木質(zhì)素納米顆粒的可控制備及應用進展

吳麗冉 王營超 劉姍姍 王 強， 穆永生 韓陳曉

（1.齊魯工業(yè)大學（山東省科學院）生物基材料與綠色造紙國家重點實驗室/制漿造紙科學與技術教育部重點實驗室，山東濟南，250353；2.江蘇精科嘉益工業(yè)技術有限公司，江蘇南京，211200；3.山東世紀陽光紙業(yè)集團有限公司，山東濰坊，262499）

隨著化石資源的過度開發(fā)以及由此帶來的環(huán)境危機，迫使人們不斷尋找其可替代品。木質(zhì)纖維生物質(zhì)資源作為一種可再生、可降解、儲量豐富的綠色資源被認為是最具優(yōu)勢的替代者[1]。木質(zhì)纖維生物質(zhì)主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成，制漿造紙工業(yè)采用化學、物理等方法將纖維素和部分半纖維素轉(zhuǎn)化為紙漿，木質(zhì)素則作為制漿廢液通過燃燒回收熱能。因此，如何實現(xiàn)工業(yè)木質(zhì)素的高值化利用已成為亟需解決的行業(yè)問題。

木質(zhì)素是由苯丙烷結(jié)構(gòu)單元組成的芳香類天然高分子聚合物，基本結(jié)構(gòu)單元包括愈創(chuàng)木基（G）、紫丁香基（S）和對羥苯基（H），結(jié)構(gòu)單元之間通過醚鍵和碳碳鍵連接（如β-O-4、β-β、β-5、α-O-4、4-O-5等）[2]。除了剛性的苯環(huán)結(jié)構(gòu)外，木質(zhì)素還擁有豐富的羥基、羧基、醛基等官能團，可以應用于制備添加劑[3]、膠黏劑[4]、分散劑和表面活性劑[5]等高值化產(chǎn)品。然而，全世界的木質(zhì)素年產(chǎn)量高達5000多萬t，僅有約2%用來生產(chǎn)高附加值產(chǎn)品[6-8]，木質(zhì)素結(jié)構(gòu)的復雜性和相對分子質(zhì)量差異大等原因是限制木質(zhì)素高值化利用的關鍵問題。

近年來，隨著納米科技的發(fā)展，研究人員成功制備了木質(zhì)素納米顆粒，有效克服了其固有的異質(zhì)性、分散性差和粒徑大等缺點，為高附加值木質(zhì)素基產(chǎn)品的開發(fā)提供了新的思路[9]。相比于微米級及以上粒徑的顆粒，納米級木質(zhì)素表現(xiàn)出更高的反應活性，更容易與其他原子結(jié)合，這主要歸因于納米顆粒的超大比表面積、超高的表面能和表面張力，拓展了其在催化材料、傳感器和生物功能材料等領域的應用前景[10]。同時，木質(zhì)素具有抗菌性、抗氧化性、生物降解性、紫外吸收等固有屬性[11]，使得納米化的木質(zhì)素除具備納米粒子的一般特性外，還具有抗菌性、抗紫外線、無細胞毒性等特點[12-13]。因此，木質(zhì)素納米顆粒不僅可以實現(xiàn)木質(zhì)素的高值化利用，還能解決傳統(tǒng)納米材料生物有害性的安全隱患[14]。

圖1為2020年8月10日在Web of Science數(shù)據(jù)庫中以“nanolignin”&“l(fā)ignin nanoparticle”為關鍵詞檢索SCI文章的發(fā)表情況及分布國家。由圖1可見，自2011年有木質(zhì)素納米顆粒相關文章報道以來，木質(zhì)素納米顆粒領域的文章增長迅速，2019年達到45篇；從文章的分布國家來看，以中國、美國、印度的學者報道最多。基于此，本文著重介紹了木質(zhì)素納米顆粒的制備方法及應用進展，為木質(zhì)素納米顆粒制備技術的進一步發(fā)展和應用提供參考。

圖1 以nanolignin&lignin nanoparticle為關鍵詞的SCI期刊文章發(fā)表情況及國家分布Fig.1 SCI indexed paper publication years and countries/regions based on the topic of nanolignin&lignin nanoparticle

1 木質(zhì)素納米顆粒的可控制備

1.1 機械法

機械法主要是通過機械力的作用來制備大小均勻、形狀均一的木質(zhì)素納米顆粒，主要包括高剪切均質(zhì)法、超聲波法和多種機械方法相結(jié)合的方式。機械法制備木質(zhì)素納米顆粒操作簡單、可控性強，而且能有效避免化學試劑使用以及后續(xù)的處理，是一種綠色環(huán)保的制備方法[15]。

