通过生物合成方法工程化脱水细菌纤维素，以用于中子应用

氘代细菌纳米纤维素（dBNC）结合了纤维素的生物相容性和多功能性与氘的独特性质，从而有助于功能性材料的发展及其在中子科学中的潜在未来应用。我们采用了一种可扩展的从薄膜到薄膜的生物合成方法，该方法降低了成本和时间，同时实现了对细菌纳米纤维素（BNC）生物合成过程中氘的受控掺入，该方法适用于D2O和氘代甘油。光谱分析（FTIR、拉曼、NIR、SR-µFTIR）确认了膜中O–D和C–D键的存在和均匀分布。同时，其物理性质，如结晶度和表面电荷，与天然BNC相当。中子辐照实验表明，dBNC薄膜能够与快中子相互作用，产生反冲氘核，这支持了其作为中性子科学中有前景的生物友好材料的潜力。本研究为将来在基于中子的技术中使用dBNC作为有前途的材料铺平了道路，并证实了所优化方法用于其生产和表征的适用性。

引言

追求生物相容性材料在各个学科中越来越受到重视，纤维素因其天然丰富性和性质（包括生物相容性、可生物降解性以及通过其众多羟基易于功能化）而成为特别突出的材料。这种生物聚合物在生物医学、电子学、材料科学和食品科学等领域得到了广泛的研究。此外，其氘代变体也在研究中，进一步拓展了这种材料的应用范围。最初，氘代纤维素被用于基础研究，以阐明纤维素结构及其与其他分子的相互作用。基于这一策略，氘代纤维素被用来研究其与生物分子和溶剂的相互作用，从而提高了其作为药物递送系统的使用价值。最近，由于其在中红外区域的吸收特性不同，它被提出作为防伪材料。氘代纤维素可以通过不同的化学反应获得，主要限制是只有可获得的氢原子（即羟基中的氢）会被氘替换。因此，更多的研究集中在通过使用富含氘的营养物质培养植物或微生物来直接生产氘代纤维素，从而将氘以-CD和-OD化学键的形式纳入纤维素结构中。细菌比植物更能抵抗氘的毒性，并且生长速度更快，这加快了氘代纤维素的生产。据报道，氘代细菌纤维素（dBNC）的生产主要是使用Komagataeibacter xylinus和Gluconacetobacter hansenii菌株实现的。一些研究选择完全用氘代替代品替换所有营养物质。尽管这种方法增加了最终薄膜中的氘浓度，但也显著增加了生产和时间成本。作为替代方案，其他研究用D2O替代了H2O，并使用了氘代碳源，如氘代葡萄糖或甘油。在所有情况下，细菌都是通过逐渐增加氘化合物的浓度来适应氘代培养基的。然后在每个阶段培养的细菌被用来接种含有更高氘浓度的下一个培养基，通常是通过1:5的稀释和50毫升的体积。氘原子形成的键具有与氢键不同的振动频率、稳定性和反应性。因此，dBNC被用来理解聚合物结构、生物合成，并可视化生物大分子的吸收。

此外，氘代聚合物在清洁能源 active-layer 材料、未来电子学和中子科学等领域的潜力正在显现。其中，中子调节剂是用于中子成像或治疗的材料，它们与中子相互作用，减慢快中子（>1 MeV）并促进反冲，同时理想情况下避免捕获。减速的中子被用于各种基于中子的技术，包括中子成像、小角中子散射（SANS）和中子衍射测量。中子调节剂材料包含具有高散射截面的小原子。因此，H2O被广泛用作调节剂材料，因为氢的原子尺寸最小。其他调节剂包括重水（D2O）、钠和石墨。这些材料根据应用的不同具有局限性，例如由于材料自吸收而导致的高降低信号和有限的可调性。其中一个优化策略是用氘替代氢原子，氘的热中子捕获截面较低（5.5 × 10^-4 b 对比氢的0.33 b），这导致自吸收降低了600倍。因此，可以生产出具有不同氘含量和最终形状的氘代细菌纤维素。在这项研究中，我们采用了一种旨在最小化生产细菌纳米纤维素（BNC）所需成本和时间的方案，称为“从薄膜到薄膜”。我们评估了这种方法是否可以用来生产不同氘含量的氘代细菌纳米纤维素（dBNC）。随后，对dBNC薄膜进行了全面表征，包括最终和中间膜，特别关注了FT-IR、NIR和拉曼光谱等技术，以快速且非破坏性地确认氘的存在。最后，我们评估了dBNC薄膜与中子的相互作用。因此，本文旨在展示和讨论氘代纤维素的实验观察结果，重点关注H/D效应和分布，并鼓励氘代聚合物的进一步实际应用。

