木質素基控釋材料及其在藥物輸送和肥料控釋中的應用

關紅玲，楊輝，井紅權，劉玉瓊，谷守玉，王好斌，侯翠紅

（鄭州大學化工學院，國家鈣鎂磷復合肥技術研究推廣中心，教育部先進功能材料制造工程研究中心，河南 鄭州 450001）

化石燃料過度使用所導致的氣候變化和能源危機問題日益嚴重，使可再生資源的需求大大增加。木質纖維素作為地球上最豐富的可再生有機碳來源和可再生資源的典型代表，憑借其良好的生物相容性和可降解特性在多個領域受到了廣泛關注和研究，其資源有效開發和高值利用也成為了重點研究對象[1-3]。

木質纖維素主要由纖維素（占干物質重的30%～50%）、半纖維素（占干物質重的20%～40%）及木質素（占干物質重的15%～25%）三部分構成[4]。其中，纖維素和半纖維素已實現工業開發并大規模應用于制漿造紙、制糖和生物乙醇燃料等生物質精煉過程中[1]，這些工業過程會產生大量木質素副產品。目前，僅制漿造紙工業每年就產生大約5000萬噸的木質素副產品[2]。隨著纖維素生物質開發利用工業的發展，木質素的產量將持續增長。大部分木質素副產品作為工業廢棄物處理被直接焚燒，僅有2%的工業木質素用于制造添加劑、分散劑、膠黏劑和表面活性劑等高附加值產品[5]，造成嚴重的資源浪費和環境污染。作為儲量僅次于纖維素的第二大生物質資源和少有的芳香族可再生資源之一，木質素資源開發和高值利用，不僅能減少直接焚燒造成的環境污染，而且能變廢為寶，對于實現生物質資源的全鏈條應用、提升生物質資源開發應用的可行性、可持續性和經濟性具有重要意義。

近年來，木質素生物質材料的可降解性、生物相容性和環境友好性，使其在包括生物醫藥和綠色可持續性農業在內的諸多領域受到了廣泛的關注。木質素基控釋材料的設計開發和應用作為木質素資源高值利用的有效途徑，在藥物[6-8]、肥料[9-11]、農藥[12-13]、染料[14]、精油[15-16]等產品的智能控釋領域中具有重要應用，并且不同產品控釋體系的材料設計和控釋機理研究存在可供相互借鑒的成果和共性問題。其中，藥物輸送領域的研究起步較早，基礎研究成果積淀豐富，對于木質素基控釋材料的結構調控[17-20]、載藥量提升[21-23]和控釋機理的闡釋[7-8]都有較好的基礎積累，可以為其他產品體系的開發應用研究提供借鑒。肥料作為糧食的“糧食”，支撐了農業生產，也關系著糧食安全、資源安全、環境安全、社會穩定等國計民生重大領域。但是目前肥料產業仍以市場單一驅動的生產與發展方式為主，產品設計開發缺乏科學性，肥料養分利用率低，引發嚴重的資源浪費和環境污染，在節能、環保、高效、綠色的農業可持續發展背景下，以肥料養分綠色、智能、高效、可控釋為主要內容的綠色智能肥料已成為肥料行業轉型與產業變革的重大需求和引領性方向[24-25]。木質素作為環境友好型的綠色有機肥原料和天然脲酶抑制劑，在緩控釋肥料領域也有較好的應用基礎[9-11]?；谏鲜隹紤]，本文選擇藥物輸送和肥料控釋這兩個對于生物醫藥的安全有效性和現代農業的綠色可持續性均具有重要現實意義的領域作為典型代表進行木質素基控釋材料設計開發及應用的論述。本文從木質素的結構特點和可降解性、生物相容性、抗菌性、抗氧化、抗癌性和反應活性等特性出發，系統論述了木質素基材料在藥物輸送和肥料控釋中的應用基礎、研究進展、存在的挑戰以及未來值得關注的研究方向，以期為環境友好型藥物給送和綠色智能肥料控釋體系的構建，以及木質素基控釋材料的設計開發和資源化利用，提供借鑒和參考。

