结构，并结合长程排列结构，在平行和垂直方向上构造了完全不同的力学性能和光学双折射。各向异性纤维素水凝胶在平行方向上的拉伸强度和弹性模量显著提高。所得水凝胶能很好地促进心肌细胞的排列黏附和定向，在体外表现出潜在的生理功能。

     图2 各向异性水凝胶的形成以及心室肌细胞在具有微槽结构的各向异性纤维素水凝胶上的粘附和定向生长

Zhang等通过纤维素与低分子量和高分子量的交联剂(ECH和聚乙二醇二缩水甘油醚)相互作用构建了化学双交联纤维素水凝胶，获得了相对短链和长链的交联网络。所得双交联纤维素水凝胶(DCH)在拉伸和压缩试验中的破裂应力分别为1.7和9.4 MPa，是化学单交联纤维素水凝胶的26.3倍和83.9倍。他们提出了DCH的增强机理，网络中短链交联的断裂有效地耗散了机械能，相对长链交联的延展性保持了DCH的弹性。因此，DCH的强度和韧性都得到了提高，短链和长链交联构成的双网络对提高纤维素水凝胶的力学性能起到了重要作用。

[1] Zhang J M, Luo N, Zhang X, et al. All-cellulose Nanocomposites Reinforced with in-situ Retained Cellulose Nanocrystals during Selective Dissolution of Cellulose in an Ionic Liquid. ACS Sustainable Chemistry & Engineering. 2016, 4(8), 4417-4423.

[2] Mredha M T I, Guo Y Z, Nonoyama T, et al. A Facile Method to Fabricate Anisotropic Hydrogels with Perfectly Aligned Hierarchical Fibrous Structures. Advanced Materials, 2018, 30(9), 1704937-1704937

[3] Wang Y. Zhang L. Lu A. Transparent, Antifreezing, Ionic Conductive Cellulose Hydrogel with Stable Sensitivity at Subzero Temperature. Acs Applied Materials & Interfaces, 2019, 11(44), 41710-41716.

[4] Ye D D, Yang P C, Lei X J, et al. Robust Anisotropic Cellulose Hydrogels Fabricated via Strong Self-aggregation Forces for Cardiomyocytes Unidirectional Growth. Chemistry of Materials, 2018, 30(15), 5175-5183

[5] Ye D D, Chang C Y, Zhang L N. High-Strength and Tough Cellulose Hydrogels Chemically Dual Cross-Linked by Using Low- and High-Molecular-Weight Cross-Linkers. Biomacromolecules, 2019, 20(5), 1989-1995.