在适应过程中氘的掺入BNC薄膜

由细菌产生的纤维素，称为细菌纳米纤维素（BNC），可以通过不同的细菌菌株和碳源获得（图1A）。BNC的生产受到生物合成过程的阻碍，这个过程可能需要时间并且会产生试剂成本，尤其是对于氘代纤维素。通常更倾向于使用氘代甘油（d-gly），因为它的代谢对培养基的酸化作用较小，增加了纤维素的产量，并且比氘代葡萄糖更便宜。为了避免在生产氘代细菌纳米纤维素时氘对细菌的毒性作用，K. xylinus菌株通过在一些低氘浓度的培养基中培养细菌，然后逐渐将其适应到更高氘浓度的培养基中来逐渐适应氘。为了减少生产和成本，我们使用了“从薄膜到薄膜”的技术来生产BNC。该技术涉及将新鲜收获的富含细菌的BNC薄膜放置到新鲜培养基中，允许在空气-培养基界面形成新的膜（图1B）。生产时间取决于细菌浓度、培养基体积和细菌的适应情况。从薄膜到薄膜的技术有两个主要优势：界面形成的膜中已经存在适应的细菌，以及所需的培养基体积较小，从而加快了生产时间。在我们的实验中，我们将细菌适应到2毫升的培养基中，从培养表面收获新的膜需要7-10天。图1

合成氘代细菌纳米纤维素（dBNC）。(A) 可以使用不同的碳源来生产dBNC。(B) 通过从薄膜到薄膜的协议进行氘代过程。使用该协议，H2O逐渐被氧化氘（D2O）替换，每次增加25%，直到培养基达到100% D2O。在这种培养基中形成的薄膜显示出ν(O–D)在2480 cm−1，而在天然BNC薄膜中不存在（图2A-i, ii）。在dBNC中也观察到了ν(O–H)在3340 cm−1，表明OD键没有完全取代羟基。为了比较不同生长条件下的氘掺入趋势，我们计算了OD（2480 cm−1）和OH（3340 cm−1）峰的最大吸收比值，作为相对氘掺入水平的半定量指标。在适应过程中，我们观察到随着D2O的增加，比值（OD/OH）从0.11 ± 0.05（25% D2O生长培养基）增加到0.48 ± 0.08（使用100% D2O培养基培养时）（表1）。图2

dBNC薄膜的化学组成和结晶度。(A) 不同阶段薄膜的FT-IR表征。(i) 天然BNC薄膜。(ii) 适应D2O后生产的薄膜：25%、50%、75%和100% D2O。(iii) 适应d-gly后生产的薄膜：100%D2O + 50% d-gly和100% D2O + 100% d-gly。(B) 来自天然和氘代BNC薄膜的GADDS图像（2D衍射图案）及其2θ versus 强度的1D衍射图案图。每个样品的X射线数据得出的结晶度指数（CRX）显示在图中。(C) 天然和氘代BNC的NIR光谱。每个样品的NIR测量得到的结晶度指数（CRNIR）显示在图中。表1