1 木質素結構特征

木質素大量存在于植物的木質部中，是植物以及藻類支持組織的重要組成成分，以較高的硬度來支撐植株的重量，與纖維素和半纖維素共同組成了植物纖維的骨架。

作為一種可再生的天然芳香類高分子聚合物，木質素是由圖1所示的3種苯丙烷單元通過碳碳單鍵和醚鍵相互連接形成的具有三維網狀結構的生物高分子。盡管分子結構中豐富的芳環結構、醇羥基、酚羥基、甲氧基等活性官能團和作為生物質資源的來源廣泛、可降解、環境友好的特點引起了廣泛的關注和研究興趣，但是復雜的網狀結構以及各種化學鍵之間的相互作用，使木質素極難解聚，嚴重阻礙了木質素的開發利用進程。木質素副產物的有效利用成為當前植物纖維資源全組分高效利用的短板，也是制約木質纖維素生物質資源開發利用經濟循環性和可持續性的重要因素[1-3]。

圖1 木質素的結構單元 [26]

工業木質素主要是通過天然木質纖維素生物質資源中木質素與纖維素半纖維素分離得來。按處理及分離方法不同，可以分為堿木質素、木質素磺酸鹽、有機溶劑木質素、硫酸鹽木質素。

堿木質素來源于堿法制漿。制漿工藝中，在高溫以及強堿的條件下使原料中的木質素引入大量酚羥基，變成酚氧離子后溶解于強堿性溶液，因此將木質素有效分離和去除，得到堿木質素[26]。木質素在變成酚氧離子的同時基本單元之間的醚鍵發生斷裂，大分子木質素降解成小分子，堿木質素的純度高，分子量較?。?00～3000g/mol）[27-28]。

木質素磺酸鹽是亞硫酸鹽法制漿的副產物。原料中的木質素在高溫條件下與亞硫酸鹽發生反應，同時基本單元連接鍵發生斷裂，產生水溶性的木質素磺酸鹽，通過溶解在水中的方式分離。木質素磺酸鹽具有疏水的苯環、烷基鏈結構以及羧基、酚羥基、磺酸根等親水性官能團[26]，木質素磺酸鹽由大量的硫組成，以磺酸基的形式存在于脂肪族側鏈上[29]。木質素磺酸鹽分子量非常高（15000～50000g/mol），具有廣泛的多分散指數[28]。

有機溶劑木質素是利用甲醇、甲酸、丙酮、乙醇、乙醇/水等溶劑從植物中萃取得到的。有機溶劑萃取分離效率較高，得到的木質素純度高、分子量低（500～5000g/mol）且疏水性較好，具有高附加值應用潛力[28]。

硫酸鹽木質素是將木材或非木材材料轉化為制漿和黑液，然后酸化提取木質素。硫酸鹽分子量也相對較低（1500～5000g/mol）[28]。

木質素特有的高度芳環化特性和豐富的官能團種類，賦予了木質素一定的紫外線吸收、抗菌、抗氧化等性能[29-31]，使其在生物醫藥和農業生產中受到了廣泛的關注和研究。木質素的來源種類繁多，不同種類的木質素分子中官能團類型及相對含量不同，使其表現出不同的性質。其中，抗菌作用主要與酚羥基和甲氧基有關[29]。硫酸鹽木質素、磺酸鹽木質素、有機溶劑木質素、堿木質素等均具有抗菌性能，其中堿木質素的抗菌性能研究較少[31]。游離酚羥基對木質素的抗氧化活性至關重要，脂肪羥基含量與木質素的抗氧化活性呈負相關。高分子量、異質性和多分散性是降低自由基清除活性的因素，木質素磺酸鹽分子量最高，抗氧化活性最低[32]。

分離提取出的木質素，通過磺甲基化、胺化、氧化、還原、磺化、硝化和烷基化等改性方式調整木質素兩親性可以實現與藥物、肥料、農藥等產品的有效復合[33]，作為這些產品的輔助成分或者輸送載體，以達到提質增效或智能控釋的目的[6-11]。