1.1.1 高剪切均質(zhì)法

高剪切均質(zhì)法是通過轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生高切線速度和高頻機械效應，使物料和水在定、轉(zhuǎn)子狹窄的間隙中受到強烈的剪切、離心擠壓、液層摩擦、撞擊撕裂等綜合作用，形成懸乳液。Nair等人[16]采用高剪切均質(zhì)法處理微米級硫酸鹽闊葉木木質(zhì)素，在15000 r/min轉(zhuǎn)速下分別處理1、2和4 h，結(jié)果表明，處理1 h的樣品中超過50%的木質(zhì)素顆粒大于500 nm，部分顆粒粒徑為6～7μm，處理2 h的樣品中75%的顆粒粒徑小于100 nm，處理4 h的樣品中木質(zhì)素顆粒完全小于100 nm。與初始硫酸鹽闊葉木木質(zhì)素相比，均質(zhì)處理后木質(zhì)素的化學結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化，脂肪族羥基、酚類和羧基含量相當，在機械處理過程中沒有明顯的芳基—O—醚鍵的裂解。顯然，隨著機械剪切時間的增加，木質(zhì)素納米顆粒的尺寸分布得以改善。

1.1.2 超聲波法

超聲波法是當超聲波的能量達到或超過木質(zhì)素分子鍵斷裂所需要的能量時，木質(zhì)素大分子發(fā)生斷裂，降低木質(zhì)素顆粒尺寸的方法。與高壓均質(zhì)法相比，超聲波法制備出的木質(zhì)素納米顆粒沉降現(xiàn)象較少，穩(wěn)定性較好[17]。Gilca等人[18]研究了超聲波處理制備木質(zhì)素納米顆粒的方法，以小麥秸稈和薩爾坎達草的工業(yè)木質(zhì)素為原料，將質(zhì)量分數(shù)0.7%木質(zhì)素懸浮液在20 kHz、600 W條件下超聲處理60 min，獲得均勻穩(wěn)定的納米分散體，通過調(diào)節(jié)超聲波的頻率和處理時間能夠減少解聚率和縮聚率，兩種原料木質(zhì)素的平均粒徑均從1～10μm減小到10～50 nm。通過對木質(zhì)素納米顆粒的紅外光譜和凝膠滲透色譜分析，發(fā)現(xiàn)納米粒子前后結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生明顯變化。

1.1.3 組合法

組合法是通過將高壓均質(zhì)法和超聲波法結(jié)合來制備木質(zhì)素納米顆粒溶膠的方法。Liu等人[19]以堿木質(zhì)素為原料，經(jīng)高壓均質(zhì)法和超聲波法處理后，再進行冷凍干燥，制備出了尺寸均勻的木質(zhì)素納米顆粒，結(jié)果表明制備的木質(zhì)素納米顆粒的化學結(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化?？梢?，機械法制備的木質(zhì)素納米顆粒尺寸均一，化學結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不會發(fā)生變化。

1.2 納米沉淀法

納米沉淀法制備木質(zhì)素納米顆粒是依靠木質(zhì)素分子的兩親性（即羧基、羥基等親水官能團和苯環(huán)骨架的疏水結(jié)構(gòu)），在一定條件下自組裝成球形顆粒。常用的方法包括自組裝法、酸沉淀法，透析法。納米沉淀法具有效率高、易于規(guī)模化應用等特點。

1.2.1 自組裝法

自組裝法制備木質(zhì)素納米顆粒具有工藝簡單、尺寸穩(wěn)定可控等優(yōu)點，是木質(zhì)素納米顆粒的常用制備方法。Lievonen等人[20]介紹了一種直接從硫酸鹽木質(zhì)素中制備木質(zhì)素納米顆粒的方法，首先木質(zhì)素溶于四氫呋喃中，然后將木質(zhì)素-四氫呋喃溶液通過透析引入水分，得到了平均粒徑為200～500 nm之間球形木質(zhì)素納米顆粒。研究表明，在純水相和室溫條件下，納米粒子的穩(wěn)定性最好，可以保存2個月以上；pH值在4～12之間木質(zhì)素納米顆粒的粒徑不受影響，在低于500 mmol/L NaCl溶液分散穩(wěn)定，但鹽濃度過高會引起顆粒團聚。

Wang等人[21]采用微波乙酰化法對木質(zhì)素進行改性，隨后采用溶劑轉(zhuǎn)移聯(lián)合超聲法制備了木質(zhì)素納米顆粒（如圖2所示）。在溶劑轉(zhuǎn)移過程中伴隨超聲過程，通過π-π相互作用逐漸形成均勻的木質(zhì)素納米顆粒，并保留了木質(zhì)素的化學結(jié)構(gòu)完整性，在乙?；举|(zhì)素濃度為4 mg/mL且超聲強度為200 W的情況下，生成了最高產(chǎn)率為82.3%的木質(zhì)素納米顆粒，進一步將木質(zhì)素納米顆粒用于改善化學乳膏的防曬性能，同時粒徑越小，防曬性能越好。

