小尺度木素顆粒的制備及其應用研究進展

陳凱，齊云賡，郭延柱，王適，李海明

（1 大連工業大學輕工與化學工程學院，遼寧大連116034；2 大連工業大學服裝學院，遼寧大連116034）

隨著煤炭等化石能源的匱乏，開發可再生資源成為新的發展方向。生物質原料因易取得、低成本而備受關注[1-3]。

廣泛存在于自然界中的木素是一種可再生的天然高聚物，其在植物纖維中的含量約占植物體的20%～30%（質量分數）[4-5]。全球木素年產量約有7000萬噸，但大部分均用于燃燒，僅有不到5%實現了高值化利用[6-8]。從結構上看，木素為無定形三維立體聚酚類化合物，由3種苯基丙烷結構單元（圖1）聚合而成。針葉木木素主要由松柏基醇單元組成，而闊葉木木素則主要由松柏基醇單元和芥基醇單元組成[9-10]。木素結構單元間的連接方式主要是碳碳鍵（20%～35%）和醚鍵（60%～75%）。其中碳碳鍵主要有β—β′、β—5′、5—5′等，而醚鍵主要有β—O—4、α—O—4 以及5—O—4 等，見圖2[11-13]。同時，由于木素的分子結構中眾多的官能團和化學鍵[14-15]，在一定條件下能導致許多化學反應的發生，例如，在苯環上可進行木素的鹵化、磺化、接枝共聚等，而在側鏈官能團的反應主要有酰化、烷化、酚化、酯化（縮合）和異氰化等；此外，還有氧化、水解和降解等化學反應[16-17]。這些官能團和化學鍵為其進行化學改性、實現綜合利用提供了可能性。

圖1 木素的3種基本結構單元［9］

繼納米纖維素的研究取得階段性成果[18-20]以來，納米木素的出現為木素基高附加值產品的開發與應用開辟了一條新途徑[21-22]。納米木素兼具納米材料的小尺寸效應、表面效應、界面效應等特性[23-25]與木素無毒、耐腐蝕、抗菌、抗紫外線、抗氧化等優點[26-28]，在紫外線防護、復合材料和藥物運輸載體等眾多領域都表現出了廣泛的潛在應用價值[29-31]。近年來，專家學者圍繞小尺度木素顆粒進行了一系列的研究和開發[32-34]。大多文獻報道的小尺度木素顆粒產品為納米尺度，然而不同研究者對納米木素的界定有所不同。王善勇等[26]認為，納米木素通常是采用物理或化學等手段，將聚集態的木素經過納米化處理而得到大小均勻和形狀均一的納米顆粒。而Zhao等[29]認為，納米木素顆粒主要通過基于溶液的處理來制備，即采用顆粒在木素溶液中受控沉淀的方式制得，尺寸從幾十納米到幾百納米不等，形態各異。此外，也有學者對微米級木素顆粒進行了研究[30]。本文中的小尺度木素顆粒是指粒徑范圍處于微納級（1nm～1μm）、通過物理、化學、生物等手段制得、以粉體形式存在或以膠體形式分散于溶液中的實心/中空木素顆粒。本文簡要介紹了小尺度木素顆粒的制備和應用研究，旨在為林木資源深加工和生物基納米材料的開發與利用提供借鑒。

圖2 木素結構單元間主要連接方式［13］

1 小尺度木素顆粒的制備

根據反應類型，小尺度木素顆粒的制備大體可分為化學法、機械法和生物法。其中化學法主要包括自組裝法、反溶劑法以及界面聚合/交聯法等；機械法主要包括高剪切均質法、超聲波法和超聲噴霧冷凍法等；生物法主要包括微生物法和酶解法；此外還有多種方式相結合的綜合法。根據最終產物狀態可分為小尺度木素粉體產品以及含溶劑小尺度木素產品（膠體球、微膠囊）。上述制備方法根據產品組成不同又可分為兩大類，即小尺度全木素顆粒的制備和小尺度木素顆粒復合材料的制備。

1.1 小尺度木素顆粒的制備

1.1.1 反溶劑法

反溶劑法是指從成分不同的物質中，僅分離或除去某種成分時，預先將該物質溶解在適當的溶劑中，添加不溶解該物質的溶劑，即反溶劑，使之凝集沉降分離的方法。與自組裝法相比，反溶劑法有效減少了繁瑣的分離步驟。Myint 等[35]通過簡單的一鍋法合成了準球形木素納米顆粒（LNPs），其中以N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶解硫酸鹽木素，以壓縮液態CO2為反溶劑，研究了各種工藝參數對產品尺寸、尺寸分布、顆粒形態、表面積、結構特征和產率的影響，然后對木素納米顆粒的形成機理及特性進行了研究。在280.2K、15.0MPa、0.06kg/h的溶液流速、5.3%（質量分數）的初始木素濃度、968.24kg/m3的壓縮液態CO2密度和CO2∶CO2-DMF溶液的摩爾分數0.99（CO2通過冷卻器以258.2K泵送至沉淀器，流速保持在3.0kg/h）下，獲得了平均粒徑為38nm、比表面積約92m2/g、具有高單分散性和均勻性的木素納米顆粒。Richter等[36]通過反溶劑法制備了粒徑范圍在45～250nm的小尺度木素顆粒。