不同适应阶段BNC薄膜中天然和氘键的比率。数值代表平均值 ± 标准差

一旦细菌适应在D2O中生长，我们分两步将氘代甘油（d-gly）引入培养基中，每次增加50%的浓度。在两个步骤中，我们都观察到了2480 cm−1处的O–D键和2110 cm−1处的碳-氘（C–D）键（图2A-iii），这证实了氘在薄膜中的掺入。在含有50% d-gly的培养基中生长的dBNC薄膜中，CD/CH比为1.27 ± 0.80，表明几乎每个C–H键都有一个相应的C–D键。当d-gly是培养基中的主要碳源（100% d-gly + 100% D2O）时，CD/CH比增加到2.32 ± 0.70，显示出C–D键比C–H键增加。在氘代薄膜中存在C–H和O–H键是预期之中的，因为培养基中仍有含氢的化合物（例如，胨、柠檬酸、酵母提取物）。当所有试剂都被氘代时，C–H和O–H键可以被完全替代为它们的氘代对应物，但生产成本也会相应增加。

dBNC薄膜的物理性质

氘的掺入BNC薄膜可能会改变纤维素的结晶度。纤维素是一种多晶结构，具有结晶区域和非晶区域，这一点在天然和氘代BNC的通用区域探测器衍射系统（GADDS）图像中得到了体现（图2B）。天然和氘代BNC的X射线衍射图案（图2B）显示了纤维素的特征峰，分别在2θ = 14.5°、16.5°和22.7°，对应于平面（10）、（110）和（200）。根据文献，我们使用Segal峰高方法计算了结晶度指数（CRX），发现BNC和dBNC的CRX值分别为86%和81%（图2B）。使用近红外（NIR）光谱，我们也检测到了BNC和dBNC光谱之间的差异，特别是在5500–7000 cm−1区域，那里有纤维素的O–H第一泛音。我们根据Inagaki等人的方法计算了BNC和dBNC的结晶度指数（CRNIR），通过测量6950 cm−1处非晶区域的峰面积和6450 cm−1及6287 cm−1处晶区域的峰面积。BNC和dBNC的CRNIR值分别为0.41和0.44（图2C）。尽管CRX和CRNIR来源于不同的测量原理，因此不能直接比较，但它们之间显示出一致的相关性。两种方法都表明，BNC和dBNC之间的差异在技术的误差范围内。与先前的研究一致，这些结果表明，在所采用方法的分辨率范围内，BNC和dBNC表现出可比较的结晶度水平。通过混合薄膜获得了纤维，并通过测量Z电位对其表面电荷进行了表征。天然和氘代BNC纤维表现出相当的稳定性，Z电位分别为-17 ± 0.7 mV和-18 ± 0.4 mV。因此，氘的掺入没有影响这些纤维的表面电荷或胶体稳定性。

O–D和C–D化学键的分布

拉曼微光谱和基于同步辐射的傅里叶变换红外微光谱（SR-µFTIR）这两种互补技术被用来评估样品内部C–D和O–D化学键的生物分布。我们使用拉曼光谱获得了25 × 25点的图像，每个点对应一个光谱。平均光谱显示在图3A中。纤维素的拉曼光谱通常根据每个区域的化学特征分为三个区域。氢键（–OH）的振动频率高于3000 cm⁻¹；而碳键的振动频率位于1000–1600 cm⁻¹之间，除了–CH键的振动频率为2900 cm⁻¹。41,42 第三个频率区域位于1600–2900 cm⁻¹之间，由于质子化纤维素中缺乏吸收峰，这个区域被称为“寂静区域”。在这个区域中，由于氘代过程的出现，出现了两个峰值：O–D键的峰值在2500 cm⁻¹，C–D键的峰值在2000–2400 cm⁻¹之间。16,43

