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湖北工大馮清華/武大陳朝吉 Prog. Mater. Sci. 綜述:木質素/多糖復合材料 - 造就多功能生物基材料的天作之合
2024-11-04  來源:高分子科技

  近期,湖北工業大學馮清華副教授團隊/武漢大學陳朝吉教授團隊合作,在材料科學頂級綜述期刊《Progress in Materials Science》上以“Lignin/polysaccharide composite: A nature-made match toward multifunctional bio-based materials”為題發表長篇綜述論文(Prog. Mater. Sci. 148, 2025, 101383),詳細討論了木質素/多糖復合材料的構建策略、特性、潛在應用、現有挑戰和未來機遇。馮清華副教授、陳朝吉教授為共同通訊作者,湖北工業大學碩士研究生余詩旭(現北京林業大學博士研究生)和武漢大學博士研究生陳露為共同第一作者。


  植物的演化過程中,木質素與多糖形成了令人驚嘆的天然協同關系。這一組合不僅加強了植物在惡劣環境中的適應能力,還為生物基材料的研究提供了寶貴的藍圖。木質素通過賦予結構疏水性、抗紫外線性能和環境穩定性,彌補了多糖在穩定性上的不足,為植物的生存與進化帶來了重大支持。基于這一自然范式,人類正積極探索人工木質素/多糖復合材料(LPCs)的開發與應用,力求利用這種自然賦予的特性,構建適用于未來滿足環保需求的多功能生物基材料(圖1)。


1. 全文摘要


2. 木質素的功能和應用


  木質素是一種復雜的天然芳香族大分子,約4.5億年前隨陸地植物的出現而進化,并逐漸與多糖形成穩定的三維木質纖維復合結構。這一結構賦予了植物細胞壁韌性、抗菌性和防水性能,為植物的生長提供了穩定的基礎,為生命進化打下了堅實的基礎。早在公元105年,蔡倫發明造紙術時期,人類社會就和木質素開始接觸,但當時人類社會還不具備研究木質素的能力。隨著社會的進步,人類開始充分利用植物資源(如木材、農作物等),同時對木質素的研究也逐漸深入,開發了多種木質素分離方法,如堿法、亞硫酸鹽法和有機溶劑法。然而,分離得到的木質素長期被認為是工業副產品,使其多數用于燃燒發電。這種利用木質素剩余價值的方法不僅低效,還容易造成環境污染。近年來,得益于木質素分離和復合材料構建技術的進步,木質素的潛力逐漸顯現。木質素展現的防水性、紫外屏蔽性、黏合性、抗菌性、抗氧化性、吸附性、阻燃性及其自組裝的能力,使其在生物化學品、生物醫學、功能復合材料等領域發揮著越來越重要的作用2)。


3. 多糖的局限性


  另一方面,多糖作為豐富且可再生的資源,近年來也成為學術界和工業界關注的焦點。由于其成本低、可再生和輕質的特性,多糖材料已被廣泛應用于功能薄膜、吸附劑、生物醫學工程、綠色電子器件和生物傳感器等多個領域。然而,多糖在實際應用中長期面臨著一些關鍵限制,如其對水分、紫外線和微生物十分敏感,嚴重限制了多糖材料的耐久性和適用性3。恰到好處的是,木質素可以作為一種有效的天然改性劑,克服多糖在苛刻環境條件下使用受限的問題。木質素的共軛結構和巨大的碳骨架,使其具備天然的抗紫外線和防水能力,能夠彌補多糖基材料的不足,這也正如他們在植物中所體現的協同功能。更重要的是,這些原料都是天然可持續的生物質資源,將他們復合達到增強材料功能性和耐用性目的的同時,也能盡量減少對他們自身可持續性的損害。


