湖北工大冯清华/武大陈朝吉 Prog. Mater. Sci. 综述：木质素/多糖复合材料 - 造就多功能生物基材料的天作之合

2024-11-04 来源：高分子科技

近期，湖北工业大学冯清华副教授团队/武汉大学陈朝吉教授团队合作，在材料科学顶级综述期刊《Progress in Materials Science》上以“Lignin/polysaccharide composite: A nature-made match toward multifunctional bio-based materials”为题发表长篇综述论文（Prog. Mater. Sci. 148, 2025, 101383），详细讨论了木质素/多糖复合材料的构建策略、特性、潜在应用、现有挑战和未来机遇。冯清华副教授、陈朝吉教授为共同通讯作者，湖北工业大学硕士研究生余诗旭（现北京林业大学博士研究生）和武汉大学博士研究生陈露为共同第一作者。

植物的演化过程中，木质素与多糖形成了令人惊叹的天然协同关系。这一组合不仅加强了植物在恶劣环境中的适应能力，还为生物基材料的研究提供了宝贵的蓝图。木质素通过赋予结构疏水性、抗紫外线性能和环境稳定性，弥补了多糖在稳定性上的不足，为植物的生存与进化带来了重大支持。基于这一自然范式，人类正积极探索人工木质素/多糖复合材料（LPCs）的开发与应用，力求利用这种自然赋予的特性，构建适用于未来满足环保需求的多功能生物基材料（图1）。

图1. 全文摘要

图2. 木质素的功能和应用

木质素是一种复杂的天然芳香族大分子，约4.5亿年前随陆地植物的出现而进化，并逐渐与多糖形成稳定的三维木质纤维复合结构。这一结构赋予了植物细胞壁韧性、抗菌性和防水性能，为植物的生长提供了稳定的基础，为生命进化打下了坚实的基础。早在公元105年，蔡伦发明造纸术时期，人类社会就和木质素开始接触，但当时人类社会还不具备研究木质素的能力。随着社会的进步，人类开始充分利用植物资源（如木材、农作物等），同时对木质素的研究也逐渐深入，开发了多种木质素分离方法，如碱法、亚硫酸盐法和有机溶剂法。然而，分离得到的木质素长期被认为是工业副产品，使其多数用于燃烧发电。这种利用木质素剩余价值的方法不仅低效，还容易造成环境污染。近年来，得益于木质素分离和复合材料构建技术的进步，木质素的潜力逐渐显现。木质素展现的防水性、紫外屏蔽性、黏合性、抗菌性、抗氧化性、吸附性、阻燃性及其自组装的能力，使其在生物化学品、生物医学、功能复合材料等领域发挥着越来越重要的作用（图2）。

图3. 多糖的局限性

另一方面，多糖作为丰富且可再生的资源，近年来也成为学术界和工业界关注的焦点。由于其成本低、可再生和轻质的特性，多糖材料已被广泛应用于功能薄膜、吸附剂、生物医学工程、绿色电子器件和生物传感器等多个领域。然而，多糖在实际应用中长期面临着一些关键限制，如其对水分、紫外线和微生物十分敏感，严重限制了多糖材料的耐久性和适用性（图3）。恰到好处的是，木质素可以作为一种有效的天然改性剂，克服多糖在苛刻环境条件下使用受限的问题。木质素的共轭结构和巨大的碳骨架，使其具备天然的抗紫外线和防水能力，能够弥补多糖基材料的不足，这也正如他们在植物中所体现的协同功能。更重要的是，这些原料都是天然可持续的生物质资源，将他们复合达到增强材料功能性和耐用性目的的同时，也能尽量减少对他们自身可持续性的损害。