2 木質素基控釋材料及其應用

2.1 木質素在智能給藥系統中的應用

2.1.1 木質素在藥物給送中的應用基礎

木質素結構中的羥基官能團能夠中和具有致癌、突變和細胞毒性的活性自由基，保護生物分子免受氧化，并表現出一定的抗癌效果。早在1998年，國立臺灣大學[34]報道了膳食纖維對結腸癌的防御作用可能與膳食纖維中木質素的含量和木質素捕獲自由基的能力有關。Barapatre等[35]也報道了木材中提取的木質素具有良好的清除一氧化氮自由基、羥基自由基和超氧自由基的能力，并且可以選擇性地毒化癌變細胞，能夠作為天然抗氧化劑和抗癌劑。Figueiredo 等[36]比較了木質素納米粒子修飾對于抗癌藥物苯并咪唑抑制乳腺癌細胞生長作用的影響，發現木質素修飾苯并咪唑可以將癌細胞存活率從90%降低到0，而未加入木質素的苯并咪唑作用的癌細胞存活率高達60%。該結果證明木質素納米粒子具有明顯的抗增殖作用，可以顯著提高抗癌藥物對癌細胞生長的抑制能力，抗癌效果顯著。

木質素作為多酚化合物，可以引起細菌細胞膜損傷和裂解，因而具有抗菌性能。1989 年，埃及Nada 等[37]以棉稈木質素為原料，在160oC 下使用杯盤法（將菌落接種于試驗生物的營養瓊脂平板，木質素加入板內通過判斷菌落活性確定其是否具有抗菌性，有透明圈出現說明菌落失活）記錄木質素對革蘭氏陽性菌（枯草芽孢桿菌和類霉菌芽孢桿菌）的作用效果，結果顯示，木質素加入可以使牛津杯周圍產生透明圈，證明了木質素的抗菌作用。Yang 等[38]研究發現木質素納米粒子可以穿透細胞壁，使細胞溶解，導致活性氧誘導氧化應激反應，使植物細菌細胞內的pH 下降和能量耗竭，使細胞死亡，從而起到抑菌作用。

上述木質素基材料體系的抗氧化性、抗菌性和抗紫外輻射性及其生物安全、環境友好的特性使其在生物醫藥領域受到了廣泛關注和研究，也為木質素作為藥物輸送載體對生物體內藥物給送進行調控奠定了基礎。

2.1.2 木質素對藥物給送的調控作用

由于木質素作為生物質固有的生物相容性、可降解性和獨特的抗氧化、抗癌和抗菌作用，研究者嘗試將木質素及其改性材料作為輔助成分、藥物載體或賦形劑添加至藥物產品體系中，從而對藥物的給送及最終治療效果產生影響。Zhang 等[39]將木質素/聚離子液體復合水凝膠用作傷口敷料，其中木質素可以增強水凝膠敷料抗氧化、清除自由基的性能。實驗結果顯示，施用該水凝膠敷料后，小鼠傷口可在12 天內完全愈合，且傷口愈合速度隨著木質素含量的增加而加快。Gil-Chávez 等[40]將木質素通過直接加壓法制備了拉伸強度和崩解時間符合相關標準的片劑布洛芬，研究結果顯示木質素作為賦形劑和載體，一方面木質素表面的結構交聯性和機械強度有助于片狀復合藥物的結構成型，另一方面可以提升藥物表面延展和溶脹性，延緩藥物崩解和釋放，使有效成分安全通過上消化道進入腸道吸收，提升治療效果。

Ciolacu等[41]考察了木質素添加對于纖維素水凝膠負載對于多酚類藥物釋放的調控作用，發現藥物釋放量隨著木質素添加量的增加而增加，當木質素添加量由25%增加到75%時，10h 藥物釋放量由17%增加到29%。Culebras 等[42]發現纖維素負載撲熱息痛藥物體系中添加木質素，可以削弱纖維素載體與撲熱息痛的親和力，有利于撲熱息痛從水凝膠載體的解吸擴散，提高撲熱息痛的釋放速率，7h內添加木質素體系的藥物釋放速率比未添加木質素的體系高50%。通過調節纖維素和木質素比例可以實現藥物釋放速率和釋放量的調控，木質素含量越高，藥物釋放量越高。

木質素分子的納米化能夠有效改善木質素異質性和分散性，有利于被木質素芳香環及高度交聯的三維網狀結構包圍的內部官能團暴露至表面，提高木質素官能團的活性及與其他產品分子的復合性，并且作為藥物載體時，可以提高復合體系在生物體細胞間的滲透性和生物利用率。近年來，研究人員探索了多種木質素納米粒子及其復合材料在藥物輸送載體的中應用。

