木質素基生物質材料性能與應用的研究進展

因為天然化合物被認為更環(huán)保、更健康，所以天然木質素及其衍生物作為食品添加劑越來越受到消費者的青睞。此外，木質素具有抗菌和抗腫瘤活性的特性，因此可作為醫(yī)療和食品抑菌劑。You等人^[23]制備了稀酸堿處理木質素（DAKL），其中高含量的酚類、紫丁香基和愈創(chuàng)木脂增加了其抗氧化活性，對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌具有良好的抗菌性。Zhang等人^[24]制備了原位基質-合成銀-木質素納米粒子（Ag-L NPs），制備過程如圖1所示，木質素因其負載銀離子具有良好的抗菌能力，結果表明，抑菌圈直徑隨Ag-L NPs中木質素納米粒子含量而增加。

圖1  合成銀-木質素納米粒子/木質纖維素水凝膠催化劑的示意圖^[24]

Fig. 1  Schematic diagram of synthesis of silver-lignin nanoparticles/lignocellulose hydrogel catalyst^[24]

Medina等人^[25]將從油棕空果串連續(xù)酸堿預處理中分離出的木質素作為抗氧化劑、抗菌劑和抗糖尿病劑。作為抗菌劑時，發(fā)現(xiàn)其可以抑制大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌等的生長。Mondal等人^[26]用高含量的木質素磺酸鹽（LS）和Al³⁺來制備聚丙烯酸水凝膠。LS和Al³⁺的大量存在，與形成的有效Al³⁺配合物相結合，使制得的水凝膠具有優(yōu)異的抗菌活性。Saratale等人^[12]使用LS制備銀納米粒子，結果表明木質素負載的銀納米粒子對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌等致病病菌表現(xiàn)出優(yōu)良的抗菌能力，并且展現(xiàn)了對1,1-二苯基-2-三硝基苯（DPPH）（2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl）良好的自由基清除能力。張譯文^[27]基于木質素在傷口恢復過程中表現(xiàn)的生物活性及其結構特征，研發(fā)了木質素基復合型傷口敷料。結果表明，木質素-殼聚糖-聚乙烯醇（PVA）復合水凝膠顯著加速了創(chuàng)面愈合，對小鼠創(chuàng)口恢復有明顯的促進效果。此外，利用自由基聚合方法將乙酰化木質素和離子液體的中間體與2-羥乙基甲基丙烯酸酯（HEMA）形成共價交聯(lián)結構，制備了具有自愈、接觸抗菌、抗疲勞等特點的新型木質素-離子液體-HEMA雙網絡結構的自愈水凝膠材料，并且可重復利用，降低醫(yī)療成本。夏悅^[28]測試了多種來源不同及使用不同提取方式的木質素的抑菌活性，發(fā)現(xiàn)木質素的抑菌活性與其酚羥基含量有關，對沙門氏菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌和大腸桿菌4種細菌都有抑菌作用，且抑菌活性隨酚羥基含量增加而增強。李穎等人^[29]通過自組裝的方法，以硫酸鹽木質素為原料，制備純水木質素納米粒子，并與紙張復合，得到了一種納米粒子紙基復合材料。在對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌實驗中，表現(xiàn)出了較好的抑菌性能。

木質素中含有的多種酚類單體片段，可以作為天然抗菌化合物的重要來源，木質素中的多酚化合物也會導致細菌裂解。木質素納米粒子具有巨大的表面積，增加了其與細菌接觸的面積，而且在納米粒子表面包含功能性多酚型側鏈，所以抗菌效果也會得到增強。此外，將木質素用于負載銀納米粒子也顯示出很好的抗菌和抗病毒性能。

作為最豐富的可再生有機芳香族聚合物之一，對木質素的可生物降解性進行利用具有較好的環(huán)境、經濟和社會效益。木質素可以通過漆酶、錳過氧化物酶、木質素過氧化物酶和多功能過氧化物酶等被生物降解^[30]。由植物等天然來源物制備的生物材料，一般具有良好的生物相容性^[31]。

與生物相容性密切相關的一個重要概念是細胞毒性。Ugartondo等人^[32]使用人角質形成細胞HaCaT和鼠成纖維細胞3T3的細胞膜研究了木質素的細胞毒性作用，以預測它們的皮膚刺激潛力。結果表明，2種細胞系中對細胞毒性最小的木質素是木質素磺酸鹽。Shikinaka等人^[33]將同時酶促糖化和植物粉碎得到的非劣化納米顆粒木質素（SESC）作為一種無生物毒性的抗氧化劑（如圖2所示）。SESC木質素的抗氧化特性基于其酚類性質，抗氧化納米粒子還可以降低全身輻射動物的器官功能障礙和死亡的可能性。特別是木質素的游離酚羥基能夠通過其抗氧化特性清除自由基^[34]。

圖2  SESC木質素中被ROS吸收的化學結構的可能機理^[33]

Fig. 2  Possible mechanism of chemical structure of ROS uptake in SESC lignin^[33]