Lu 等[37]采用超臨界反溶劑法（SAS）成功制備了微米級木素顆粒，溶劑和反溶劑分別為丙酮和超臨界二氧化碳。實驗表明，木素顆粒的平均粒徑為(0.144±0.03)μm，SAS 工藝并未導致木素降解或化學結構改變。微米級木素溶解度比尺度更大的木素溶解度高12.4倍，由于溶解度的提高，木素顆粒的許多抗氧化參數（DPPH自由基清除活性、超氧自由基清除活性和還原能力）明顯提高。

Gupta 等[38]采用乙二醇溶液通過反溶劑法合成了球形結構的小尺度木素顆粒，測得顆粒尺寸為50～250nm。差示掃描量熱（DSC）分析表明，較之木素原料，小尺度木素顆粒的玻璃化轉變溫度（Tg）、熔融溫度（Tm）和結晶溫度（Tc）均有所升高。熱重（TGA）分析表明，較之木素原料，小尺度木素顆粒的熱穩定性亦有所提高。基于此，制得的小尺度木素顆粒可作為天然填料用于聚合物納米復合材料的制備。Rahman 等[39]以蒸汽爆破稻草木素（SERSL）為原料，分別以水、乙二醇以及蓖麻油為溶劑，鹽酸溶液為反溶劑，合成了納米級木素顆粒，掃描電子顯微鏡（SEM）表征LNPs 的平均粒徑分別為小于100nm、20～30nm 以及15～20nm。熊凱等[40]以乙酸木素為原料，制備了小尺度木素顆粒及其無機粒子復合微球，制得的木素顆粒均勻規整，粒徑分布在200nm左右。

1.1.2 高剪切均質法

高剪切均質法可以均勻分散乳化液或懸浮液體系中的分散相顆粒，其基本原理是利用機械剪切作用將木素懸浮液進行均化處理。Nair等[41]提出了一種簡單的利用高剪切均質機均化硫酸鹽木素顆粒制備納米木素的新方法。首先將純化的干燥硫酸鹽木素浸泡并分散在去離子水中，然后將木素懸浮液用高剪切均質機均化處理4h。與硫酸鹽木素顆粒相比，制得的納米木素顆粒的化學結構、分子量分布和多分散性無明顯變化且熱穩定性更好。劉志明等[42]利用堿溶酸沉法對堿木質素進行預處理得到的精制堿木素，研磨后過篩，得到粒徑小于0.2mm的堿木素。隨后將其置于去離子水中超聲處理5～15min，制得堿木素懸浮液。將堿木素懸浮液置于高壓均質機中，在壓強為900～1000bar （1bar=105Pa）下循環2～3 次，獲得納米木素溶膠，冷凍干燥即得納米木素顆粒，粒徑可控制在10～70nm。

1.1.3 超聲波法

超聲波法的基本原理是通過超聲波為木素提供能量，使其分子鍵斷裂，從而降低木素顆粒的尺寸。與高剪切均質法相比，超聲波法制備的小尺度木素顆粒沉降現象較少，穩定性較好[26]。Gilca 等[43]通過超聲波法獲得了LNPs，原料為兩種商業木素——小麥秸稈木素和薩爾坎達草（sarkanda grass）木素。實驗用20kHz、600W 的超聲波將質量分數為0.7%的木素水懸浮液處理60min，獲得了均勻穩定的納米分散體。平均粒徑從1～10μm 顯著減小到0.01～0.05μm。實驗結果證實，經超聲處理后，木素的兩種主要反應為側鏈裂解（β—O—4 鍵減少，愈創木基和對羥苯基減少）和氧化偶聯（5—5′鍵增加，縮合酚羥基增加），其中以裂解作用為主[數均分子量（Mn）和重均分子量（Mw）均降低]，并可通過調節超聲波輻射時間和功率來調節反應，見表1、表2。

表1 羥基含量的測定[43]

表2 分子量分布[43]

Zimniewska 等[44]也通過超聲波處理得到了納米結構的木素。研究發現，將其填充在亞麻織物上，可顯著改善織物的紫外線阻隔性能，并使織物具有良好的殺菌活性和抗靜電性能。

1.1.4 超聲噴霧冷凍法

Mishra 等[45]通過超聲噴霧冷凍法成功合成了中空/實心的小尺度木素顆粒。首先，將溶于二氧六環中的堿性木素干燥后，溶于二甲基亞砜中形成溶液。隨后用超聲波霧化器（1.7MHz，29℃）在N2氣氛（25L/min）下將溶液噴灑在用液氮預冷卻的銅板上，獲得冷凍液滴。將這些液滴分散在液氮中，用Milli Q水透析以除去液氮，調節水溫至10℃、pH為10.5，即得在水中穩定分散的小尺度木素顆粒。小尺度木素顆粒的形成分為兩個步驟：首先是液滴的形成，其次是顆粒的形成。其中液滴大小取決于噴霧器的工作頻率、液滴的表面張力和待噴射溶液的密度和黏度。顆粒的形狀取決于液滴中溶劑凍結與木素擴散的時間長短，若木素擴散所需時間（Tld）遠大于溶劑凍結所需時間（Tsf），則會形成中空或多孔顆粒，否則為實心顆粒[46]，見圖3。Tardy 等[47]采用類似方法制得了小尺度木素顆粒，并在其表面涂覆Fe(Ⅲ)-單寧酸納米薄膜，隨后通過調節pH或加入DMF去除木素顆粒，成功制備了空心金屬酚醛膠囊，可降解有機染料，應用于水體凈化。