图3

dBNC的拉曼分析。(A) 天然BNC（红色）、在含有100% D2O的介质中制备的氘代BNC（蓝色）以及在含有100% D2O和100% d-甘油（紫色）的介质中制备的氘代BNC的拉曼光谱。与氘代相关的峰，即C–D键在2148 cm⁻¹和O–D键在2473 cm⁻¹，用橙色和紫色方块标出。(B) C–D键（左侧）和O–D键（右侧）检测到的像素数量。颜色图例保持不变。(C) 天然BNC、含有100% D2O的dBNC以及含有100% D2O和100% d-甘油的dBNC的拉曼光谱图。所有图像保持相同的背景和处理方式。光学图像的刻度条为50 μm，拉曼图像的刻度条为20 μm。颜色刻度范围从黑色（低）到黄色（高）。由于观察到的强度较高，100% D2O和100% d-甘油的dBNC的强度刻度与其他样品不同。在我们的案例中，dBNC薄膜在大约2100 cm⁻¹处显示一个峰值，我们将其归因于C–D键，43在大约2470 cm⁻¹处显示另一个峰值，归因于O–D键。16 与傅里叶变换红外光谱不同，拉曼光谱能够检测到仅用100% D2O介质制备的dBNC中C–D键的微弱信号。为了分析样品中氘代峰的分布，我们进行了统计分析，以量化每个峰值的每个吸收强度对应的像素数量，得到了O–D键和C–D键的强度直方图（图3B）；并且我们在25 × 25像素的薄膜图像中绘制了C–D键和O–D键的分布（图3C），观察到化学键的均匀分布。未氘代薄膜的像素分布接近零，这是预期之中的。C–D键和O–D键的引入使直方图向右移动，表明在每个氘代峰值处有更多的高吸收强度像素（图3B）。在含有100% D2O的介质中制备的薄膜中，2473 cm⁻¹处（O–D键）的像素平均强度增加到了60 cts；而在含有100% D2O和100% d-甘油的介质中制备的薄膜中，平均强度增加到了150 cts。引入氘代碳源增加了O–D键的结合，这可能是由于氘环境的丰富所致。令人欣慰的是，当在含有100% d-甘油的介质中制备薄膜时，C–D键的平均强度几乎增加了一个数量级，这强调了使用氘代碳源的重要性。我们通过使用SR-µFTIR分析评估了氘代纤维中氘代化学键的空间分布，补充了之前对氘代薄膜的空间表征。C–D键和O–D键的峰值分别出现在2110 cm⁻¹和2480 cm⁻１（图4A）。11 C–D键的强度较低，无法获取图像地图。另一方面，O–D键的强度峰值使得可以沿dBNC纤维定位O–D键，并补充了之前的拉曼映射。在样品制备过程中，将一滴dBNC纤维放置在CaF2窗口上，并在真空中过夜干燥。在这个步骤中，纤维可能会沉积在其他纤维上，增加了分析的材料量。因此，这种技术无法实现单纤维的分辨率，且样品量较大（图4B），与图中红色-橙色区域所示的O–D键强度的增加相关。图4

SR-µFTIR对dBNC的表征。(A) dBNCf的平均光谱。主要峰值被突出显示。(B) dBNCf的光学显微镜图像。(C) 同一区域的dBNCf的O–D拉伸峰（2500–2460 cm⁻¹）的积分强度。氘代纤维素的中子辐射指纹

天然纤维素膜和dBNC膜在西班牙国家加速器中心（CNA）接受了能量高达8 MeV的中子辐照，时间为45分钟，并对其与中子的相互作用进行了比较。50 µm厚的薄膜放置在3 × 3 mm的碳化硅（SiC）检测器上，该检测器具有50 µm的外延层，如图5A所示。44 在图5A中，根据能量绘制了检测到的事件数量，对于BNC和dBNC，与裸检测器相比，检测到的计数数量有所增加。在没有膜的情况下，检测到的信号来源于SiC活性体积内的中子相互作用，主要是通过与硅和碳核的弹性散射。这些相互作用会产生反冲的Si和C离子；然而，由于它们的质量相对较大，每次碰撞传递的能量有限，导致检测到的信号较低。当在检测器上放置膜时，通过中子与氢或氘核的弹性散射引入了额外的相互作用通道。图5