4. LPCs的構建策略


  在該研究背景下,研究人員開始探索如何將木質素與多糖相結合,以彌補多糖材料的不足。基于自然界中木質素與多糖結合的范例,科學家們通過物理、化學、熱解等手段,構建了一系列LPCs,試圖復制并強化這種天然的協同關系(圖4)。LPCs包含了如木質素/纖維素、木質素/殼聚糖、木質素/淀粉、木質素/海藻酸鹽、木質素/瓊脂糖及木質素/角叉菜膠等多種組合。木質素的疏水、抗紫外線、抗菌和抗氧化等能力使其能夠在復合材料中提供增強效果,而多糖的成形能力、柔韌性和生物相容性也能在一定程度上改善木質素的加工性。這種天然的協同作用,使LPCs成為理想的高性能、多功能的生物基復合材料,在石油基塑料替代、電子產品、光管理、生物工程、能源存儲和環境修復以及其他領域都展現了巨大的應用潛力(圖5)。


5. LPCs的應用


  隨著綠色環保理念的普及和可持續發展的需求日益迫切,開發能夠滿足社會需求的可持續材料已變得至關重要。在日益關注環境問題的時代下,LPCs的研究將繼續深化,成為下一代生物基材料的重要方向之一。基于天然植物演化的構筑策略,LPCs不僅在性能上獨具優勢,還在環境友好性上引領了材料科學的新潮流。科學家們致力于通過更加深入的研究,進一步優化木質素和多糖的復合策略,以解決LPCs現存的一些挑戰,把握未來發展的機遇(圖6)。期待隨著技術的進步,LPCs能成為環境友好型材料的重要組成部分,為人類的可持續發展貢獻力量。


6. LPCs面臨的現存挑戰和未來機遇


  綜述中,作者系統地介紹了木質素研究的歷程、天然多糖基材料的發展及局限、LPCs的功能和應用,并展望未來的研究方向。他們詳盡分析了木質素的化學結構、分離技術、特性及多種應用,總結了木質素作為功能改性組分的優勢,并深入探討了LPCs在石油基塑料替代、電子器件、光管理、生物工程、能源存儲和環境修復等多個領域的應用。最終,作者還指出了當前技術和科學的挑戰,并提出可能的解決方案和未來研究方向。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2024.101383


通訊作者介紹:


  陳朝吉,武漢大學資源與環境科學學院教授、博士生導師。2015年博士畢業于華中科技大學,2015-2021年分別于華中科技大學與馬里蘭大學帕克分校從事博士后研究,并于20215月入職武漢大學資環學院組建X-Biomass課題組。從事生物質材料(木材、竹材、纖維素、甲殼素等)的多尺度結構設計、功能化及高值利用方面的研究,致力于以天然材料解決可持續發展面臨的材料-能源-環境挑戰。以第一/通訊作者(含同等貢獻)在Nature (2)ScienceNature Reviews MaterialsNature Sustainability (2)Nature Communications (5)等國內外著名學術期刊上發表SCI論文100余篇,總引用31,500余次,H因子96,44篇論文入選ESI高被引論文,13篇(曾)入選熱點論文。獲科睿唯安“全球高被引科學家”(2021-2023連續三年入選材料科學領域)、斯坦福大學“全球前2%高被引科學家”終身影響力榜單、麻省理工科技評論亞太區“35歲以下科技創新35人”、“ACS KINGFA Young Investigator Award、“中國化學會纖維素專業委員會青年學者獎”、阿里巴巴達摩院“青橙優秀入圍獎”、“Advanced Science青年科學家創新獎”、“中國新銳科技人物卓越影響獎”、“R&D 100 Awards”等榮譽。擔任The Innovation Materials聯合創刊人及學術編輯,The InnovationSusMatEnvironmental Science & EcotechnologyBatteriesMolecules等雜志編委/青年編委,以及中國化學會纖維素專業委員會委員。


  課題組網站鏈接:https://biomass.whu.edu.cn/index.htm


  馮清華,湖北工業大學材料與化學工程學院副教授。2012年獲華南理工大學博士學位,2012年加入湖北工業大學,于20153月在武漢大學天然高分子與高分子物理實驗室從事博士后研究工作。從事生物質基材料和特種紙的研究,主要集中在纖維素、木質素基材料、云母和芳綸紙基絕緣材料。近年來,在Progress in Materials Science、Research、Biomacromolecules等主流期刊上發表了多篇論文。

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(責任編輯:xu)
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