圖3 超聲噴霧冷凍法制備小尺度木素顆粒［46］

1.1.5 微生物法

微生物法的基本原理是通過特定培養的微生物對木素進行降解，從而獲得小尺度木素顆粒。Juikar 等[48]以源自椰子的木素為原料，通過微生物水解工藝成功制備了納米木素。首先采用堿法制漿工藝從椰子纖維中提取木素，將其作為真菌Aspergillussp.的基礎培養基中的唯一碳源。然后在31℃、110r/min的搖動條件下處理15天。制得的樣品以1000r/min離心15min，除去雜質和未水解的木素，過濾上清液，獲得含有納米木素的濾液。通過監測上清液中木素過氧化物酶（LiP）的活性確定真菌對木素的作用程度，發現處理時間為8 天時，酶活性達到峰值，納米木素產率最高。通過與高剪切均質、超聲波處理制備的納米木素比較，發現微生物處理得到的納米木素的產率最低，僅為58.4%。原因可能是真菌Aspergillussp.在生長過程中消耗了大量的木素以及離心過程去除了部分木素。通過XRD 分析，發現在超聲波處理下，納米木素的微晶尺寸最低，為1.5nm；而在微生物處理的情況下，微晶的尺寸最高，約為4.0nm。

1.1.6 酶解法

酶解法的基本原理是通過特定酶將除木素外的物質進行分解除去，從而獲得木素顆粒。Rangan等[49]首次以印度絲瓜為原料，通過特定酶分解木素-纖維素復合物制備了富含木素的納米顆粒。首先將絲瓜在液氮中冷凍粉碎/研磨，在丙酮、乙醇和甲苯的混合物中通過索氏抽提器對纖維進行抽提，提取的粉末置于烘箱中干燥，然后浸泡在緩沖液中1～2h。用特定酶處理，將浸泡過的粉末和酶混合物振蕩24h。這種方法通過木質纖維素復合體結構的位點特異性分解，制備了高木素含量的均勻立方體納米顆粒，尺寸范圍為20～100nm。

1.2 含溶劑小尺度木素膠體球的制備

1.2.1 自組裝法

自組裝法是指構筑基元（如分子、離子等）在一定條件下通過靜電引力、氫鍵、配位鍵、π-π堆疊作用和分子識別等相互作用形成多種有序聚集體的過程，在功能性結構的構筑方面起著至關重要的作用[50-52]。Qian 等[53]從制漿黑液中回收堿木素（AL），將其進行乙酰化改性。將乙酰化木素（ACL）溶解在四氫呋喃（THF）中，制備出1mg/mL 的ACL-THF 溶液，通過自組裝法制備膠體球。當水不斷加入ACL-THF中時，ACL分子逐漸聚集。當含水量體積分數達44%時，開始形成膠體球，并在含水量達67%時完成膠體化過程，測得平均半徑為80nm。隨后，該課題組[54]進一步利用造紙廢液中的堿木素通過與重氮鹽偶合反應成功合成了木素基偶氮聚合物（AL-azo-COOEt），見圖4。疏水性對酯基偶氮苯結構的引入調節了與木素偶氮聚合物芳香核骨架相連接的疏水基團和親水基團的比例，從而使其能夠在選擇性溶劑（水）的作用下自組裝成內外親疏水性不同的膠體球。TEM 觀察到的結果表明，膠體球為規整球形，半徑為74nm。

Lievonen 等[55]介紹了一種無需化學改性、直接利用針葉木硫酸鹽木素生產小尺度木素顆粒的方法。將針葉木硫酸鹽木素溶于有機溶劑四氫呋喃中，然后通過透析將水引入到系統中。制得的木素顆粒平均直徑為200～500nm，在pH 為4～10 以及離子強度高達500mmol/L 的NaCl 溶液中非常穩定，利于工業生產。用陽離子聚電解質聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDADMAC）涂覆制備的木素顆粒，可實現木素顆粒表面電荷的改性。Salentinig等[56]在此基礎上進一步研究了溶劑和pH 對小尺度木素顆粒結構和形態的影響。當溶劑從THF逐漸變為水時，木素逐漸由分形的多孔結構變為表面光滑的球形顆粒結構。體系中pH 的改變會導致小尺度木素顆粒上官能團的質子化或去質子化，從而控制分子間的靜電相互作用。在pH為5.6時，木素鏈上帶負電荷的結構單元之間的排斥庫侖力可以誘導微米級球形木素顆粒的形成。而在pH為2.0時，由于大部分羧基被質子化，顆粒表面電荷減少，從而導致顆粒聚集。顆粒形態的變化可用于溶劑或由pH 觸發的包封客體分子的控釋系統。

Liu 等[57-58]將木素分級后成功制備了小尺度木素顆粒。該課題組[57]以玉米秸稈為原料，使用乙醇等溶劑通過順序有機溶劑破碎法（sequential organosolv fragmentation approach，SOFA）獲得了3種具有不同性質的分級木素（圖5），并調整其化學性質和反應性，以自組裝法制備了具有不同性質的小尺度木素顆粒。其中以乙醇為溶劑，硫酸為催化劑，通過SOFA獲得的分級木素制備的小尺度木素顆粒最小有效直徑約為130nm，zeta 電位值小于-50mV，多分散指數（PDI）低于0.08，表明木素顆粒具有良好的均勻性和穩定性。研究發現，通過提高木素的分子量，降低紫丁香基型木素與愈創木基型木素的比例，促進β—O—4 和β—β鍵的斷裂（以促進木素聚合反應的發生，提高其疏水性）以及增加木素中酚羥基和羧基的含量（以促進分子內氫鍵和雙電層的形成），可以生產出均勻性和穩定性更好的球形小尺度木素顆粒。