天津工業大學戴林教授課題組[43]通過堿木質素在甲醇溶液中的自組裝反應制備了均勻分散的、粒徑為131.2nm的球形納米粒子，研究結果顯示木質素分子的納米化可以提升與不溶性抗癌藥物白藜蘆醇（RSV）和Fe3O4磁性納米粒子的接觸和復合性，形成AL/RSV/Fe3O4復合磁性靶向藥物體系[圖2(a)、(b)]，在磁場作用下實現藥物的可控靶向釋放。小鼠體內腫瘤生長結果顯示，復合藥物AL/RSV/Fe3O4處理的腫瘤細胞中48h后藥物含量是游離藥物治療細胞的6.2倍[圖2(c)]，20天后小鼠腫瘤細胞的生長顯著小于其他處理方式[圖2(d)]，并將患癌小鼠生存率由33.3%提高至83.3%。

圖2 堿木質素/RSV/Fe3O4納米粒子及其控釋及抗腫瘤效果[43]

Alqahtani 等[21]采用相分離法制備了結構均勻、穩定分散的粒徑為85.9nm 的木質素納米粒子[圖3(a)]，發現其對于姜黃素的的藥物包封率可以高達92%。并且較纖維素懸浮液分散的姜黃素表現出更長的半衰期，大幅提升了藥物的血漿濃度和生物利用率[圖3(b)、(c)]，這主要是由于木質素納米粒子可以提高藥物在生物細胞間的滲透性，如圖3(d)所示，復合體系的滲透性是游離藥物的5倍，滲透性的提高可以使藥物更有效地進入生物細胞，提升藥物的有效血漿濃度和生物利用率。

圖3 木質素納米粒子包封姜黃素及其控釋和生物利用性能[21]

木質素結構中的芳基、酚羥基、酮基、羧基等官能團及分子間的氫鍵和共軛作用使木質素具有優異的全波段紫外線防護作用，不僅可以應用在抗紫外輻射高分子材料、改性涂料以及防曬霜中[30]，還可以作為藥物載體有效地降低光敏、易氧化藥物在紫外輻照下的分解速率，實現實際環境下藥物有效成分的緩控釋放。2016年華南理工大學邱學青教授課題組[12]以堿木質素為原料，通過自組裝方法制備了木質素基偶氮聚合物膠球，作為光敏農藥阿維菌素（AVM）的封裝載體（AL-azo-H@AVM），研究發現，由于木質素主鏈具有很強的空間位阻和抗紫外輻射能力，在紫外輻照6h、12h、36h 后的光敏AVM 累積釋放量分別為85.92%、86.57%、86.85%，僅略高于未輻照時的累積釋放量（84.10%）。

隨后，該課題組[13]用乙酰氯和苯甲酰氯對堿木質素進行化學改性，得到了十六烷基木質素（ACAL）和苯甲酰木質素（BZAL）納米球作為阿維菌素的封裝載體。結果顯示紫外線照射50h 后，改性木質素納米球負載體系中阿維菌素保留率仍高達67.6%和77.0%，而對照組的AVM 保留率僅為27%，進一步驗證了木質素分子的共軛結構吸收紫外線抑制光降解能力可以顯著提升負載藥物體系的緩釋性能。

福建農林大學侯有明教授等[44]采用改性木質素磺酸鈉核殼結構作為高效氯氟氰菊酯（LC）封的裝載體，可以增強藥物釋放靶向性的同時，將紫外照射下的該光敏藥物的半衰期延長4.4 倍，與未封裝藥物體系相比，相同條件下害蟲的死亡率提高39%。

上述研究工作都證明了木質素及其改性材料的抗菌性、抗氧化性、抗紫外光輻射性、良好的官能團反應活性及機械性能對于調控藥物釋放速率、提高有效成分的利用率或生物活性、提升治療效果方面的顯著效果。另一方面，通過采用木質素納米化、與其他無機納米材料復合改性等精細化調控改性方式可以有效改善木質素結構的復雜性和表面異質性導致的載藥量低、水溶性差、品控不好等問題，對于提高藥物負載效率、提升藥物持續緩釋效果及生物有效性具有重要意義，也是未來木質素基控釋材料研發的重要方向。

