随着能源消耗加剧，人们越来越把目光聚焦在可再生能源上。木质素是自然界中第二大天然可再生聚合物，其结构复杂、来源多样，且不具备单一重复单元，导致其颗粒大、形态不规则、分散性差，限制了其在高附加值材料中的应用。

近年来，研究发现木质素可通过自组装等方式形成木质素纳米颗粒（LNPs）。LNPs不仅保留了木质素的天然特性，如抗氧化、抗紫外、抗菌等，还具备纳米材料特有的小尺寸、大比表面积、高表面活性和良好生物相容性，展现出在农业、医药、食品、化妆品等领域的巨大应用潜力。

分子结构对LNPs理化性质的影响

木质素的分子结构对LNPs的粒径、形状和表面电荷有着重要的影响，进而影响LNPs的应用性能。

木质素分子模型与3种木质素单体及其基本结构单元

一、对LNPs形态的影响

木质素的分子质量量、酚羟基和脂肪族羟基数量等是影响LNPs形态（粒径、形状、聚集状态）的关键：

（1）分子质量：随着分子质量的增加，LNPs的粒径减小；高分子质量的木质素分子容易形成聚集体，而低分子质量的木质素则倾向于呈现单分散形态。

（2）酚羟基数量：酚羟基的减少会影响木质素在纳米沉淀过程中的成核，导致LNPs的粒径减小；反之，酚化程度越高（即酚羟基越多），制得的纳米颗粒呈均匀分散的球形，粒径较大且分布窄。

（3）脂肪族羟基数量的影响：随着脂肪族羟基数量的增加，LNPs的粒径减小；脂肪族羟基与酚羟基的比值越小，LNPs聚集度越低。

（4）综合效应：LNPs的平均尺寸与木质素的基本结构单元类型具有一定相关性。

可通过不同化学处理或改性手段调控初始木质素的结构，提升LNPs的可控性和稳定性，有利于其后续开发。

二、理化特性与应用优势

LNPs的化学结构、形态（粒径、形状）和表面电荷等是决定其潜在应用的重要因素。

相容性与机械性能：粒径均匀的LNPs能改善界面相容性，提高复合材料的机械性能；

抗氧化活性：LNPs表面酚羟基赋予显著抗氧化能力，适用于制药、化妆品和食品加工；

两亲性与稳定性：LNPs的两亲性和表面电荷性质使其能稳定油水乳液，兼具高抗氧化和紫外屏蔽性能；

生物相容性：LNPs无毒无害、生物降解能力强、性质稳定且价格低廉，小尺寸颗粒细胞毒性更低，在药物递送中优势明显。

制备方法

一、纳米沉淀法

纳米沉淀法包括自组装法、透析法、碱溶酸沉法等，其原理是利用木质素分子的两亲性在两种或多种溶液混合条件下，形成球状纳米颗粒。

1、自组装法

由于木质素的两亲性，木质素的疏水部分（如苯丙烷结构）在水中自组装成木质素纳米颗粒的核心，而亲水部分（如羟基和羧基）转向表面，进而自组装形成木质素纳米颗粒的外壳。这种方法的机理涉及分子间非共价相互作用，如静电、氢键、疏水和粒子间的范德华相互作用。自组装法制备LNPs具有成本低、操作便捷等优点，却难以实现对有机溶剂的回收或再利用。

自组装法制备LNPs原理示意图

2、透析法

透析法原理是通过半透膜或缓冲液，将小分子与生物大分子相互分离。透析过程中，水逐渐增加，而能够溶解木质素的溶剂逐渐减少，导致木质素分子在水中聚集，逐步形成木质素纳米颗粒。透析法制备LNPs具有混合性能好、抗溶剂成本较低等优点，但透析袋成本偏高。

3、碱溶酸沉法

碱溶酸沉法将木质素溶于碱性溶液中，然后加入酸性溶液，通过降低溶液pH值，从而使木质素以纳米沉淀的形式析出。木质素对碱溶液的溶解性较好，但溶剂消耗量较高。

二、界面聚合/交联法

界面聚合/交联法是在２种互不相容但分别溶于２种带不同活性基团的单体或聚合物的溶液的界面上发生的聚合/交联反应。木质素大分子既有亲水基团又有疏水基团，这为它优良的聚合性能提供了基础。此法制备的LNPs溶解性好，但某些聚合/交联剂的成本高且毒性大。

几种常见制备方法示意图

三、机械法

主要是通过均质机对木质素进行剪切，以及利用超声波在超声能量作用下破坏木质素分子键。机械法基本不涉及到化学反应，具有操作简单、便捷和对环境无害等优势，但该方法制备的纳米颗粒存在分布不均、分散性差、结构稳定性差和对超声过程中的条件过于依赖等问题。

使用高剪切均质机制备LNPs

四、生物法

生物法的原理是通过培养特定的微生物，对木质素进行降解。尽管生物法制备LNPs产率较低，但其产生的化学副产物远低于纳米沉淀法、交联法等化学方法，符合绿色环保的理念，具有良好的发展前景。

不同方法制备的LNPs差异

应用前景

木质素纳米颗粒（LNPs）凭借其绿色环保、成本低廉及生物相容性好等优势，在多个领域具有广阔的应用前景。

一、增强复合材料

木质素可以在纤维素或其他高分子网络间充当黏合剂与填充剂，还可以与可生物降解聚合物开发复合材料。例如，与纤维素制备可再生膜替代塑料；与聚乙烯醇复合制得薄膜，兼具热稳定性、抗菌性和紫外吸收，适用于生物医学和食品包装；还可替代橡胶中的炭黑增强剂。

酚化LNPs/CNF复合薄膜氢键强化效应示意图

二、紫外屏蔽

利用木质素中的共轭体系及酚羟基等官能团，可实现对不同波段紫外线的全波段防护，未来可用于制作紫外屏蔽复合膜、水凝胶、防晒霜等。

LNPs制备防晒霜

三、医药领域

LNPs可通过破坏细胞膜和细胞壁以抗菌；LNPs毒性低、生物相容性好，可用于药物递送、生产微胶粒或胶囊、水凝胶及组织修复等生物医学应用。

LNPs产生的示意图（其水溶性或不溶性药物包封效率可达90%）

LNPs在其他领域的应用也备受关注，包括用作絮凝剂、染料去除剂、食品包装和农药缓释材料等。

小结

木质素纳米颗粒因其天然来源、优异性能和纳米结构特性，成为绿色材料领域的研究热点。通过调控木质素的分子结构，可有效控制其粒径、形态与表面性质，从而优化其在复合材料、药物递送、日化产品等领域的应用表现。当前制备方法各具优劣，未来研究应聚焦于结构-性能关系的深入解析、制备工艺的绿色化与规模化，以及多功能应用的拓展。木质素纳米颗粒有望成为连接可再生资源与高附加值材料的重要桥梁。

参考文献：

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[4]卢富源.基于两性木质素自组装的纳米载体及其对药物的负载与缓释作用[D].齐鲁工业大学.

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