圖4 AL-azo-COOEt合成路線［54］

圖5 SOFA流程圖［57］

水溶助長化學（hydrotropic chemistry）是指通過水溶助長劑（如對甲苯磺酸鹽、枯烯磺酸鹽等）的使用，以促進水不溶或難溶性化合物在水中的溶解[59-61]。Chen 等[62]在水溶助長化學的基礎上，通過自組裝法制備小尺度木素顆粒。其中水溶助長劑采用可回收且無毒的對甲苯磺酸鈉水溶液（pTsONa）。在室溫下制得的木素顆粒流體動力學直徑范圍為80～230nm，最低濃度高達48g/L。進一步研究發現[62-63]，木素顆粒尺寸隨溶液中水溶助長劑稀釋速率的增加而增大，同時初始木素濃度對小尺度木素顆粒的粒徑有顯著影響，在初始木素濃度低于80g/L 時，平均粒徑與初始木素濃度呈正相關。該法不受pH 和木素種類的限制，具有廣泛的潛在應用價值。

1.2.2 反溶劑法

Frangville 等[64]以 低 磺 化 木 素（indulin AT，IAT）為原料，通過兩種方式分別制得了具有不同性質的小尺度木素顆粒。前一種方法是通過加入鹽酸溶液誘導溶于乙二醇溶液中的IAT聚集成小尺度木素顆粒，這種顆粒在pH為1～9時非常穩定，與戊二醛交聯后，其穩定性得到進一步提高。研究發現，鹽酸溶液的添加速率對木素顆粒的最終尺寸有顯著影響，與通過兩相直接混合獲得的顆粒相比，當以2 滴/分鐘的速率加入鹽酸溶液時，木素顆粒的尺寸從320nm減小到120nm。后一種方法是通過加入硝酸溶液調整溶有IAT的氫氧化鈉溶液的pH，使IAT在酸性條件下沉淀形成小尺度木素顆粒，這種顆粒僅在pH 低于5 下穩定。由于其低pH 穩定性，有望成為合適的腸溶載體，用于遞送至胃腸道小腸部分的控釋藥物的開發。

1.2.3 酶解法

Shikinaka 等[65]通過同步酶糖化和物理粉碎（simultaneous enzymatic saccharification and physical comminution，SESPC）方法獲得了納米木素顆粒。木片經蒽醌堿煮后，加入纖維素酶、半纖維素酶和緩沖液（pH=5.0）采用珠磨法進行物理粉碎，然后在50℃下酶糖化約3 天。獲得的納米木素是一種凝膠顆粒，具有高純度、高單分散性和低降解性、尺寸分布均勻并可溶解于極性有機溶劑。納米木素顆粒的大小與溶劑種類有關。Tian 等[66]成功制備了尺寸小于100nm 的均勻納米木素顆粒。這些木素顆粒是以木質纖維素基材[農業剩余物玉米秸稈（corn stover，CS）、硬木楊樹（poplar， POP） 和 軟 木 松 木（lodgepole pine，LPP）]為原料，經預蒸汽工藝處理，通過酶水解得到木素殘余物（CEL），再采用透析的方法制得的，其產率分別約為82%、91%和41%，平均粒徑分別為218nm、131nm 和104nm。通過2DHSQC NMR 譜圖對木素顆粒進行表征發現，CS LNPs、POP LNPs、LPP LNPs 的β—O—4 鍵依次減少，LNPs 結構穩定性隨之增大，這與Liu 等[57]的研究結論一致。TEM 觀察到的結果表明，LNPs呈球形，在pH 為4～10 之間高度穩定，顯示出在新興納米材料領域的巨大應用前景。

1.2.4 綜合法

在小尺度木素顆粒的制備過程中，常采取多種方式相結合的制備方法。Alqahtani等[67]以有機溶劑木素為原料，以檸檬酸鈉作為穩定劑和交聯劑，制備了可負載姜黃素的均勻球形小尺度木素顆粒。首先，將40mg 木素溶解在含有2mg 姜黃素的乙醇（70%）中形成醇相。隨后在超聲探針處理下，將醇相滴加到由0.1mol/L 檸檬酸鹽緩沖液（pH=5）組成的水相中。最后通過磁力攪拌加快乙醇蒸發，離心洗滌獲得已交聯改性的小尺度木素顆粒。木素上羥基的酯化導致交聯的形成，使得納米顆粒表面帶有更多負電荷，并促進其在酸性介質中形成不易降解的顆粒。LNPs 的平均粒度為(85.9±4.7)nm，在室溫下儲存90 天后平均半徑增加值≤10nm，具有良好的穩定性。Si 等[68]報道了一種酸催化乙醇-水共溶劑體系的微波輔助一鍋法制備策略，用以同步快速制備LNPs 和碳量子點（CQDs）。首先將7g 風干稻草粉末與70mL含鹽酸0.5%（質量分數）的乙醇-水溶液（體積比65∶35）混合。將混合物轉移至微波消解儀，在400W 下處理10min。加入10 倍體積的水，過濾得到膠體溶液。離心分離后，沉淀物為LNPs，上清液為CQDs。在這種一鍋微波輔助策略中，酸解釋放單糖和有機酸，并同步溶解木素。溶解的木素通過基于π-π 相互作用的逐層自組裝形成LNPs 沉淀物，見圖6 步驟(a)。上清液中的木素以及單糖和有機酸通過脫水、聚合和縮合、芳構化以及碳化合成CQDs，見圖6 步驟(b)。此法避免了費時費力的反應物滴入過程和透析步驟，快速高效。

