Nanochitin: Chemistry, Structure, Assembly, and Applications

Abstract

Chitin, a fascinating biopolymer found in living organisms, fulfills current demands of availability, sustainability, biocompatibility, biodegradability, functionality, and renewability. A feature of chitin is its ability to structure into hierarchical assemblies, spanning the nano- and macroscales, imparting toughness and resistance (chemical, biological, among others) to multicomponent materials as well as adding adaptability, tunability, and versatility. Retaining the inherent structural characteristics of chitin and its colloidal features in dispersed media has been central to its use, considering it as a building block for the construction of emerging materials. Top-down chitin designs have been reported and differentiate from the traditional molecular-level, bottom-up synthesis and assembly for material development. Such topics are the focus of this Review, which also covers the origins and biological characteristics of chitin and their influence on the morphological and physical-chemical properties. We discuss recent achievements in the isolation, deconstruction, and fractionation of chitin nanostructures of varying axial aspects (nanofibrils and nanorods) along with methods for their modification and assembly into functional materials. We highlight the role of nanochitin in its native architecture and as a component of materials subjected to multiscale interactions, leading to highly dynamic and functional structures. We introduce the most recent advances in the applications of nanochitin-derived materials and industrialization efforts, following green manufacturing principles. Finally, we offer a critical perspective about the adoption of nanochitin in the context of advanced, sustainable materials.

La quitina, un biopolímero fascinante que se encuentra en los organismos vivos, cumple con las demandas actuales de disponibilidad, sostenibilidad, biocompatibilidad, biodegradabilidad, funcionalidad y capacidad de renovación. Una característica de la quitina es su capacidad para estructurarse en ensamblajes jerárquicos, que abarcan las escalas nanométrica y macroeconómica, impartiendo dureza y resistencia (química, biológica, entre otras) a los materiales de múltiples componentes, además de agregar adaptabilidad, capacidad de ajuste y versatilidad. Retener las características estructurales inherentes de la quitina y sus características coloidales en medios dispersos ha sido fundamental para su uso, considerándolo como un componente básico para la construcción de materiales emergentes. Se han informado diseños de quitina de arriba hacia abajo y se diferencian de la síntesis y el ensamblaje tradicionales de abajo hacia arriba a nivel molecular para el desarrollo de materiales. Tales temas son el foco de esta Revisión, que también cubre los orígenes y las características biológicas de la quitina y su influencia en las propiedades morfológicas y físico-químicas. Discutimos los logros recientes en el aislamiento, la deconstrucción y el fraccionamiento de nanoestructuras de quitina de diferentes aspectos axiales (nanofibrillas y nanorods) junto con métodos para su modificación y ensamblaje en materiales funcionales. Destacamos el papel de la nanoquitina en su arquitectura nativa y como componente de materiales sujetos a interacciones multiescala, dando lugar a estructuras altamente dinámicas y funcionales. Presentamos los avances más recientes en las aplicaciones de los materiales derivados de la nanoquitina y los esfuerzos de industrialización, siguiendo los principios de fabricación ecológica. Finalmente, ofrecemos una perspectiva crítica sobre la adopción de nanoquitina en el contexto de materiales sostenibles avanzados.