图4. LPCs的构建策略

在该研究背景下，研究人员开始探索如何将木质素与多糖相结合，以弥补多糖材料的不足。基于自然界中木质素与多糖结合的范例，科学家们通过物理、化学、热解等手段，构建了一系列LPCs，试图复制并强化这种天然的协同关系（图4）。LPCs包含了如木质素/纤维素、木质素/壳聚糖、木质素/淀粉、木质素/海藻酸盐、木质素/琼脂糖及木质素/角叉菜胶等多种组合。木质素的疏水、抗紫外线、抗菌和抗氧化等能力使其能够在复合材料中提供增强效果，而多糖的成形能力、柔韧性和生物相容性也能在一定程度上改善木质素的加工性。这种天然的协同作用，使LPCs成为理想的高性能、多功能的生物基复合材料，在石油基塑料替代、电子产品、光管理、生物工程、能源存储和环境修复以及其他领域都展现了巨大的应用潜力（图5）。

图5. LPCs的应用

随着绿色环保理念的普及和可持续发展的需求日益迫切，开发能够满足社会需求的可持续材料已变得至关重要。在日益关注环境问题的时代下，LPCs的研究将继续深化，成为下一代生物基材料的重要方向之一。基于天然植物演化的构筑策略，LPCs不仅在性能上独具优势，还在环境友好性上引领了材料科学的新潮流。科学家们致力于通过更加深入的研究，进一步优化木质素和多糖的复合策略，以解决LPCs现存的一些挑战，把握未来发展的机遇（图6）。期待随着技术的进步，LPCs能成为环境友好型材料的重要组成部分，为人类的可持续发展贡献力量。

图6. LPCs面临的现存挑战和未来机遇

综述中，作者系统地介绍了木质素研究的历程、天然多糖基材料的发展及局限、LPCs的功能和应用，并展望未来的研究方向。他们详尽分析了木质素的化学结构、分离技术、特性及多种应用，总结了木质素作为功能改性组分的优势，并深入探讨了LPCs在石油基塑料替代、电子器件、光管理、生物工程、能源存储和环境修复等多个领域的应用。最终，作者还指出了当前技术和科学的挑战，并提出可能的解决方案和未来研究方向。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2024.101383

通讯作者介绍：

陈朝吉，武汉大学资源与环境科学学院教授、博士生导师。2015年博士毕业于华中科技大学，2015-2021年分别于华中科技大学与马里兰大学帕克分校从事博士后研究，并于2021年5月入职武汉大学资环学院组建X-Biomass课题组。从事生物质材料（木材、竹材、纤维素、甲壳素等）的多尺度结构设计、功能化及高值利用方面的研究，致力于以天然材料解决可持续发展面临的材料-能源-环境挑战。以第一/通讯作者（含同等贡献）在Nature (2篇)、Science、Nature Reviews Materials、Nature Sustainability (2篇)、Nature Communications (5篇)等国内外著名学术期刊上发表SCI论文100余篇，总引用31,500余次，H因子96，44篇论文入选ESI高被引论文，13篇（曾）入选热点论文。获科睿唯安“全球高被引科学家”（2021-2023连续三年入选材料科学领域）、斯坦福大学“全球前2%高被引科学家”终身影响力榜单、麻省理工科技评论亚太区“35岁以下科技创新35人”、“ACS KINGFA Young Investigator Award”、“中国化学会纤维素专业委员会青年学者奖”、阿里巴巴达摩院“青橙优秀入围奖”、“Advanced Science青年科学家创新奖”、“中国新锐科技人物卓越影响奖”、“R&D 100 Awards”等荣誉。担任The Innovation Materials联合创刊人及学术编辑，The Innovation、SusMat、Environmental Science & Ecotechnology、Batteries、Molecules等杂志编委/青年编委，以及中国化学会纤维素专业委员会委员。

课题组网站链接：https://biomass.whu.edu.cn/index.htm

冯清华，湖北工业大学材料与化学工程学院副教授。2012年获华南理工大学博士学位，2012年加入湖北工业大学，于2015年3月在武汉大学天然高分子与高分子物理实验室从事博士后研究工作。从事生物质基材料和特种纸的研究，主要集中在纤维素、木质素基材料、云母和芳纶纸基绝缘材料。近年来，在Progress in Materials Science、Research、Biomacromolecules等主流期刊上发表了多篇论文。

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（责任编辑：xu）

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