Freitas等人^[35]基于乙醇溶解木質素和水，采用綠色合成工藝制備木質素納米球形粒子（LPs）。結果表明，LPs對細胞內活性氧（ROS）具有抗氧化作用，顯著降低細胞內ROS水平。此外，LPs在Caco-2細胞系中顯示出較低的細胞毒性作用。Aadil等人^[36]使用甘油作為增塑劑制備的金合歡木質素-明膠共混薄膜，顯示出良好的抗氧化性能，且細胞毒性低，可在食品包裝和涂層中顯示出巨大的潛力，還能防止紫外線誘導的脂質氧化。

綜上，木質素作為一種生物質材料，具有抗毒性。此外，它還是一種自由基清除劑（側鏈中的非醚化酚羥基、鄰甲氧基和脂肪族羥基的作用），能延緩和抑制氧化反應。

木質素具有強吸附性、可生物降解性和無毒等特點，為藥物遞送的可控納米緩釋材料的設計和制備指明了方向^[37]。然而，具有診斷和治療功能的木質素基材料仍有待開發(fā)。周宇^[38]以酶解木質素為原料，研制出了一種具有高效的包載性和緩釋性能的空心木質素納米載體。結果表明，隨著殼體壁厚度的增加，該載體的緩釋性能得到提高，顯示出較好的抗腫瘤作用；藥物的載藥量可達14%以上，包封率可達60%以上。以微納米球為載體，通過靜電吸力和π-π相互作用，將阿霉素包載起來。經體外細胞實驗證明，該微納米球無毒性。另外，由于其與藥物的相互作用位置的增加，使其具有更好的緩釋能力。經熒光改性的空心微納米球具有較高的疏水性和較親水性的內核結構，使包封率達50%，載藥量達10%。利用層層自組裝技術，對木質素基空心微納米球進行了改性，將葉酸分子和Fe₃O₄納米粒子修飾到木質素基空心微納米球的表面。體外實驗結果表明，該靶向性木質素空心微納米球更易于被HeLa細胞所吞噬，且在相同條件下，其活性靶向能力較強，對細胞增殖的抑制作用更強。Zhou等人^[39]使用酶水解木質素通過酰胺化反應將1-芘丁酸接枝到木質素上，制備藍色熒光木質素共聚物，然后形成自組裝納米顆粒。結果表明，此類木質素基中空納米粒子在15天內表現(xiàn)出熒光功能、尺寸可控和結構穩(wěn)定的特點，對抗癌藥物阿霉素的包封率達50%，載藥量達10%。該材料的包封對藥物沒有細胞毒性且具有良好緩釋作用。Pourmoazzen等人^[40]將牛皮紙木質素與氯甲酸膽甾醇酯反應，制備了具有高疏水性的改性木質素。該改性木質素的水懸浮液產生了尺寸在200~500 nm范圍內的納米顆粒，這些納米顆粒在藥物遞送的過程中顯示出良好的負載和釋放葉酸（一種代表性的疏水分子）能力。Yiamsawas等人^[41]將牛皮紙木質素通過其羥基與甲基丙烯酸酐的酯化進行改性，然后通過微乳液聚合和溶劑蒸發(fā)工藝相結合的方法，制備出具有不同形態(tài)的木質素納米載體。使用紫外活性物質作為藥物模型來研究木質素納米載體的釋放行為，具體取決于它們的形態(tài)。為證明基于木質素的酶促反應納米載體，測試了漆酶作為釋放封裝藥物的觸發(fā)器。這些基于多功能生物資源木質素的可生物降解納米載體可用作生物醫(yī)學中的新型藥物遞送載體。Li等人^[42]使用堿性木質素在乙醇/水混合物中與十二烷基苯磺酸鈉進行季銨化并進一步自組裝成木質素基復合膠束（如圖3所示）。復合膠束表現(xiàn)出響應pH變化的豐富相行為。以布洛芬（IBU）為藥物模型，發(fā)現(xiàn)可以通過疏水相互作用將74.44%的IBU封裝。體外IBU的釋放行為依賴于pH值并表現(xiàn)出控釋特性。

圖3  pH響應性木質素基復合膠束的制備與工作原理^[42]

Fig. 3  Preparation and working principle of pH-responsive lignin-based composite micelles^[42]

綜上，木質素基納米材料是由天然可用的木質素制備而成的聚合物，具有無毒、可生物降解的性質和出色的吸收能力，非常適合應用于生物醫(yī)學領域^[43-44]。

從木質素結構與官能團種類來看，由于其分子內氫鍵和共軛作用并存在芳基、酚羥基、酮基及羧基等官能團，使木質素具有良好的抗紫外輻射性能。研究證明，木質素不僅具有優(yōu)異的全波段紫外線防護作用，且細胞安全性好，可以應用在抗紫外輻射高分子材料與改性涂料等方面^[45]。