1.3 含溶劑小尺度木素微膠囊的制備

1.3.1 界面聚合/交聯法

界面聚合/交聯法的基本原理是將兩種帶不同活性基團的單體或聚合物分別溶于兩種互不相溶的溶劑中，當一種溶液分散到另一種溶液中時，在兩種溶液的界面上發生聚合/交聯反應[69]。利用界面聚合/交聯法處理木素，既能得到實心顆粒，也可制備中空顆粒。Yiamsawas 等[70]通過反相微乳液界面聚合法成功制備了中空微膠囊。首先將木素磺酸鈉溶解在Milli-Q 水中產生分散相，然后將其與含有生物相容性表面活性劑聚甘油-聚蓖麻醇酸酯（PGPR）的環己烷混合。將預乳液在室溫下進行超聲處理，產生穩定的微乳液并滴入含有甲苯二異氰酸酯（TDI）的環己烷溶液，制得了直徑為150～200nm且穩定性良好的中空木素顆粒，該顆粒可被漆酶裂解，可有效包封親水性模型化合物磺酰羅丹明（SR101），有望實現對藥物、肥料、殺蟲劑等親水性物質的有效包封。該課題組[71]進一步制備了不同形貌的小尺度木素載體，通過甲基丙烯酸酯化硫酸鹽木素，隨后使其在微乳液中通過自由基聚合引發交聯反應，結合溶劑蒸發得到木素納米載體。這些小尺度木素載體包括固體顆粒、具有液體核（十六烷、植物油）和固體木素殼的核-殼結構以及高度多孔的木素顆粒。所有小尺度木素載體都可在其內部裝載疏水性物質，其中核-殼結構可以裝載大量脂質。研究發現釋放行為取決于載體的形態，其中固體顆粒表現出最慢的釋放行為。這些小尺度木素載體可作為生物可降解藥物載體或碳化處理后作為吸附劑。

圖6 同步制備LNPs和CQDs機理［68］

圖7 界面微乳液交聯反應制備木素基微膠囊［72］

Chen等[72]通過界面微乳液交聯成功制備了木素基pH 響應微膠囊，見圖7。木素磺酸鹽首先通過醚化接枝烯丙基形成烯丙基改性木素磺酸鹽。然后將含有烯丙基改性木素磺酸鹽的水相（W）與配制好的含有硫醇基交聯劑三羥甲基丙烷三(3-巰基丙酸酯)的油相（O）混合，通過超聲波處理進一步分散形成水包油（O/W）微乳液體系。烯丙基改性木素磺酸鹽與三羥甲基丙烷三(3-巰基丙酸酯)在微乳液液滴界面上通過界面交聯反應即硫醇-烯自由基反應形成微膠囊。粒徑范圍為100～400nm，可對加入到油相中的疏水性物質（如香豆素-6）實現有效包覆。由于膠囊殼中存在酸不穩定的β-硫代丙酸酯交聯，可在低pH 環境中誘導酸觸發的快速釋放。Nypel?等[73]以工業堿木素為原料，通過界面聚合/交聯法從水包油微乳液中制得了尺寸可控（90nm～1μm）的球形木素顆粒，這種顆粒可實現對銀納米粒子的負載。

1.3.2 綜合法

Tortora 等[74]綜合運用界面聚合/交聯法和超聲波法成功合成了均勻球形的木素微膠囊（LMCs）。LMCs 通過高強度超聲波技術將油相和含有木素的水相進行乳化，然后在水/油界面交聯木素官能團獲得，平均粒徑為0.3～1.1μm。其中，橄欖油被用作生物相容性疏水核，交聯劑PEGDEG 的加入可提高LMCs 的穩定性和包封能力，且可將LMCs濃度提高10 倍。H2O2的加入可提供更強的氧化條件。根據核磁共振分析可知，超聲波輻射涉及3個過程：羧基的引入、木素碎裂和木素交聯。其中，引入的羧基可增加木素的兩親性，促進木素大分子在有機相中的緊密堆積，從而更易于形成微膠囊。

1.4 小尺度木素顆粒的物理化學特性比較

基于上文介紹的主要研究方法，表3總結了小尺度木素顆粒的主要制備工藝參數（溶劑、初始木素濃度、粒徑測定方法）及物理化學特性（粒徑、zeta 電位、pH穩定性、PDI、產率、產物與原料的差異及優缺點）。

表3 小尺度木素顆粒的主要制備工藝、參數及物理化學特性比較

續表3

從產物形態和制備方法上看，小尺度木素粉體產品主要采用反溶劑法、高剪切均質法和超聲波法制備，小尺度木素膠體球主要采用自組裝法制備，小尺度木素微膠囊主要采用界面聚合/交聯法制備。此外，酶解法既可制備小尺度木素粉體產品，又可制備小尺度木素膠體球。從木素的溶劑選擇上看，自組裝法和反溶劑法大多以有機溶劑為主，而界面聚合/交聯法、高剪切均質法和超聲波法則首先將木素溶解或分散在水中，變為綠色。從小尺度木素顆粒粒徑的測試方法上看，動態光散射為主要表征手段。