圖2 木質(zhì)素納米顆粒的制備與應用示意圖[21]Fig.2 Schematic diagram of preparation and application of lignin nanoparticles[21]

Xing等人[22]將生物激發(fā)的黑色素與木質(zhì)素納米顆粒（LNPs）結(jié)合，形成1種具有較高相容性和耐久性的抗紫外木質(zhì)素-黑色素核殼納米粒子（LMNP）。實驗將堿木質(zhì)素溶解在丙酮和水中生成木質(zhì)素納米顆粒（LNPs），通過微孔膜過濾，除去不溶顆粒，將濾液迅速加入去離子水中，通過旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)除去丙酮，最后離心得到木質(zhì)素納米顆粒，利用木質(zhì)素納米顆粒與聚多巴胺外殼合成木質(zhì)素-黑色素核殼納米粒子，該粒子具有較好的熱穩(wěn)定性，制備流程如圖3所示。

圖3 木質(zhì)素納米顆粒和木質(zhì)素-黑色素核殼納米粒子制備示意圖[22]Fig.3 Schematic diagram of preparation of lignin nanoparticles and lignin-melanin core-shell nanoparticles[22]

Qian等人[23]將乙?；男缘膲A木質(zhì)素作為一種兩親聚合物通過自組裝法制備出了粒徑在80 nm左右的木質(zhì)素膠體球。結(jié)果表明，通過向堿木質(zhì)素-四氫呋喃溶液中連續(xù)添加水，誘導堿木質(zhì)素分子逐漸疏水聚集，獲得堿木質(zhì)素膠體球；當堿木質(zhì)素在四氫呋喃中的初始濃度為1.0 mg/mL時，增加水含量至44%（體積比）時開始形成膠體球，且在水含量為67%（體積比）時，膠體球不再增長（如圖4所示）。

圖4 四氫呋喃-水介質(zhì)中乙酰化堿木質(zhì)素膠體形成過程的示意圖以及不同含水量分散體樣品的TEM圖[23]Fig.4 Schematic diagram of the formation process of acetylated alkali lignin colloid in tetrahydrofuran-water medium and TEM im‐ages of the samples obtained from the dispersions with different water contents[23]

Dai等人[24]將玉米芯堿木質(zhì)素溶解于甲醇溶液，然后加入水，通過自組裝方法制備了球形且具有良好分散性的納米顆粒。研究發(fā)現(xiàn)，溶劑組成在木質(zhì)素基納米顆粒的形成中起著重要作用，在初始堿木質(zhì)素濃度為0.5 mg/mL、最終含水量為90%的甲醇中形成的木質(zhì)素納米顆粒粒徑約130 nm，分散均勻。隨后，將生物活性分子白藜蘆醇和Fe3O4磁性納米粒子負載在木質(zhì)素納米顆粒上，與游離藥物相比，木質(zhì)素-白藜蘆醇-Fe3O4納米粒子復合物極大地提高了白藜蘆醇的穩(wěn)定性和抗癌效果（如圖5所示）。在自組裝法制備木質(zhì)素納米顆粒的過程中，含水量對于木質(zhì)素納米顆粒的尺寸影響較大，因此需控制自組裝過程中水的滴加速度以及最后的含水量。

圖5 木質(zhì)素-白藜蘆醇-Fe3O4納米粒子復合物自組裝過程示意圖[24]Fig.5 Schematic diagram of the self-assembly process of lignin-resveratrol-Fe3O4 nanoparticle composite[24]

Lu等人[25]采用超臨界反溶劑法（以丙酮為溶劑，以超臨界二氧化碳為反溶劑）制備了納米級木質(zhì)素（144±30 nm）來提高木質(zhì)素的抗氧化活性。紅外光譜分析表明納米級木質(zhì)素無化學變化，其溶解度比非納米級木質(zhì)素提高12.4倍，木質(zhì)素的平均粒徑對其溶解度有較大影響。

Sipponen等人[26]以麥草堿木質(zhì)素為原料，以乙醇和水分別作為溶劑和反溶劑，揭示了木質(zhì)素納米顆粒的成核-生長機制。研究發(fā)現(xiàn)相對分子質(zhì)量大的木質(zhì)素在反溶劑滴定過程中首先成核，隨后相對分子質(zhì)量小的木質(zhì)素逐漸圍核生長，將消炎藥物（budesonide）成功負載在木質(zhì)素納米顆粒上（見圖6），可通過條件環(huán)境pH值可以控制藥物釋放。

圖6 乙醇-水體系中木質(zhì)素納米顆粒負載藥物的制備路線[26]Fig.6 Preparation route of lignin nanoparticles loaded drugs in ethanol-water system[26]