中子辐射表征。(A) 在dBNC（红色）、天然纤维素（黑色）和裸检测器（绿色）的中子测量中获得的实验光谱以及PHIT模拟结果。标记代表实验数据；虚线表示PHITS模拟。插图：覆盖有50 µm厚dBNC膜的SiC检测器图像。(B) dBNC膜中由中子弹性散射引起的检测信号模拟贡献：来自检测器的反冲Si（蓝色）和C离子（绿色），以及来自dBNC膜的反冲质子（黄色）和氘核（棕色）。BNC和dBNC之间的差异在于1.85–2.15 MeV范围内观察到的一个肩峰，这归因于氘的贡献，表明其电离产率高于氢。这些数据证实了dBNC膜中存在氘及其与中子的相互作用。考虑到两种薄膜的性质和中子场，实验装置是使用基于蒙特卡罗方法的粒子与重离子传输代码系统（PHITS）进行模拟的。45 模拟中观察到的整体行为与实验趋势一致（图5A），证实了在2 MeV以上，dBNC膜与中子相互作用，每个入射中子产生的计数数量比BNC膜更多，表明反冲氘核的贡献大于反冲质子。这与从氘代膜的光谱中观察到的扩展的高能尾部一致。图5B显示了每种粒子对dBNC膜总模拟光谱的贡献。质子和氘核的重量远小于硅和碳离子，这意味着每次碰撞可以更有效地传递能量。正如预期中的两体弹性散射动力学，更多的入射中子能量可以传递给这些轻核。这个过程产生了具有相对较高动能的反冲质子和氘核，这些反冲粒子在检测器的活性体积内沉积了更多的能量。在这种配置下，中子传递给氘核和质子的最大能量分别约为7.1 MeV和8 MeV（图S1）。它们在SiC中的对应范围分别约为300 µm和150 µm。这意味着这两种粒子可以穿过检测器的整个活性区域。然而，氘核的线性能量传递（LET）高于质子（图S1），从而导致图5B中观察到的最大能量沉积更大。结论

纤维素的氘代 oferece um potencial significativo para melhorar as propriedades dos materiais e expandir as aplicações funcionais. No entanto, os métodos tradicionais de biossíntese precisam ser aprimorados para aumentar a eficiência e o uso de recursos. O protocolo 'filme a filme' introduzido aqui aborda efetivamente esses desafios, reduzindo o volume do meio de deuteração e acelerando o processo de deuteração. Este método não só simplifica a produção, mas também permite o monitoramento detalhado da adaptação bacteriana durante as fases intermediárias, um aspecto que foi pouco explorado em estudos anteriores. Análises espectroscópicas abrangentes confirmaram a incorporação bem-sucedida de ligações O–D e C–D, indicando uma distribuição uniforme de deutério dentro da matriz de celulose. A retenção parcial de ligações O–H e C–H reflete uma substituição incompleta no meio de cultivo, potencialmente oferecendo um equilíbrio ajustável entre componentes deutados e não deutados. A incorporação de deutério não causou alterações detectáveis na cristalinidade da celulose dentro da resolução das técnicas utilizadas. A preservação da cristalinidade sugere que as características estruturais fundamentais da celulose nativa foram mantidas. A manipulação dos filmes deutados foi qualitativamente semelhante à dos correspondentes não deutados, indicando que os filmes parecem ter propriedades mecânicas similares. Os experimentos com neutrões confirmaram a presença de deutério nas membranas e o comportamento diferente em resposta a neutrões rápidos. A interação entre deutério e neutrões rápidos abre caminhos para seu uso em técnicas analíticas baseadas em neutrões, como a imageamento por neutrões, e sugere o potencial desses filmes para aplicações com baixa absorção como materiais interagentes com neutrões. Esta capacidade não só destaca a inovação funcional proporcionada pelo método de biossíntese otimizado, mas também fornece uma base para avaliar a escalabilidade, encorajando uma exploração mais aprofundada das aplicações práticas de polímeros deutados, com implicações mais amplas para a ciência dos materiais e a tecnologia de neutrões. Experienciais