1.5 表征手段

不同表征手段對小尺度木素顆粒測試樣品往往有不同的要求，利用不同測試方法獲得的小尺度木素顆粒尺寸分布往往也有所不同。目前，小尺度木素顆粒的表征手段主要有動態光散射（DLS）、靜態光散射（SLS）、透射電子顯微鏡（TEM）、掃描電子顯微鏡（SEM）。此外，還采用小角X 射線散射（SAXS）和X 射線衍射（XRD）來研究小尺度木素顆粒的微晶尺度。

1.5.1 DLS

DLS作為較常規的表征方法，廣泛應用于粒子粒徑的測量。該方法基于布朗運動通過斯托克斯-愛因斯坦方程，利用動態光散射和自相關原理獲得粒子的尺寸分布及平均直徑。DLS無法直接對固體樣品進行測定，需要將其以適當濃度分散于溶液中。Juikar 等[48]通過使用配備有氦氖激光器（632.8nm），雪崩光電二極管檢測器的NicompTM380 ZLS 粒度分析儀在90°方向的散射強度上測量了小尺度木素顆粒的粒度分布，并使用90nm 尺寸的聚苯乙烯乳膠球進行尺寸校準。Gupta 等[38]使用Malvern Zetasizer nano series-Nano ZS 對小尺度木素顆粒進行了流體動力學尺寸分布表征。儀器配備了氦氖激光器（663nm），散射角為173°。在測定前，將待測樣品分散在蒸餾水中，濃度約為0.1g/L，并在超聲波浴中處理6min，以獲得分散良好的懸浮液。Mishra 等[45]的實驗表明，與SEM 相比，DLS 測定的顆粒尺寸更接近理論值。

1.5.2 SLS

SLS與DLS不同，它不是測定散射光強隨時間起伏的動態變化，而是測定一定時間內的平均散射光強，具有濃度依賴性和角度依賴性[75]。鄧永紅等[54]使用德國ALV 公司生產的配備LSE-7004 多τ數字相關器的ALV/CGS-3 緊湊型靜、動態光散射儀對小尺度木素顆粒進行了分析。檢測器前安裝了熒光過濾器和Glan-Thompson干涉器以減少熒光引起的誤差，并用BI-DNDC（DNDC-2010，WEG，德國）測得膠體球水溶液的折光率。通過DLS測得ACL 膠體球的流體動力學半徑（Rh）約為(104.2±4.0)nm，通 過SLS 測得 其 回 轉 半 徑（Rg） 約 為81.59nm，形狀因子（Rg/Rh）為0.75～0.783，間接證明了其實心球形結構。

1.5.3 TEM

TEM 常用于獲得小尺度樣品的形貌信息，同時也可借助分析軟件對樣品的尺寸信息進行統計。TEM 樣品制備方法多種多樣，對于小尺度木素顆粒來說，通常采用支持膜法。Qian 等[53]使用HITACHI H-7650 透射電子顯微鏡以120kV 的加速電壓獲得小尺度木素膠體球的TEM 圖像。首先將稀釋的膠體球溶液滴加在由薄碳架支撐的銅網上，然后在25℃下干燥24h，制得TEM樣品。最后根據TEM圖像中100個相鄰球體的統計數據，獲得小尺度木素膠體球的平均粒徑。然而，TEM 樣品制備中的干燥過程可能會造成膠體球的收縮，導致尺寸測定的偏差。鄧永紅等[54]發現，通過DLS測定的小尺度木素膠體球的Rh為104.2nm，而經TEM觀察的膠體球半徑為74nm。Shikinaka 等[65]也發現，用DLS 測得的粒度約為用TEM 測量的粒度的兩倍。但TEM 無法直接對液體樣品進行表征，同時對于制樣要求較高。

1.5.4 SEM

與TEM 類似，也有研究者通過SEM 對小尺度木素顆粒進行粒度分析。Nair等[41]利用掃描電子顯微鏡（LEO 1530 SEM，Carl Zeiss NTS，Peabody，MA，USA）在15kV下研究了小尺度木素顆粒的形態及尺寸。首先將質量分數為0.05%的木質素懸浮液滴在光滑的鋁載物臺上并干燥，然后用金濺射涂覆以提供足夠的導電性。最后用Gwyddion 軟件對SEM 圖像進行分析，獲得小尺度木素顆粒的尺寸分布。由SEM 測定的尺寸分布與TEM 測定的尺寸分布相吻合[39]。

1.5.5 SAXS

SAXS是電子在原光束附近很小的角度（2°～5°）內對X射線的相干散射現象，是一種用來探測從若干納米到幾百納米尺度范圍內物質結構的強有力實驗手段[76-77]，可以獲得亞微粒子（或孔）的形狀、尺度或質量信息[78]。作為一種無損檢測方法，與TEM相比，可獲得更準確的統計平均信息且制樣簡單[79-80]。近年來，SAXS 理論方法不斷得到豐富而且在材料的制備、表征研究領域取得了很大的研究 進展[79]。Salentinig 等[56]利用Bruker Nanostar 對小尺度木素顆粒進行了SAXS分析。使用高貝爾反射鏡（G?bel mirror）將發散多色X 光光束轉換成單色銅Kα輻射（λ=0.154nm）的聚焦光束，光束截面直徑為0.3mm。樣品到檢測器的距離為107.5cm。2D SAXS 圖通過VNTEC-2000 檢測器獲得，有效面積為14cm×14cm，像素大小為68μm×68μm。工作電壓為50kV，工作電流為600μA。通過測定玻璃碳的透射率對溶劑的透射率進行校準。研究表明，其制備的亞微米級小尺度木素顆粒由約6nm 的近似橢球形亞單元組成，這與許多學者的發現相吻合[29,81]。該方法克服了小尺度木素顆粒產品狀態的限制，為小尺度木素顆粒的表征提供了獨特的分析視角。