2.1.3 pH響應性木質素基智能給藥體系

實際應用中，由于生物體不同部位以及健患部位的pH 存在顯著差異，如人體消化系統中胃內的pH 為酸性（1.3～3.0），腸道內的pH 接近中性（5.0～8.0）；正常細胞的生理環境pH 為7.4 左右，而炎癥或腫瘤病理組織的環境呈微酸性（炎癥組織與腫瘤細胞外酸度分別為pH＜7.4和pH＜6.5）。構建具有pH 響應性的智能給藥體系，可以提升藥物輸送和釋放的靶向性，實現藥物的定點、定時、定量釋放，具有高效、長效、靶向、毒副作用低等優點，對于提高藥物的利用率和減少對正常組織和細胞的毒副作用具有重要意義，在靶向胃腸道給藥和抗癌給藥等藥物體系構建中受到了重點關注[45-46]。

木質素及其改性材料分子結構中含有豐富的羥基、羧基等官能團，這些官能團可以在不同pH 條件下可以發生電離或質子化，引起木質素結構變化，從而實現藥物有效成分的pH響應性給送。

Alqahtani等[21]發現木質素納米粒子負載姜黃素的緩釋行為存在明顯的pH 響應性，在酸性胃液模擬條件下，木質素的酚基和檸檬酸羧基之間形成氫鍵，結構收縮，延緩姜黃素釋放，4h 姜黃素的釋放量僅有8.7%；在腸液中性模擬條件下，氫鍵電離引起木質素溶脹，姜黃素釋放和擴散加快，8h后，姜黃素的釋放量達35%左右。

戴林等[47]采用氨基聚乙二醇羧基（NH2-PEGCOOH）對木質素接枝改性，制備木質素納米粒子（LRNPs），并與羧甲基殼聚糖（CS）復合得到LRNPs/CS 水凝膠[圖4(a)]，作為反式白藜蘆醇（RSV）的輸送載體。不同水凝膠負載藥物的釋放結果如圖4(b)所示，LRNPs/CS 水凝膠作為載體時，藥物釋放顯著減慢，并且表現出顯著的pH響應性，在pH=8.5 的堿性環境中，水凝膠結構溶脹，同時羧化木質素間的靜電斥力使得藥物和載體間的作用力減弱，7h 內藥物釋放速率達80%；在接近正常皮膚的弱酸性環境中（pH=6.0），水凝膠結構收縮，藥物和載體作用力增強，使得藥物釋放顯著減緩，在7h 內釋放率不到10%，24h 內釋放率僅為20%。該工作主要是通過木質素接枝羧化改性提高羧基含量，并與殼聚糖復合形成水凝膠，提高了木質素納米粒子載體結構的收縮性，因而增強了pH響應的顯著性。

圖4 羧甲基殼聚糖/木質素納米粒子復合水凝膠及其pH響應性控釋性能[47]

Pishnamazi 等[48]發現羧化改性木質素具有更快的崩解速度，可以有效延緩藥物釋放，并通過羧基的質子化和離子化實現藥物釋放行為的pH響應性。在pH為1.2時，羧基部分質子化，木質素羧基之間的靜電斥力降低，水凝膠結構收縮，藥物釋放受阻，20min 內撲熱息痛釋放率僅有50%；在pH 為7.2 時，羧基離子化，帶負電荷的離子相互排斥，木質素水凝膠溶脹，藥物釋放顯著加快，20min內撲熱息痛釋放率達75%。

邱學青教授課題組[18]將季銨化堿木質素與磺酸鈉在乙醇/水混合物中自組裝成木質素納米膠束，作為布洛芬的輸送載體，在胃液模擬環境（pH=1.2）中，24h 內布洛芬釋放量僅為24.1%，由胃液環境輸送至腸液環境過程中，隨著pH 升高，木質素羧基發生電離，電荷間的靜電斥力使得膠束結構解離，從而釋放在酸性胃液中被截留的布洛芬，在腸液模擬中性環境（pH=7.4）中，24h內布洛芬釋放量可高達96.1%。與前文所述Pishnamazi 等[48]的工作相比，該體系通過羧基電離時納米膠束結構解離過程，放大了pH 升高過程中靜電斥力對于藥物釋放的速率提升，因而表現出更為顯著的pH 響應性（由pH=1.2 酸性條件到pH=7.4 中性條件的藥物釋放率分別為：24h 內24.1%、96%和20min 內50%，75%）。2021 年，邱學青教授課題組[22]通過創新制備方法，采用一步法制得了100～400nm 的均一木質素空心納米球負載的布洛芬藥物復合體系。藥物釋放結果顯示，在pH為1.2時，布洛芬的釋放非常緩慢，24h后釋放率約為18%；然而，在pH=7.5 下，24h 的釋放率高達94%。該體系的pH響應性行為主要是堿性條件下羧基的電離產生的靜電斥力，削弱了藥物與載體間的作用力，同時木質素納米球膨脹，孔道擴張，使藥物釋放顯著加快。近期，該課題組[23]通過兩步法制備了pH 響應性的硫酸鹽木質素電荷反轉納米球，作為姜黃素的藥物載體。研究發現姜黃素的釋放行為表現出顯著的pH 響應性，在pH=5.7 時120h 的釋放率為76.82%，而在pH=7.4時120h內釋放率僅為12.92%。