Materiais e cepas

Komagataebacter xylinus NCIMB 5346 (K. xylinus) foi adquirido do Coleção de Culturas Tipicas Espanhola (CECT, Espanha). Meio de cultivo padrão Hestrin-Schramn (HS): 20 g l⁻¹ de dextrose, 5 g l⁻¹ de peptona, 5 g l⁻¹ de extrato de levedura (Conda Lab.), 6,8 g l⁻¹ de fosfato de sódio dodecahidrato e 1,15 g l⁻¹ de ácido cítrico monohidrato (Merck), e água MilliQ. Para o processo de limpeza, foram utilizados álcool etílico (Panreac) e 0,1 M NaOH (Merck). Compostos deuterados: D2O e d-glicerol UD8-99% (Eurisotop). Síntese de filmes de BNC deutados

Seguimos o protocolo 'filme a filme'.33 Este consiste em colocar filmes de BNC recém-colhidos no fundo do recipiente com meio HS. Usamos placas de 24 poços contendo 2 mL de meio HS padrão ou meio HS complementado com compostos deuterados. Inicialmente, adaptamos K. xylinus ao D2O aumentando a concentração de água pesada em 25% a cada passo. Filmes de BNC ricos em K. xylinus foram colocados no fundo de uma placa de 24 poços contendo 2 mL de meio HS com 25% D2O. Após 7–10 dias, formou-se outro filme na interface ar-líquido. Seguindo o mesmo procedimento, o filme recém-formado foi usado para adaptar as bactérias ao meio HS com 50% D2O. Este passo foi repetido até que a adaptação ao meio HS com 100% D2O foi alcançada. Uma vez que as bactérias se adaptaram à água pesada, adaptamos-as à fonte de carbono deutado, d-glicerol (d-gly). O processo foi feito em dois estágios: 50% d-gly e 100% d-gly. O meio para cada passo foi esterilizado usando um filtro de 0,22 µm (MillexTM MP Sterile) e dois ciclos de esterilização por ultravioleta de 15 minutos. Os filmes de celulose bacteriana assumiram a forma dos poços em uma placa de 24 poços, com uma área final de aproximadamente 1,93 cm². O resíduo bacteriano dos filmes foi removido usando um protocolo previamente estabelecido33,46 para caracterizar ainda mais as membranas. Os filmes de BNC foram fundidos em uma proporção de 1:1 de álcool etílico:água MilliQ por 10 minutos, seguido de 10 minutos em água MilliQ. Em seguida, os filmes foram submetidos a duas rodadas de fervura por 20 minutos em água MilliQ e duas rodadas de fervura por 20 minutos em 0,1 M NaOH (Sigma). Finalmente, os filmes foram transferidos para banhos de água MilliQ para alcançar um pH neutro (pH 6,5). Os filmes foram colocados em D2O e autoclavados a 121 °C por 30 minutos. Os filmes foram pressionados entre superfícies de Teflon e secos a 60 °C durante a noite (17 horas). Os fibras de dBNC (dBNCf) foram obtidas misturando 1 mg de filmes de dBNC em 100 ml de água MilliQ por 30 minutos com um mixer comercial. As fibras foram filtradas da água MilliQ e redispertas em 5 ml de D2O, resultando em uma concentração final de 200 µg ml⁻¹. FT-IR