Liu等人[27]以玉米秸稈為原料，采用有機溶劑有序拆解的方式（以乙醇為溶劑，配合不同酸催化劑），分離獲得了具有不同物理化學結(jié)構(gòu)的木質(zhì)素，然后以水為反溶劑制備木質(zhì)素納米顆粒。研究發(fā)現(xiàn)乙醇硫酸分離的木質(zhì)素溶液所制備的木質(zhì)素納米顆粒具有良好的均勻性和穩(wěn)定性，（粒徑為130 nm、分散性指數(shù)0.08、Zeta電位50 mV），主要原因是所分離的木質(zhì)素相對分子質(zhì)量高、紫丁香基/愈創(chuàng)木基（S/G）比值低，形成了大量的縮合木質(zhì)素，疏水性增強；此外，木質(zhì)素酚羥基和羧基的存在通過雙電層作用穩(wěn)定了木質(zhì)素納米顆粒。Ma等人[28]首先采用乙醇溶液對木質(zhì)素分子進行分級（摩爾質(zhì)量依次為2320、4392、5089 g/mol），隨后采用水作為反溶劑制備木質(zhì)素納米顆粒（粒徑依次為139、43、21 nm）（見圖7），研究發(fā)現(xiàn)高相對分子質(zhì)量和低親水性基團含量的木質(zhì)素級分制備的木質(zhì)素納米顆粒粒徑小，這歸因于其較強的疏水性降低了木質(zhì)素的溶解性，從而更容易形成聚集體。

圖7 基于木質(zhì)素分級制備不同粒徑的木質(zhì)素納米顆粒[28]Fig.7 Preparation of lignin nanoparticles with different particle sizes based on lignin fractionation[28]

1.2.2 酸沉淀法

酸沉淀法是將木質(zhì)素溶解在某種有機溶劑或者強堿性水溶液中，通過降低溶液pH值，從而使木質(zhì)素分子以納米顆粒的形式析出。該方法操作簡單，對實驗環(huán)境要求低，是制備木質(zhì)素納米顆粒的重要方法之一，但該方法需要提前對木質(zhì)素進行修飾改性提高木質(zhì)素溶解性，從而更好的控制木質(zhì)素納米顆粒的形貌和尺寸[29]。

Frangville等人[30]以木質(zhì)素為原料制備了新型生物可降解納米顆粒，該納米顆粒對微藻類和酵母無毒。在研究中比較了兩種不同方法合成的木質(zhì)素納米顆粒的穩(wěn)定性隨pH的變化規(guī)律：第一種方法是使用稀釋的酸性水溶液從乙二醇溶液中沉淀出低磺化木質(zhì)素，然后經(jīng)透析除去乙二醇后得到穩(wěn)定的木質(zhì)素納米顆粒，顆粒在pH值為1～9的范圍內(nèi)非常穩(wěn)定（圖8(a)）；第二種方法是基于高pH值水溶液中木質(zhì)素的酸性沉淀，但這種水溶液只在低pH值（pH值＜5）時產(chǎn)生穩(wěn)定的木質(zhì)素納米顆粒（圖8(b)）。

圖8 木質(zhì)素納米顆粒的形成機理圖[30]Fig.8 Diagram of the formation mechanism of lignin nanoparticles[30]

Ma等人[31]以制漿黑液為原料，采用酸沉淀法制備了長期穩(wěn)定的木質(zhì)素納米顆粒，實驗過程首先將黑液加水稀釋10倍，在55℃下持續(xù)攪拌30 min，然后將H2SO4滴加到旋渦稀釋的黑液中，直到混合物的pH值分別達到2.8、3.8和4.8后，繼續(xù)攪拌30 min。制備出的木質(zhì)素納米顆粒在水介質(zhì)中具有良好的均勻性、分散性，且尺寸可控，可以保持長期穩(wěn)定性（在中性水介質(zhì)中90天無明顯粒徑增大和顆粒沉淀）（見圖9），通過核磁共振和離子色譜分析表明，與傳統(tǒng)溶劑交換法（乙醇/水）得到的木質(zhì)素納米顆粒相比，從黑液中制備的納米粒子具有更高的S/G比以及更高的半纖維素含量。穩(wěn)定性的提高是因為黑液中半纖維素含量豐富，親水性半纖維素涂層增加了納米顆粒的親水性并提供了空間位阻，從而防止了納米顆粒的聚集。酸沉淀法制備木質(zhì)素納米顆粒穩(wěn)定性較好，制備過程須嚴格控制工藝條件，以獲得均勻的木質(zhì)素納米顆粒。

圖9 超穩(wěn)定木質(zhì)素納米顆粒的制備過程[31]Fig.9 Preparation process of long-term stable lignin nanoparticles[31]