如表1 所示，近年來，pH 響應性木質素材料作為智能給藥載體的研究也逐漸增多。與傳統的有機高分子型聚合物需要通過接枝引入pH 敏感型單體不同，木質素基智能材料是通過結構中的羥基和羧基官能團實現pH 響應性，制備過程更為簡便，避免了有機試劑的引入，具有更好的生物相容性和無毒易降解性，但存在載藥量低、響應敏感性不強等問題，如何通過納米材料復合和結構的精細化調控實現高靈敏度響應性智能給藥體系的開發是目前研究的重點方向。

表1 pH響應性木質素基智能給藥體系

2.2 木質素在智能控釋肥料體系中的應用

2.2.1 木質素在肥料中的應用基礎

木質纖維素作為地球上最豐富的可再生有機碳來源，本身就是良好的有機肥原料。同時，木質素作為一種天然脲酶抑制劑，可以減緩肥料在土壤中的分解。木質素結構中的酚羥基及其他含氧活性基團，可以使木質素降解轉化為腐殖質，提高土壤通透性，固定或吸附土壤中的重金屬離子，修復重金屬污染的土壤。因此，木質素基材料在肥料養分的緩控釋放研究中有良好的應用基礎[9-11]。

傳統肥料施入土壤后會迅速溶解，影響肥料的利用率，并且肥料養分釋放與作物需肥規律的不協調會造成肥料浪費，影響作物的養分吸收和肥效。多次重復施肥不僅導致肥料和勞動力資源的浪費，而且會破壞作物根系細胞和土壤結構，降低作物產量，甚至污染地表水和地下水，引起土壤鹽堿化。因此能夠根據環境條件的變化，自主調節養分釋放速率的綠色智能肥料成為綠色農業發展時代的必然選擇[25,49]。木質素可以通過范德華力物理吸附或化學螯合反應與植物生長所需的營養元素復合，木質素在土壤微生物或作物根系分泌物的作用下緩慢降解，延長營養元素的釋放周期，成為了緩控釋肥料的重要載體。

2.2.2 木質素基控釋肥料的研究進展

近年來，隨著肥料行業節能減排、提質增效相關要求的實施，緩控釋肥料的研究受到了越來越多的關注，憑借有機質豐富、可降解、環境友好等特性，木質素基緩控釋肥料在也有了較快的發展。目前木質素基緩釋肥料的制備主要有化學改性[圖5(a)]、螯合改性[圖5(b)]、包膜改性[圖5(c)]三種方式[9]。

圖5 木質素基控釋肥料的改性[11]

化學改性主要是通過圖5(a)所示的木質素氨氧化反應或曼尼希反應，在木質素分子結構中引入含氮官能團或組分，增加肥料中養分氮含量。Jiao等[50]通過曼尼希反應將氨基基團復合到羥基化木質素大分子上，在最佳反應條件下，氨化木質素的氮含量可達10.2%。胺化木質素在土壤中的氮釋放動力學分析發現NH4+的累計浸出量在28 天內只有細微變化，28 天后胺化木質素可以在土壤環境中緩慢地降解并釋放氮元素，延長養分釋放周期以滿足植物整個生長期的養分需求。Ram??rez-Cano等[51]研究了施用氨氧化木質素氮肥和尿素對高粱生物量和含氮量的影響。結果顯示，施用氨氧化木質素氮肥的高粱生物量約為200g，生物量中的平均氮含量為1.62%，而施用尿素的高粱生物量約為130g，生物量中的平均氮含量為2.15%。表明氨氧化木質素氮肥經過土壤微生物降解，緩慢釋放氮素，更加利于高粱作物對氮素的吸收，使得氨氧化木質素氮肥的利用率遠大于尿素。