Os filmes de BNC e dBNC obtidos após cada etapa de adaptação foram secos a 60 °C e dobrados duas vezes para intensificar o sinal das ligações químicas. A análise foi realizada usando FTIR (JASCO FTIR 4700, Madrid, Espanha) no modo de transmissão, com uma resolução espectral de 4 cm⁻¹; 512 medições foram médias, e o intervalo de medição foi de 400–4000 cm⁻¹.光谱数据使用Spectra Manager™ Suite软件进行处理，以减少CO2和H2O的干扰，进行基线校正，并平滑数据。所示光谱是三次不同扫描的平均值。比率是通过将透射值转换为吸光度，然后除以每种化学键的平均吸光度计算得到的。近红外傅里叶变换红外光谱（NIR FTIR）是在配备了DLaTGS探测器和KBr分束器的Bruker Vertex 70光谱仪上记录的。光谱分辨率为4 cm-1，32次扫描的数据在3000–9996 cm-1的测量范围内进行了平均处理。基线校正和平滑处理使用的是Origin软件。为了估算每个样品的结晶度，我们遵循了Inagaki等人提出的公式（方程1）。使用近红外光谱计算的结晶度指数（CRNIR）如下：

其中Abef(CI)是OH带CI区域（6429–6469 cm-1）的积分强度；Abef(CII)是OH带CII区域（6267–6317 cm-1）的积分强度；Abef(Am)是Am区域（6949–7532 cm-1）的积分强度。X射线衍射

使用带有二维（2D）Vantec-500探测器（GADDS-General Detector Diffraction System）和KFL CU 2K（λ(CuKα) = 1.541840 Å）管的D8 Advance X射线衍射仪（Bruker，德国）对天然膜和脱水膜进行了X射线表征。衍射图案是在40 kV、40 mA的条件下获得的，扫描幅度为15.00（300–900 s），使用0.5 mm的准直器。结晶度指数（CRX）是根据Segal等人描述的方法使用方程（方程2）计算得出的：

I200代表2θ = 22.7°峰的最大强度，该峰对应于（200）面。Iamorphous代表（200）面和2θ = 14.5的（110）峰之间的最低强度，这是背景峰，与纤维素的非晶区域相关。17,38

拉曼光谱

干了的BNC和dBNC薄膜被切成四部分并组装起来，每两部分之间滴加了3 µl的MilliQ溶液。这些样品在60 °C下额外干燥了3小时后再进行评估。拉曼光谱使用Witec alpha300RA设备进行，该设备配备了785纳米的固态激光器以减少发光，使用了300 g mm-1的光栅和40倍物镜。化学图谱是通过25 × 25个光谱创建的，每个光谱的曝光时间为500毫秒，功率为25毫瓦。数据经过宇宙射线和背景的校正。图像是通过积分与氘相关的峰下的面积得到的，这些峰代表了2148 cm-1处的C–D键和2473 cm-1处的O–D键的强度。使用Witec Project Five软件对数据进行分析并进行统计处理。SR-µFTIR

将3 µL、浓度为68 µg/mL的dBNCf溶液滴在CaF2窗口上，并在室温下真空干燥16小时。样品在测量前一直保持在真空环境中，以防止水分吸收。使用连接到Vertex 80光谱仪（Bruker，Billerica，MA）的Hyperion 3000显微镜进行了同步辐射傅里叶变换红外微光谱（SR-µFTIR）研究，该光谱仪配备了36倍放大率的物镜。光谱是在ALBA同步加速器（Cerdanyola del Vallés，巴塞罗那，西班牙）的MIRAS光束线上采集的，使用MCT探测器，光谱分辨率为4 cm-1，孔径尺寸为5 × 5 µm。数据使用OPUS 7.5（Bruker）、Unscrambler X 10.5和MATLAB R2010b进行分析。颜色刻度从最低强度（蓝色）到最高强度（粉色）。Zeta电位

纤维的zeta电位使用Zetasizer ULTRA（Malvern Instruments，英国）在MilliQ水中稀释至浓度68 µg/mL后进行测量。进行了三次测量，并计算了平均Z电位。中子辐照

