【文献解读】Green Chemistry综述：先进、多功能木质素基生物降解复合膜材料助力可持续发展

背景介绍

不可降解塑料的过度使用致使环境污染和生态问题日益严重，这也促进了可生物降解和可再生替代材料的发展。木质素作为自然界中最丰富的芳香族聚合物，具有良好的生物降解性、生物相容性和环境友好性，在制备各种功能性和可持续的先进复合材料方面具有巨大潜力。同时，木质素基材料的开发和应用也为生物质资源的高值转化和可降解材料的发展提供重要借鉴。近年来，木质素基生物降解膜材料在基础研究和实际应用方面得到广泛关注，并取得了一系列重大科研成果。

基于此，北京林业大学袁同琦教授和大连工业大学孙润仓教授课题组，对近年来木质素基可生物降解复合膜材料的制备和应用等内容进行了综述。作者从可持续发展的角度，综述了木质素基可降解膜材料的制备及其先进应用的最新进展。

作者首先介绍了木质素的基础化学结构和功能特性；针对木质素与纤维素、天然大分子、合成可降解聚合物和多种先进材料等体系，对复合膜材料的构筑策略进行了总结；最后从木质素基复合膜材料在传感和响应材料、能源储存材料、包装和生物医学材料等领域的应用和开发对进行了系统地总结和展望。

图文解读

1.木质素:一种天然芳香型聚合物

绝大多数木质纤维素主要是由纤维素、半纤维素和木质素三种聚合物组成，其中，纤维素被半纤维素和木质素紧密包裹形成坚硬的细胞壁结构（图3a）。木质素是自然界中储量最为丰富的天然芳香型聚合物，主要由三种典型结构单元（S、G和H）通过复杂连接键交联形成异质的大分子结构（图3a）。近些年来，随着木质素化学理论的发展和先进表征技术的升级革新，木质素中一些非典型的结构单元和独特的化学结构也被陆续发现（图3b），这为后续木质素的针对性转化利用提供了重要的理论参考。

此外，基于前期的研究和探索，作者对木质素的分离和提取方法进行了系统地介绍。基于木质素的分离形式，其方法主要分为两种：一种是木质素通过不同的溶剂和溶液从木质纤维原料中提取得到，这也是目前木质纤维素化学研究中木质素的主要分离方法；另一种是木质素在碳水化合物降解或溶解后的以残渣形式得到，例如Klason木质素和酶解残渣木质素。

图3.木质纤维原料中纤维素、半纤维素和木质素的逐级结构图以及不同来源木质素的多种结构单元

2.木质素基可降解膜材料

由于木质素大分子的生物降解性和生物相容性，近年来发展了各种环境友好的木质素基复合膜构筑体系，如木材结构启发的复合体系、木质素/天然聚合物体系、木质素/合成聚合物体系等，它们通过不同的交联方法（物理交联、化学交联等）和加工策略（热压、共混、溶剂浇铸、旋涂等）可以制备各种生物可降解的膜材料。

图4列出了一些基于原始木质纤维原料结构特点制备各种木质素基复合膜材料的新型策略和不同材料特性。其中，木质素的引入赋予复合膜材料优异的力学性能和功能特性。受到木质素在木质纤维原料中重要结构作用的启发，这一体系复合材料的开发利用具有极大地发展潜力和推广可行性，例如替代不可降解塑料制品。

图4.木质纤维原料结构启发制备多种性能优异的木质素基复合膜材料

同时，木质素可与多种天然大分子聚合物制备性能理想的复合膜材料（图6），基于两者的天然可再生性，该系列复合膜材料的开发也具有重要的应用前景，例如作为食品领域的包装材料。

图6.木质素与甲壳素、明胶和玉米蛋白制备不同复合膜材料

木质素可与合成的可降解聚合物、塑料等通过物理或化学交联的方式制备高性能的复合膜材料，其有望用于电化学、抗菌和抗紫外等领域。值得注意的是，木质素对石油基可降解聚合物的有效替代可显著降低材料的生产成本，并提高其经济和环保效益。

图7.木质素与PVA、PLA等可降解塑料制备复合膜材料

除了上面提到的天然和合成聚合物，木质素还可以与一些无机或二维材料借助先进制造技术（如静电纺丝、自组装）生产一些高性能的复合膜材料，为能源储存和智能响应材料等领域提供重要的替代材料等。

图8.木质素基复合膜材料在碳材料、能源储存材料和智能响应等材料方面的制备

3.木质素基可降解膜材料的应用

随着柔性、可穿戴或便携式电子和传感器件使用量的迅速增长，绿色和可再生的生物质基聚合物在构建健康监测系统、人机交互和物理信息监测等功能材料方面，发挥着越来越重要的作用。

近年来，木质素基膜材料不仅展现出高的延展性和可加工性，而且具有优异的灵敏度和响应性，目前也已被开发为智能材料系统的柔性传感器和刺激响应器件，例如木质素基湿度传感器和pH响应材料等（图9）。得益于木质素大分子独特化学结构，木质素基膜材料也可用于制备能源储存材料等，例如木质素基电极材料和隔膜材料等（图10）。

图9.木质素基膜材料制备不同的智能响应材料

图10.木质素基膜材料用于电极材料、隔膜材料和基底材料

木质素具有的独特结构特点和功能特性，使得木质素基膜材料具有紫外屏蔽性能、抗菌和抗氧化等特性，有利于其用作功能性包装材料或生物医学中的抗菌材料等（图11）。

图11.木质素基膜材料可用于环保型包装材料和生物医学材料

结论

鉴于当前不可降解的塑料垃圾所引发的严重的环境生态危机，以及可持续发展的生态理念的推广，使用新型绿色材料来替代不可降解塑料的需求迫在眉睫。可再生生物质资源的生物可降解性和独特功能特性，使其在构建各种生态环保和功能性材料方面的优势日益突显。木质素在制备生物可降解材料方面具有显著优势，近年来，一系列木质素基可生物降解复合材料和膜材料被开发出来，对木质素基膜材料的系统和深入了解，将有利于生物可降解材料的开发和生态的可持续发展。本文从木质素的基础化学和复合膜构筑体系等方面，系统地综述了木质素基可生物降解复合膜材料的制备策略和先进应用，基于目前木质素基膜材料的现状对其未来的发展方向进行了展望，这将为木质素基材料的开发和利用提供重要的借鉴和参考。

原文链接：

https://doi.org/10.1039/D1GC00790D

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