1.2.3 透析法

Chen等人[32]利用γ-戊內(nèi)酯（GVL）/水二元溶劑通過透析法制備木質(zhì)素納米顆粒（如圖10所示），產(chǎn)率最高可達90%，制備過程中可以控制木質(zhì)素納米顆粒的產(chǎn)率和粒徑。實驗中先將不同種類的木質(zhì)素溶解在GVL/水中得到飽和木質(zhì)素溶液，然后將飽和木質(zhì)素溶液與水進行溶劑交換后離心收集木質(zhì)素納米顆粒，結(jié)果表明所制備的木質(zhì)素納米顆粒具有良好的分散性和穩(wěn)定性，可作為良好的穩(wěn)定劑使用；最后通過將得到的上清液真空蒸發(fā)除去水來回收GVL。同時，GVL具有低毒性和可持續(xù)性，木質(zhì)素在GVL/水溶液中表現(xiàn)出極高的溶解性，使其成為一種理想的綠色溶劑[33]。

圖10 在GVL/水溶劑中制備木質(zhì)素納米顆粒的示意圖[32]Fig.10 Schematic diagram of preparation of lignin nanoparticles in GVL/water solvent[32]

Yang等人[34]以堿木質(zhì)素為原料，將其溶解于乙二醇中，然后采用不同酸（HCl、H2SO4和H3PO4）調(diào)節(jié)pH值，透析后調(diào)節(jié)pH值為7，最后進行超聲波處理后得到木質(zhì)素納米顆粒。結(jié)果表明，不同的酸性條件對其物理性質(zhì)有顯著影響，納米顆粒的平均直徑依賴于pH值的變化，且分布均勻，得到的木質(zhì)素納米顆粒的平均直徑分別為32.8（HCl，pH值2.5）、58.9（H2SO4，pH值2.9）和54.1 nm（H3PO4，pH值2.6）。進一步證實了木質(zhì)素納米顆粒具有良好的抗氧化和抗菌活性，這主要歸因于其高比表面積和納米球形結(jié)構(gòu)。

1.3 界面交聯(lián)與乳液法

Chen等人[35]通過界面微乳液聚合和交聯(lián)合成了具有pH響應的木質(zhì)素基納米膠囊。木質(zhì)素首先通過醚化與烯丙基接枝，然后通過超聲分散在水包油（O/W）微乳液體系中，基于硫醇的交聯(lián)劑反應，將烯丙基功能化的木質(zhì)素與微乳液通過硫醇-烯自由基反應形成納米膠囊（如圖11所示），紅外光譜和核磁共振氫譜表明木質(zhì)素上的烯丙基接枝成功，透射電鏡圖像顯示木質(zhì)素基納米膠囊的粒徑為50～300 nm。通過改變表面活性劑和共穩(wěn)定劑負載水平等工藝參數(shù)，可以調(diào)控納米膠囊的顆粒大小，木質(zhì)素基納米膠囊可以通過微乳液有效地封裝疏水性分子，這種新合成的木質(zhì)素基納米膠囊在藥物、染料和其他疏水性化合物（如精油、抗氧化劑）的包封和控釋方面具有潛在的應用價值。

圖11 界面微乳液交聯(lián)反應制備木質(zhì)素基納米膠囊[35]Fig.11 Preparation of lignin-based nanocapsules by cross-linking reaction of interfacial microemulsion[35]

1.4 生物法

Juikar等人[36]采用曲霉（aspergillus oryzae）產(chǎn)的木質(zhì)素降解酶處理棉桿硫酸鹽木質(zhì)素，制備出了木質(zhì)素納米顆粒，通過與高壓均質(zhì)和超聲波法制備的木質(zhì)素納米顆粒進行比較，發(fā)現(xiàn)生物法制得的木質(zhì)素納米顆粒得率為45.3%，低于高壓均質(zhì)（得率79.50%）和超聲波法（得率62.60%），將生物法木質(zhì)素納米顆粒應用于棉織物可實現(xiàn)對金葡球菌（Staphylococcus au‐reus）和肺炎桿菌（Klebsiella pneumonia）100%抗菌活性，以及增強的紫外吸收性和抗氧化性。

2 木質(zhì)素納米顆粒的應用

2.1 抗菌劑

木質(zhì)素中的酚類成分在其抗菌特性中起著重要作用，特別是其側(cè)鏈結(jié)構(gòu)及其官能團。通常，在酚類側(cè)鏈的α和β位置帶有雙鍵，在γ位置帶有甲基，使其表現(xiàn)出最強的抗菌功效[37]。Richter等人[38]將銀離子嵌入到木質(zhì)素納米顆粒（EbNPs）中，然后包覆聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDAC），形成了可生物降解的銀納米粒子替代品（EbNPs-Ag+-PDAC）。該替代品中銀用量低于傳統(tǒng)的1/10，PDAC層促進顆粒與細菌細胞膜的黏附，與對照樣相比顯示出更高的抗菌效率。Lintinen等人[39]依靠木質(zhì)素在有機溶劑中的去質(zhì)子化反應，隨后與硝酸銀進行離子交換并通過溶劑交換法制得羧酸銀木質(zhì)素納米顆粒（AgCLP）（見圖12），銀離子在生理性的酸性條件下緩慢釋放，表現(xiàn)出很高的抗菌功效。