Fu等人^[15]開發(fā)了由含鈣離子的LS與海藻酸鹽制成的木質素增強水凝膠，所得水凝膠具有優(yōu)異的彈性、快速的自我恢復和多功能性。此外，這些堅韌的水凝膠表現(xiàn)出抗紫外線、自愈、防凍和優(yōu)異的導電性。劉邦粹等人^[46]提出使用有機溶劑分級方法，將木質素有效地按照相對分子質量分離。乙酸乙酯萃取有效破壞了木質素的均一性，從而將碳水化合物雜質分離出來，提高了利于紫外線吸收的結構含量，使木質素總體紫外線吸收能力明顯提高。季金金等人^[47]以TiO₂/ZnO為核體，在其表面包覆木質素，制備了木質素全波段紫外屏蔽材料。結果發(fā)現(xiàn)木質素對鋅-鈦復合材料的光催化活性具有有效的抑制作用，且最佳包覆率為15%。將TiO₂/ZnO/木質素復合材料與市售TiO₂/ZnO作為相同活性組分添加至防曬配方中，結果表明，TiO₂/ZnO/木質素復合材料具有更優(yōu)異的紫外屏蔽能力和穩(wěn)定性。

王靜雅等人^[48]通過對木質素進行酯化改性制得了木質素基聚己內酯薄膜。在紫外吸收測試中發(fā)現(xiàn)，材料可在290~400 nm波段的紫外光區(qū)域屏蔽100%紫外光，具有優(yōu)異的紫外屏蔽性能。Qi等人^[49]設計并合成了一種基于木質素的可聚合大分子DAL-11ene-amine（PI），制備的聚合物薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的UV阻擋性能。僅添加質量分數(shù)0.5%的PI，幾乎可以阻擋100%的UVB+UVC和大部分UVA。結果表明，PI在制備環(huán)保型紫外線阻隔薄膜和生物安全涂料方面具有很大的應用潛力。Ma等人^[50]使用纖維素納米纖維、魔芋葡甘聚糖和堿木質素制備木質纖維素多組分薄膜。用量20%堿木質素的復合膜對UVA和UVB的阻隔率均在99%以上，水接觸角達到110.38°，復合膜具有很強的抗水性和抗紫外線能力。Zhong等人^[51]以蝦殼與木質素為原料，成功制備了由甲殼素丙酸鹽（CP）作為基質和有機溶劑木質素（OSL）作為紫外線阻斷劑的全生物基復合材料（見圖4）。結果表明，添加5% OSL可使CP薄膜阻擋約98%的紫外線，同時達到71%的可見光透過率。添加20% OSL后，幾乎100%的紫外線被阻擋，但可見光透射率有所下降。

圖4  用甲殼素和木質素制備的透明且能阻擋紫外線的生物復合薄膜^[51]

Fig. 4  Transparent and UV-blocking biocomposite film prepared with chitin and lignin^[51]

木質素作為疏水性材料也具有非常廣闊的前景。張雨晴等人^[52]利用油酸對木質素進行疏水改性后，配制成噴涂液，在基材表面噴涂后獲得木質素基超疏水涂層。木質素基超疏水涂層由葡萄串狀微納米結構組成，其表面形貌與荷葉相似。木質素基超疏水涂層的表面接觸角始終穩(wěn)定在153°左右。將其用在食品包裝容器內壁，可有效減少流體食物在包裝上的殘留，減少食品等的浪費。Kulal等人^[53]合成了基于木質素纖維素的超輕、疏水石墨烯支撐的海綿復合材料，其具有極強的吸油能力及從廢水中分離有機化學品的能力。超疏水材料可用于外科口罩，以防止呼吸飛沫進入肺部造成的病毒感染。如果可以最大限度地利用木質素衍生碳材料（石墨烯）形成超疏水涂層的潛力，這將有利于預防病毒的傳播（見圖5）。Song等人^[54]發(fā)現(xiàn)病毒可以通過氫鍵、靜電相互作用和氧化還原反應與氧化石墨烯結合。氧化石墨烯可以誘導與一般病毒的有效相互作用，自發(fā)提取病毒RNA，簡化了對病毒的聚合酶鏈反應（PCR）檢測。據(jù)報道，與N95面罩相比，基于石墨烯過濾材料的面罩對0.3 μm病毒的過濾有效率為99%^[55]。因此，通過碳化等技術，生物質材料可以成為生產石墨烯的重要來源，作為口罩與面罩等的生物質過濾材料^[56]。而且，在與COVID-19作斗爭的過程中，每個月需要使用約1290億個面部防護裝置和約650億個塑料手套^[7]。木質素制備的防護口罩與面具具有生物降解性，可降低環(huán)境壓力。崔佳欣^[57]使用PVA和LS為原料制備出空氣過濾納米纖維膜，在24.5 Pa的壓力下測試，顯示其對PM2.5的過濾效率高達99.4%。此空氣過濾器在經過10次循環(huán)后仍具有較高的過濾性能。當PVA-LS納米纖維膜實現(xiàn)高達99%以上的過濾效率時，透光率仍可達78%，展現(xiàn)出優(yōu)異的光透過性。比較復合納米纖維膜與商業(yè)口罩過濾材料的過濾性能時，發(fā)現(xiàn)復合納米纖維膜表現(xiàn)出更加優(yōu)異的過濾性能。

圖5  木質素衍生碳應用于醫(yī)用口罩的設想

Fig. 5  The idea of lignin-derived carbon used in medical masks