木質素結構上含有豐富的活性官能團（脂肪族羥基、酚羥基和羰基），這些基團中的氧原子電子對易與金屬離子發生如圖5(b)所示的絡合物螯合反應，調控相關營養元素的釋放。蘭州大學柳明珠教授團隊[52]將胺化木質素與Fe3+螯合，并通過靜電作用吸附H2PO-4制備含有磷、鐵元素的木質素肥料M/ALFeF，施用30 天后，鐵和磷元素的釋放率分別達到67.2%和69.1%。這種持續釋放模式有利于在農作物生長早期快速提供較多養分，后續減緩養分釋放，與作物生長的需肥規律保持一致。

包膜改性主要是利用木質素材料的物理性阻礙和吸附性能，減緩水分子流入及木質素內部肥料營養元素流出，達到養分緩釋的目的[如圖5(c)所示]。García 等[53]使用木質素作為涂層，亞麻油作為密封劑，研究不同包膜厚度對肥料效率的影響。結果表明，隨著包膜厚度從125μm 增加到238μm，養分氮的利用率從32.7%增加到49.9%，淋溶氮損失從68.6%減少到34%。Dos Santos等[54]研究了聚醋酸乙烯酯和木質素混合形成的生物膜覆蓋尿素顆粒后肥料中氮的釋放率，結果顯示，聚合物涂層從52.6μm 增加到80.2μm，氮釋放數據的曲率降低了至少1.7 倍，當聚合物涂層從80.2μm 增加到158.9μm 時，曲率至少降低了1.3 倍，即包膜厚度越厚，氮素釋放越慢。Zhang等[55]研究了木質素-黏土納米雜化物和海藻酸鈉包膜材料[圖6(a)]對尿素釋放的調控作用，如圖6(b)所示，無包膜尿素在土壤中5天內完全溶解，添加了黏土木質素包膜材料的尿素5天內釋放率為43%左右，遠低于海藻酸鈉包膜緩釋肥料。

圖6 木質素-黏土雙層緩釋肥料及其釋放行為[55]

上述研究者的工作從不同角度證明了木質素的添加可以通過增加肥料養分含量降低養分釋放速率、增強養分與載體的作用控制養分釋放、提高養分擴散和流失阻力減少養分流失等方式實現養分的緩控釋放，但是如何根據作物生長環境變化和作物生長不同階段的需肥規律調控養分釋放速率，實現作物生長與養分釋放的協調同步，是實現肥料智能控釋的高階目標，也是進一步提升肥料利用效率，促進肥料行業綠色可持續發展的重要要求。

2.2.3 pH響應性木質素基智能控釋肥料研究應用

pH 響應性控釋肥料可以通過土壤或作物根系環境的變化，智能調控肥料養分的釋放速率，使養分釋放與作物需肥規律或環境變化協調同步，提高肥料利用率。這對于實現農產品優質高產、資源高效、生態環境健康多目標協同的農業綠色發展具有重大理論與實踐意義[49]。木質素及其改性材料分子結構中豐富的羥基、羧基等官能團，可以在不同pH 條件下發生電離或質子化。這種木質素材料分子自身結構的pH響應性，可以作為pH響應性木質素基智能控釋肥料的研發路徑。

Sipponen 等[56]研究了不同pH 條件下復合尿素的酸木質素和鈣木質素的溶解度，結果顯示，酸木質素的溶解度隨著pH 的增加而增加，當pH 為9.5時木質素溶解90%并趨于穩定，而鈣木質素在氯化銨/氨緩沖溶液中溶解度隨pH 變化不大，在pH為10時，溶解度僅為28%。木質素在不同pH條件的溶解行為也可以作為木質素基材料在pH 響應性智能肥料中應用的參考。

Pang 等[57]采用木質素和甲醛包覆K2HPO4和尿素制備了NPK 緩釋肥料微膠囊，由于酸性條件下氫離子容易破壞木質素-尿素-甲醛聚合物中的甲醚鍵和亞甲基鍵，使聚合物分子鏈變短，木質素微膠囊壁厚度減小，降低營養物質擴散的阻力，養分釋放加快；堿性條件下，膠囊膜的穩定性提高，降低營養物質向外擴散的速率。在肥料溶解56天后，在5℃、25℃和45℃溫度下，pH 為5 和為9 時緩釋肥料的失重率分別為66.16%、66.64%、73.39%和37.22%、38.10%、39.53%。