圖12 去質(zhì)子化木質(zhì)素負載銀的納米顆粒的制備[39]Fig.12 Preparation of deprotonated lignin loaded silver nanoparticles[39]

2.2 抗氧化劑

木質(zhì)素中的復雜化學結(jié)構(gòu)和官能團可以通過供給氫來阻止氧化傳播反應。Ge等人[40]對堿沉淀法制備的木質(zhì)素納米顆粒進行了自由基清除活性的研究，觀察到木質(zhì)素納米顆粒由于具有較小的尺寸，較高的比表面積和生物利用度而顯示出更高的活性（增加3.3倍），從2，2-二苯基-1-苦肼基（DPPH）抗氧化實驗得出的結(jié)果表明，納米級木質(zhì)素的IC50值為（2.70±0.17）mg/mL，顯著優(yōu)于微米級木質(zhì)素的（32.21±0.1）mg/mL。

Tian等人[41]分別采用低共熔溶劑（DES）和乙醇溶解木質(zhì)素，通過自組裝法制備了兩種均勻木質(zhì)素納米顆粒。兩種木質(zhì)素納米顆粒均呈球形，其中DES木質(zhì)素納米顆粒的粒徑分布更加均勻，將木質(zhì)素納米顆粒引入到聚乙烯醇中制得透明薄膜（如圖13所示），該膜表現(xiàn)出優(yōu)異的抗紫外線和抗氧化能力，同時木質(zhì)素納米顆粒存在大量酚羥基，通過氫鍵網(wǎng)絡與聚乙烯醇基體形成良好的界面粘附，提高了制備木質(zhì)素納米顆粒/聚乙烯醇納米復合薄膜的機械性能和熱力學性能。

圖13 木質(zhì)素納米顆粒/聚乙烯醇的制備過程及應用[41]Fig.13 Preparation process and application of lignin nanoparticles/polyvinyl alcohol[41]

2.3 紫外線吸收劑

由于木質(zhì)素具有良好的抗氧化性，在防曬方面具有巨大的應用潛力。通過將木質(zhì)素納米顆粒與純?nèi)楦嗷旌?，制備了木質(zhì)素基防曬劑。純?nèi)楦嗟姆罆裣禂?shù)（SPF）值為1.03，而含有不同濃度木質(zhì)素納米顆粒乳膏的SPF值在1.26～2.23之間，隨著木質(zhì)素納米顆粒含量增加到5%，SPF值增加到2.23，且防曬霜性能與木質(zhì)素納米顆粒粒徑有直接關系，木質(zhì)素納米顆粒尺寸越小，防曬性能越好。木質(zhì)素納米顆粒防曬霜性能顯著提高的原因是納米顆粒制備過程中產(chǎn)生了木質(zhì)素共軛體系，該體系含有吸收紫外線的官能團（即甲氧基和S型和G型木質(zhì)素）[42]。

Qian等人[43]采用自組裝法制備了不同尺寸的木質(zhì)素納米顆粒，并與純護膚霜混合制得了木質(zhì)素類防曬霜。與原始木質(zhì)素相比，添加木質(zhì)素納米顆粒的乳霜具有更好的防曬性能，SPF值隨木質(zhì)素顆粒粒徑的減小而增大，含有10%木質(zhì)素納米顆粒防曬霜的SPF值要比原木質(zhì)素高67.7%。此外，酚羥基在木質(zhì)素抗曬過程中起重要作用，含有更多酚羥基的有機溶劑木質(zhì)素可制得SPF為15.03的防曬霜。

2.4 藥物運輸載體

藥物運輸載體會影響藥物吸收、分布、代謝、藥效持續(xù)時間、排泄和毒性。因此，選擇恰當?shù)妮d體材料至關重要，特別是天然、無毒材料。隨著木質(zhì)素化學、木質(zhì)素結(jié)構(gòu)、制備技術等方面的突破性進展，木質(zhì)素基藥物載體研究（木質(zhì)素和藥物混合制備納米粒子，木質(zhì)素納米顆粒穩(wěn)定藥物乳液，木質(zhì)素包裹藥物成藥片）得到了廣泛關注[44]。