1.5.6 XRD

相較于SAXS，XRD 已成熟應用于眾多領域。Juikar 等[48]使用Philips?PW 1710 X 射線衍射儀在X射線波長為0.154nm 處、2θ為5°～80°范圍內獲得了X射線衍射圖，并通過自動粉末衍射（APD）軟件進行分析。利用謝爾樂公式計算，得到了小尺度木素顆粒的平均微晶尺寸。XRD 對于樣品的制備及樣品量有一定的要求，且無法對液體樣品進行表征。

2 小尺度木素顆粒的應用

2.1 紫外線防護

與原始木素相比，小尺度木素具有更優異的抗菌、抗紫外線能力。Qian 等[82-85]對木素作為天然高分子防曬劑進行了研究，該課題組[86]通過自組裝法制備了不同尺寸和結構的木素膠體球。然后與純護膚霜混合用以開發高防曬系數的天然廣譜防曬劑。球形木素的防曬性能優于原始木素，且與膠體球的大小成反比。酚羥基在木素的防曬中起主要作用，具有更多酚羥基的有機溶劑木素（OL）納米球防曬性能更好。由于木素和化學防曬劑之間的協同效應，添加質量分數為2%UVA 和2%UVB 化學防曬劑，可將含有10%中等尺寸OL 膠體球的防曬霜防曬系數從10.69提高到47.71，具有高紫外線防護性能。Wang 等[87]也進行了相關研究。將小尺度木素顆粒應用于防曬產品的開發，有望提高化學防曬產品的安全性[88]。

Yearla 等[89]通過反溶劑法將二氧六環木素（DL）和堿木素（AL）分別制成了平均尺寸為80～104nm的二氧六環木素納米顆粒（DLNP）和堿木素納米顆粒（ALNP）。DPPH 自由基清除活性分析顯示，DLNP和ALNP分別比它們的母體聚合物DL和AL具有更高的抗氧化活性。通過監測紫外線照射下大腸桿菌存活率的提高，對化合物DL、AL、DLNP和ALNP在不同濃度、不同時間下的紫外線防護活性進行評估。發現用紫外光照射大腸桿菌5min，它們的存活率隨著測試化合物濃度的增加而提高。當分別加入150μg AL、ALNP時，大腸桿菌的存活率分別為67%、97%，ALNP的紫外線防護活性比其母體聚合物AL提高了30%。此外，AL、ALNP比DL、DLNP具有更高的紫外線防護潛力。Mishra等[45]借助幾乎無紫外吸收的PDADMAC水溶液，在石英載玻片上分別沉積了6層小尺度木素顆粒，觀察到其紫外線吸光度隨層數增加呈現明顯的線性增加。

2.2 復合材料

由于納米木素的獨特性質，在新型生物基納米復合材料的制備和開發方面具備巨大潛力。Gupta等[90]通過反溶劑法制備了納米木素顆粒，然后采用熔融擠出和微注射成型技術制備了生物聚對苯二甲酸丙二醇酯（bio-PTT）雜化納米復合材料，其中LNP 和氣相生長碳纖維（VGCF）作為增強劑，并確定了LNP的最佳摻量。力學結果顯示，加入質量分數1.5%LNP、7%VGCF 的bio-PTT 雜化納米復合材料，其拉伸強度、拉伸模量和沖擊強度分別提高了約20%、12%和47%。進一步研究表明，納米復合材料具有良好的力學性能和熱性能以及生物降解特性，適用于多種最終用途。Jiang等[91-92]通過自組裝技術制得了木素-PDADMAC復合體（LPCs），并將LPCs 與橡膠混合制備了天然橡膠/木素納米復合材料（NR/LPCs）。研究表明，LPCs均勻分布在NR基體中，加速了NR/LPCs的硫化，增強了NR/LPCs的力學性能以及熱性能等，有望替代部分炭黑。

Rahman 等[39]將制得的LNPs 作為納米填料分散在環氧樹脂基體中形成環氧納米復合涂層，用于碳鋼的防腐保護。通過沖擊、鉛筆劃痕硬度和劃格法附著力測試對涂層的物理力學性能進行檢測，發現添加LNPs 的環氧涂層具有更好的沖擊強度和耐磨損性，且與金屬基材黏合良好。接觸角測試表明，LNPs 可進一步增強涂層的疏水性。由Tafel 外推法獲得的數據顯示，與普通環氧涂層相比，納米復合環氧涂層具有更高的腐蝕電位和更低的腐蝕電流密度，電化學阻抗譜圖表明，納米復合涂層的阻抗值比普通環氧樹脂（約104Ω）涂層高2～3倍。防腐蝕性能的增強歸因于LNPs，它填充了環氧涂層的孔隙和空腔，并作為一種強屏障抑制腐蝕離子在金屬-涂層界面的滲透。此外，由于多種官能團的存在，使LNPs 在沖擊試驗期間消耗瞬時能量從而提高了涂層塑性，并增強了納米復合涂層對金屬的黏附力。