蘭州大學柳明珠教授團隊[58]利用多巴胺的黏附性和自聚能力，制備了聚多巴胺包膜的磷酸鋅銨肥料內核（ZnPN@Pdop），并將殼聚糖和木質素磺酸鈉通過層層靜電自組裝交替沉積在肥料內核表面形成木質素包膜肥料（SAMCF）[圖7(a)]。盆栽種植實驗中，木質素包膜復合肥料SAMCF 處理后的玉米苗鮮重、干重、株高、莖高、根長均明顯優于未包膜肥料，可以有效促進植株的生長[圖7(b)]。養分釋放動力學結果顯示當pH為4、7和10時，磷素的累積釋放率分別為63.7%、52.9%和77.7%，氮素的累積釋放率分別為65.9%、56.3%和75.0%。這是因為在酸性和堿性條件下，質子化和去質子化作用均會使殼聚糖和木質素磺酸鈉聚電解質膜發生靜電排斥作用，發生解組裝而從肥料表面脫落，水分滲透到肥料內核，促進氮和磷養分的溶解和擴散釋放[圖7(c)]。

圖7 木質素包膜肥料及其施用效果和pH響應機理[58]

Yoon 等[59]采用一步法合成了木質素-鐵-羥基磷灰石超分子結構，作物生長初期階段，根系周圍pH 為弱堿性，超分子結構穩定，基本沒有養分釋放；隨著作物生長，根系分泌物中有機酸濃度升高，破壞木質素超分子結構中的非共價相互作用，釋放出超分子結構中的磷、鈣、鐵等養分，滿足當前作物生長階段對養分的需求。這種根系分泌物誘導的pH 響應性智能控釋肥料可以實現肥料養分釋放與根系感知和作物生長的協調一致，避免資源浪費和養分過量釋放引起的環境污染，也符合綠色智能肥料的內涵和發展目標[25]。

木質素及其改性材料分子結構的pH 響應性，可以引起木質素與負載分子間相互作用的變化，實現負載分子的pH響應性可控釋放，在pH響應性藥物智能控釋領域得到了廣泛的關注和研究。目前pH 響應性木質素智能控釋肥料研究仍處于起步階段，成果不多。但是木質素在傳統緩控釋肥料中有良好的應用研究基礎，并且環境友好型的木質素基智能緩控釋肥料的開發應用對提高肥料養分利用率和綠色農業的可持續發展具有重要意義。研究者在后續研究中可以借鑒相對成熟的智能給藥體系中pH 響應性木質素材料的制備、結構調控和復合方法，促進其在綠色智能肥料領域的拓展應用。

3 結語與展望

木質素作為一種來源廣、儲量大的可再生資源典型代表，其資源有效開發和高值利用具有重要的意義。隨著人們對可再生資源的日益重視，木質素獨特的結構和抗氧化、抗菌、抗紫外光輻射、高反應活性官能團、易與其他產品分子復合等特性逐漸被發掘關注，也促進了木質素在藥物、肥料等產品負載控釋和提質增效領域的研究和應用。本文從木質素的結構特點出發，重點論述了木質素基控釋材料在負載藥物和肥料產品體系中的應用基礎和研究進展。

經過總結，認為關于木質素基智能控釋體系的設計開發，未來可以重點關注的方向包括以下方面。

（1）木質素基智能給藥體系的基礎應用研究較為成熟和深入，開拓了諸如木質素納米化、木質素納米材料復合改性等精細化調控改性方式，表現出了良好的智能控釋效果，可以為肥料等其他產品的智能控釋體系構建提供借鑒和指導。

（2）以pH 響應性為代表的環境響應型智能控釋體系的構建對于藥物、肥料等產品的安全綠色高效施用具有重要意義。雖然取得了一定的研究進展，但是仍存在材料制備過程繁瑣、成本高，負載率和封裝率低，響應靈敏度不足等問題，未來相關領域的研究重點和難點應集中于簡便、高效木質素納米材料制備及高效藥物、肥料負載封裝方法的開發，降低材料制備成本，提高產品負載率和包封率，推進木質素基智能控釋材料的實用化進程等方面。上述問題的研究和借鑒，對于解決生物醫藥安全有效性的提升和綠色農業的可持續發展具有重要的現實意義，也能夠為木質素的資源開發和高值利用提供更多可能。