实验在塞维利亚的国家加速器中心（CNA）的HISPaNoS设施中进行。使用在巴塞罗那的国家微电子中心制造的碳化硅（SiC）探测器对膜进行了中子辐照。这种探测器在参考文献中有详细描述。44,48,49 进行了两次辐照，每次持续45分钟，使用了由4 MeV氘核束产生的连续快中子谱（能量高达8 MeV）。探测器在200 V的偏压下工作，有效厚度为20 µm。在第一次辐照过程中，探测器上覆盖了一层50 µm厚的dBNC膜，如图5A所示。在第二次辐照中，探测器被替换为具有相似特性的非脱水膜。探测器的响应使用基于蒙特卡洛方法的PHITS代码进行了模拟。45

作者贡献

Amanda Muñoz-Juan：撰写原始稿件、审稿与编辑、验证、方法研究、调查、形式分析、概念化。Daniela Díaz、Judith Marin-Ortega和Nerea Murugarren：方法研究、调查。Mariano Campoy-Quiles：拉曼实验和分析、审稿。Felipe Zamorano、Martín Pérez：中子实验和形式分析。Consuelo Guardiola：中子实验、形式分析以及资金获取。Anna Laromaine：撰写原始稿件、审稿与编辑、监督、资源获取、概念化、验证。利益冲突

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能会影响本文报道的工作。缩写

BNC：细菌纳米纤维素
dBNC：脱水纳米纤维素
d-gly：脱水甘油
FT-IR：傅里叶变换红外光谱
SR-µFTIR：基于同步辐射的傅里叶变换红外微光谱
HS：Hestrin-Schramn培养基
SiC：碳化硅
PHITS：粒子和重离子传输代码系统
LET：线性能量转移
SEM：扫描电子显微镜
标准误差均值：Standard error of the mean
CRX：从X射线数据计算出的结晶度指数
CRNIR：从近红外测量计算出的结晶度指数
CNA：国家加速器中心

数据可用性

支持本研究发现的所有数据都存储在digital.csic仓库中：https://digital.csic.es/handle/10261/431274，DOI：https://doi.org/10.20350/digitalCSIC/18345。致谢

SR-µFTIR实验在ALBA同步加速器的BL01-MIRAS光束线上进行，得到了ALBA工作人员（ID:2020094625）的合作。我们感谢Agustín Mihi（ICMAB-CSIC）提供了NIR光谱仪的使用权，监督了测量过程并指导了数据分析。这项研究得到了西班牙科学技术部通过RTI2018-096273-B-I00和PID2021-122645OB-100项目的支持，以及‘Severo Ochoa’卓越研究中心计划（CEX2019-000917）和加泰罗尼亚政府（2017SGR765拨款）的资助。A. M. J.感谢UAB生物技术博士项目提供的奖学金（FPU18/05190）。A. M. J.和A. L.参与了西班牙国家研究委员会（CSIC）的可持续塑料跨学科平台（SusPlast）、Aerogels COST ACTION（CA 18125）、EPNOE网络、CSIC的Conexión Nanomedicina del CSIC和Red Nanocare 2.0项目。M. P.感谢欧盟Horizon 2022研究与创新计划下的Marie Sklodowska-Curie项目（授权号101106191）提供的资助。C. G.感谢西班牙核安全委员会（CSN）的SUB-08计划和西班牙政府通过‘María de Maeztu卓越单元’认证（CEX2023-001397-M）的资助。最后，作者感谢ICMAB-CSIC的科学和技术服务：X射线衍射实验室（Anna Crespi）、光谱实验室和ICTS“NANBIOSIS”的软物质单元/第6单元；以及CNA提供的技术支持。参考文献

脚注

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当前职位：丹麦转化神经科学研究所 - DANDRITE，北欧EMBL分子医学合作伙伴关系。奥胡斯大学，分子生物学与遗传学系，奥胡斯，丹麦。

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当前职位：Severo Ochoa分子生物学中心，CSIC-UAM，Nicolás Cabrera 1，Cantoblanco，28049，马德里，西班牙。

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当前职位：阿根廷原子能委员会（CNEA），Av. Bustillo 9500，San Carlos de Bariloche，Río Negro，以及阿根廷Cuyo国立大学的Balseiro研究所。