Figueiredo等人[45]合成了3種不同類型的木質(zhì)素納米顆粒（LNPs）（pLNPs、Fe-LNPs和Fe3O4-LNPs），均具有形狀均勻、粒徑分布窄、多分散性低、穩(wěn)定性好等特點。木質(zhì)素納米顆粒在所有被測細胞中都表現(xiàn)出較低的細胞毒性，12 h后溶血率低于12%。在載藥方面，pLNPs表現(xiàn)出高效載藥能力（如水溶性差的藥物和其他細胞毒性藥物），同時，在pH值5.5～7.4的范圍內(nèi)可以持續(xù)增加索拉非尼和苯并唑苯（BZL）的釋放，增強其抗增殖作用。與純BZL相比，BZLpLNPs在不同細胞中的抗增殖作用增強，在24 h后顯示最大抑制濃度范圍為0.64至12.4μmol/L。Danti等人[46]將木質(zhì)素納米顆粒與甲殼素納米纖維復合后制備了微膠囊用于親水親油分子的捕獲，通過裝載生物活性分子甘草亭酸，成功應用于修復人體的角質(zhì)細胞和間充質(zhì)干細胞。Chen等人[47]以對苯磺酸鈉溶液為木質(zhì)素溶劑，以水為反溶劑通過自組裝過程制得了木質(zhì)素納米顆粒（粒徑范圍80～230 nm），發(fā)現(xiàn)對苯磺酸鈉溶液適用于多種不同來源木質(zhì)素（商業(yè)堿木質(zhì)素、預處理木質(zhì)素、酶解木質(zhì)素、硫酸鹽木質(zhì)素），所制得的木質(zhì)素納米顆?？梢杂糜谪撦d水溶性或水不溶性的藥物（負載率可達90%），同時表現(xiàn)出持久的藥物釋放能力和生物相容性。Li等人[48]用堿木質(zhì)素季銨鹽與磺酸鈉混合后在乙醇中溶解，通過加入水制備了木質(zhì)素納米顆粒，以布洛芬為藥物模型進行負載，研究發(fā)現(xiàn)74.44%以上的布洛芬能通過疏水作用被包裹，布洛芬的體外釋放行為呈pH依賴性，表現(xiàn)出可控釋放。在模擬胃液（SGF，pH值1.2）中可保存75%以上的布洛芬，在模擬腸液（SIF，pH值7.4）中可釋放90%以上的布洛芬。Dai等人[49]以工業(yè)木質(zhì)素為原料，通過原子轉(zhuǎn)移自由基聚合反應（ATRP）將聚N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAM）接枝到木質(zhì)素上，制備了具有熱響應性的木質(zhì)素共聚物，通過自組裝后形成納米顆粒（AL-g-PNIPAM NPs），該納米顆粒可以改善含反白藜蘆醇的棕櫚油乳液的穩(wěn)定性，且溫度和納米粒子粒徑可以很好的調(diào)控乳液性能和藥物釋放。

2.5 納米填料

相比微米級及以上尺寸的木質(zhì)素，木質(zhì)素納米顆粒具有更好的熱穩(wěn)定性，如更高的玻璃轉(zhuǎn)化溫度、結(jié)晶溫度、融化溫度，因此可以用作納米復合材料的天然填料[50]。Lintinen等人[51]研究了以四氫呋喃和乙醇為溶劑、以水為反溶劑的木質(zhì)素納米顆粒批量化、全封閉的制備流程，采用噴霧干燥的方式制備出干態(tài)木質(zhì)素納米顆粒，該顆粒具有良好的再分散性能，可以廣泛用于乳液分散和納米填料。

Jiang等人[52]通過自組裝技術制備了木質(zhì)素-陽離子聚丙烯酰胺復合體，結(jié)果表明，陽離子聚丙烯酰胺通過陽離子-π和π-π相互作用與木質(zhì)素發(fā)生強烈相互作用，使得平均粒徑小于100 nm。木質(zhì)素-陽離子聚電解質(zhì)復合體和橡膠通過共沉淀法制備了天然橡膠/木質(zhì)素納米復合材料，木質(zhì)素-陽離子聚丙烯酰胺復合體在天然橡膠基質(zhì)中分散均勻，具有較強的界面黏附性。木質(zhì)素-陽離子聚丙烯酰胺復合體的納米分散性顯著提高了天然橡膠/木質(zhì)素納米復合材料的熱穩(wěn)定性和力學性能，如圖14所示。

圖14 天然橡膠/木質(zhì)素納米復合材料合成示意圖[52]Fig.14 Schematic diagram of natural rubber/lignin nanocomposite synthesis[52]