Yang 等[93]將質量分數1%的木素納米顆粒混合到聚乳酸（PLA）、甲基丙烯酸縮水甘油酯（GMA）接枝的PLA（g-PLA）中，成功制備了聚乳酸/木素納米顆粒薄膜，并對熱、光學、力學性能以及形貌進行了表征。結果表明，含有木素納米顆粒的納米復合材料相對于PLA 和g-PLA 總體上表現出更好的紫外線防護性能、拉伸強度和良好的分散性。Yang等[93]評估了其在食品包裝領域的適用性，優化了加工納米復合材料的方法，并為LNP 增強生物塑料基納米復合材料的工業制造和實際應用提供了新的參考。Farooq等[94]將小尺度木素顆粒與纖維素納米纖維混合，利用加壓過濾方式制備了納米復合薄膜。拉伸試驗顯示，在加入充當潤滑劑和應力轉移劑的木素顆粒后，薄膜的力學性能得到了顯著改善。在最佳摻量下，薄膜的拉伸強度可達160MPa，斷裂應變值可提高到16%，韌性可提高近兩倍。同時，加入小尺度木素顆粒的薄膜顯示出了良好的防水性，紫外線屏蔽以及持久的自由基清除活性，為綠色生物基納米復合材料在食品包裝、水凈化和生物醫學領域的應用帶來了新的機遇。

2.3 藥物運輸載體

Li等[95]采用木素磺酸鈉（SL）和十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）通過自組裝法制備了均勻的膠體球（SL-CTAB）。SL-CTAB 表現出可逆的聚集行為，可包封光敏農藥阿維菌素（AVM）形成AVM載藥微球，并顯示出高水平的載藥和包封效率。通過對AVM 的控釋和抗光裂解性能的研究發現，微球（AVM@SL-CTAB） 的封裝效率值約達63%。AVM@SL-CTAB的釋放過程可以通過調節摻雜SLCTAB 的比例來控制。紫外線照射下，AVM 在AVM@SL-CTAB 中的半衰期（DT50）可延長7.35倍。Deng等[96]制備了中空木素偶氮膠體球，用于包封AVM。120h 后包封的AVM 總釋放量可達84%，且釋放仍在繼續。紫外線照射72h 后，包封AVM的木素偶氮膠體球分解率仍低于41%，顯示出良好的紫外線阻斷和控制釋放能力。Chen 等[62]制備的LNPs 可包封各種水溶性或水不溶性藥物，如微水溶性抗菌藥物加替沙星（GFLX）、水溶性抗腫瘤藥物鹽酸阿霉素（DOXHCl）以及水不溶性阿霉素（DOX）。最高包封率可達90%，具有持續的藥物釋放能力和生物相容性，且采用的溶劑pTsONa 易于回收利用，從而實現環境可持續性。此外，包封DOX 的LNPs 與游離DOX 具有同等的抗腫瘤作用，但包封DOX 的LNPs 在生理鹽水中幾乎不釋放DOX，因此有望消除體內游離DOX的副作用。

Alqahtani 等[67]將制備的LNPs 應用于親脂性藥物姜黃素的口服遞送，姜黃素的包封率高達92.4%。將包封有姜黃素的LNPs 在模擬胃液（SGF）和腸液（SIF）中進行體外釋放研究，發現LNPs 能夠延緩姜黃素在酸性介質中的釋放。釋放機制遵循Peppas 動力學模型，說明有機溶劑木素的疏水性是控制藥物釋放速率的關鍵因素。選取與小腸細胞形態特征及表達相似的Caco-2 細胞系作為模擬腸細胞的模型對其進行體外評價，發現裝載姜黃素的LNPs 無細胞毒性。與游離姜黃素相比，其姜黃素腸滲透性顯著增強，可有效提高口服姜黃素的生物利用率。藥代動力學數據顯示，由于納米木素顆粒中姜黃素的持續釋放，血藥濃度最大值較姜黃素混懸液增加了9倍，口服生物利用率增加了5.7 倍，藥物滯留時間和半衰期明顯延長。Sipponen 等[97]也進行了相關研究。Tortora 等[74]利用超聲驅動木素組裝成微膠囊，利用顯微分析和生物相容性分析研究了LMCs 與中國倉鼠卵巢（CHO）細胞系的相互作用。實驗證明LMCs無細胞毒性且易于摻入CHO 細胞，為其在生物醫藥領域的進一步開發利用提供了有力證據。

3 結語

小尺度木素顆粒作為一種新興材料，由于其優異的物理化學性能，在許多領域都表現出了巨大的應用潛力，引起了眾多科研人員的關注。目前對于小尺度木素顆粒的制備和應用研究方興未艾，仍有許多亟待解決的問題。

在化學法制備小尺度木素顆粒的過程中，大多會使用對環境有不利影響的有機溶劑，如何減少有害溶劑的使用并積極尋求其替代品是推動小尺度木素顆粒研究進一步發展的重要基礎。機械法相對化學法更加綠色環保，但其顆粒形狀的多變性和尺寸的高多分散性仍需持續優化。酶法相對溫和的處理條件使其在小尺度木素顆粒的制備上占有一定的優勢，但其制備工藝相對繁瑣。此外，目前小尺度木素顆粒的制備基本不具備成本效益，如何降低制備成本并在不影響性能的情況下提高得率也是當前需要面對的問題。

在紫外線防護方面，如何提高小尺度木素顆粒在紫外線輻射下的光穩定性是當前面臨的主要問題。在復合材料制備方面，由于其復雜的制備技術和嚴格的制備條件，目前尚未有與之相關的中試報道，實現工業化道阻且躋。在藥物運輸載體方面，目前對于體外和體內評估研究較少，僅有有限的細胞毒性評估報告。小尺度木素顆粒制劑在制藥工業中的臨床轉化將是未來的主要挑戰。