Yang等人[53]用稀酸沉淀法制備了木質(zhì)素納米顆粒并用于面筋復合材料的增強，結(jié)果表明所制備的木質(zhì)素納米顆粒具有均勻的粒徑分布和良好的穩(wěn)定性，添加量在1%和3%時均能顯著改善面筋復合材料的力學性能和熱穩(wěn)定性，同時，由于木質(zhì)素的疏水特性，改善了復合材料的水敏感性。Yang等人[54]將木質(zhì)素納米顆粒填充于聚甲基丙烯酸甲酯混合，采用無溶劑自由基聚合、微擠出和熱壓過程制得了納米復合材料，結(jié)果表明，木質(zhì)素納米顆粒成功接枝到聚甲基丙烯酸甲酯分子上，材料的熱穩(wěn)定性、硬度、抗紫外性和耐磨性均得到提高。Chen等人[55]將有機溶劑（乙二醇）自組裝法制備的木質(zhì)素納米顆粒（平均粒徑為300 nm）用于納米木質(zhì)素基酚醛樹脂的制備，結(jié)果表明，當木質(zhì)素納米顆粒替代苯酚率達40%時，樹脂黏結(jié)強度達到1.30 MPa（國標的1.85倍），而甲醛逸出濃度僅為0.40 mg/L，且改善了樹脂的熱穩(wěn)定性（800℃下的殘渣率為45%，高于對照樣的40%），降低了固化溫度（145℃，低于對照樣的186℃）。

Gan等人[56]基于銀-木質(zhì)素納米顆粒引發(fā)的動態(tài)氧化還原兒茶酚化學反應，在室溫環(huán)境下聚合丙烯酸單體，開發(fā)了超韌、抗菌的粘附水凝膠（伸長率達27倍以上，壓縮率可達90%），通過水凝膠系統(tǒng)內(nèi)持續(xù)產(chǎn)生兒茶酚基團，使水凝膠的黏附性能持久且可重復使用（超過30次）。同時，銀-木質(zhì)素納米顆粒的抑菌性能使得水凝膠具有高的抗菌活性。Zhang等人[57]將木質(zhì)素納米顆?；烊刖垡蚁┐蓟|(zhì)中制備出了納米復合薄膜，顯著改善了膜的強度性能，如韌性達172 J/g，抗拉強度98.2 MPa，裂斷應變282%。同時，膜還具有優(yōu)異的防紫外線性能和良好的熱穩(wěn)定性，Lu等人[58]利用木質(zhì)素納米顆粒作為動態(tài)交聯(lián)劑制備出了具有熱敏性和pH響應性的纖維素納米纖絲（CNF）增強水凝膠。水凝膠的彈性模量和黏性模量可調(diào)（pH值從4增加到7，模量提高；pH值從7增加到9，模量降低），水凝膠對溫度有響應性，在26.4℃時凝膠化。

2.6 催化和傳感

張清桐等人[59]以蔗渣黑液木質(zhì)素為原料，采用反溶劑法制備了粒徑在200 nm左右的木質(zhì)素納米顆粒，將其作為制備銀納米粒子為還原劑和穩(wěn)定劑，在太陽光的催化作用下（木質(zhì)素納米顆粒濃度100 g/L，光照時間10 min，光照強度900 W/m2）成功制得了粒徑為15.3 nm的銀納米粒子。

Wang等人[60]以木質(zhì)素磺酸鹽為分散劑，在過硫酸銨引發(fā)下實現(xiàn)了PEDOT（聚3,4-乙烯二氧噻吩）在木質(zhì)素顆粒上的原位生長，然后將其作為導電介質(zhì)引入聚丙烯酸凝膠體系中，以水和甘油組成的二元溶劑體系為分散介質(zhì)，制得了水凝膠傳感材料（見圖15），該材料的應變系數(shù)可達7，同時，具有抗冰凍的特性，能夠應用測定脈搏、聲音、心電圖和肌電圖，該水凝膠還具有良好的生物相容性和安全性。

圖15 基于PEDOT-木質(zhì)素的水凝膠傳感器[60]Fig.15 Hydrogel sensor based on PEDOT-lignin[60]

3 結(jié)語與展望

木質(zhì)素納米顆粒具有納米尺寸、生物相容性好、抗菌性、抗紫外等特點，在材料、化學品、能源等領域具有強大的應用潛力。本文重點介紹了木質(zhì)素納米顆粒的機械法、納米沉淀法、界面交聯(lián)與乳液法和生物法制備技術，以及木質(zhì)素納米顆粒在抗菌劑、抗氧化劑、紫外線吸收劑、藥物運輸載體、納米填料、催化和傳感等方面的應用，為木質(zhì)素的高值化利用提供了更多的選擇。木質(zhì)素納米顆粒未來的發(fā)展預期主要集中在以下幾方面：①穩(wěn)定木質(zhì)素納米顆粒的可控制備；②木質(zhì)素納米顆粒制備技術的綠色化；③木質(zhì)素納米顆粒在高端材料中的應用，如生物醫(yī)藥、智能材料等領域。