木质素基控释材料及其在药物输送和肥料控释中的应用

关红玲，杨辉，井红权，刘玉琼，谷守玉，王好斌，侯翠红

（郑州大学化工学院，国家钙镁磷复合肥技术研究推广中心，教育部先进功能材料制造工程研究中心，河南 郑州 450001）

化石燃料过度使用所导致的气候变化和能源危机问题日益严重，使可再生资源的需求大大增加。木质纤维素作为地球上最丰富的可再生有机碳来源和可再生资源的典型代表，凭借其良好的生物相容性和可降解特性在多个领域受到了广泛关注和研究，其资源有效开发和高值利用也成为了重点研究对象[1-3]。

木质纤维素主要由纤维素（占干物质重的30%～50%）、半纤维素（占干物质重的20%～40%）及木质素（占干物质重的15%～25%）三部分构成[4]。其中，纤维素和半纤维素已实现工业开发并大规模应用于制浆造纸、制糖和生物乙醇燃料等生物质精炼过程中[1]，这些工业过程会产生大量木质素副产品。目前，仅制浆造纸工业每年就产生大约5000万吨的木质素副产品[2]。随着纤维素生物质开发利用工业的发展，木质素的产量将持续增长。大部分木质素副产品作为工业废弃物处理被直接焚烧，仅有2%的工业木质素用于制造添加剂、分散剂、胶黏剂和表面活性剂等高附加值产品[5]，造成严重的资源浪费和环境污染。作为储量仅次于纤维素的第二大生物质资源和少有的芳香族可再生资源之一，木质素资源开发和高值利用，不仅能减少直接焚烧造成的环境污染，而且能变废为宝，对于实现生物质资源的全链条应用、提升生物质资源开发应用的可行性、可持续性和经济性具有重要意义。

近年来，木质素生物质材料的可降解性、生物相容性和环境友好性，使其在包括生物医药和绿色可持续性农业在内的诸多领域受到了广泛的关注。木质素基控释材料的设计开发和应用作为木质素资源高值利用的有效途径，在药物[6-8]、肥料[9-11]、农药[12-13]、染料[14]、精油[15-16]等产品的智能控释领域中具有重要应用，并且不同产品控释体系的材料设计和控释机理研究存在可供相互借鉴的成果和共性问题。其中，药物输送领域的研究起步较早，基础研究成果积淀丰富，对于木质素基控释材料的结构调控[17-20]、载药量提升[21-23]和控释机理的阐释[7-8]都有较好的基础积累，可以为其他产品体系的开发应用研究提供借鉴。肥料作为粮食的“粮食”，支撑了农业生产，也关系着粮食安全、资源安全、环境安全、社会稳定等国计民生重大领域。但是目前肥料产业仍以市场单一驱动的生产与发展方式为主，产品设计开发缺乏科学性，肥料养分利用率低，引发严重的资源浪费和环境污染，在节能、环保、高效、绿色的农业可持续发展背景下，以肥料养分绿色、智能、高效、可控释为主要内容的绿色智能肥料已成为肥料行业转型与产业变革的重大需求和引领性方向[24-25]。木质素作为环境友好型的绿色有机肥原料和天然脲酶抑制剂，在缓控释肥料领域也有较好的应用基础[9-11]。基于上述考虑，本文选择药物输送和肥料控释这两个对于生物医药的安全有效性和现代农业的绿色可持续性均具有重要现实意义的领域作为典型代表进行木质素基控释材料设计开发及应用的论述。本文从木质素的结构特点和可降解性、生物相容性、抗菌性、抗氧化、抗癌性和反应活性等特性出发，系统论述了木质素基材料在药物输送和肥料控释中的应用基础、研究进展、存在的挑战以及未来值得关注的研究方向，以期为环境友好型药物给送和绿色智能肥料控释体系的构建，以及木质素基控释材料的设计开发和资源化利用，提供借鉴和参考。

1 木质素结构特征

木质素大量存在于植物的木质部中，是植物以及藻类支持组织的重要组成成分，以较高的硬度来支撑植株的重量，与纤维素和半纤维素共同组成了植物纤维的骨架。

作为一种可再生的天然芳香类高分子聚合物，木质素是由图1所示的3种苯丙烷单元通过碳碳单键和醚键相互连接形成的具有三维网状结构的生物高分子。尽管分子结构中丰富的芳环结构、醇羟基、酚羟基、甲氧基等活性官能团和作为生物质资源的来源广泛、可降解、环境友好的特点引起了广泛的关注和研究兴趣，但是复杂的网状结构以及各种化学键之间的相互作用，使木质素极难解聚，严重阻碍了木质素的开发利用进程。木质素副产物的有效利用成为当前植物纤维资源全组分高效利用的短板，也是制约木质纤维素生物质资源开发利用经济循环性和可持续性的重要因素[1-3]。

图1 木质素的结构单元 [26]

工业木质素主要是通过天然木质纤维素生物质资源中木质素与纤维素半纤维素分离得来。按处理及分离方法不同，可以分为碱木质素、木质素磺酸盐、有机溶剂木质素、硫酸盐木质素。

碱木质素来源于碱法制浆。制浆工艺中，在高温以及强碱的条件下使原料中的木质素引入大量酚羟基，变成酚氧离子后溶解于强碱性溶液，因此将木质素有效分离和去除，得到碱木质素[26]。木质素在变成酚氧离子的同时基本单元之间的醚键发生断裂，大分子木质素降解成小分子，碱木质素的纯度高，分子量较小（800～3000g/mol）[27-28]。

木质素磺酸盐是亚硫酸盐法制浆的副产物。原料中的木质素在高温条件下与亚硫酸盐发生反应，同时基本单元连接键发生断裂，产生水溶性的木质素磺酸盐，通过溶解在水中的方式分离。木质素磺酸盐具有疏水的苯环、烷基链结构以及羧基、酚羟基、磺酸根等亲水性官能团[26]，木质素磺酸盐由大量的硫组成，以磺酸基的形式存在于脂肪族侧链上[29]。木质素磺酸盐分子量非常高（15000～50000g/mol），具有广泛的多分散指数[28]。

有机溶剂木质素是利用甲醇、甲酸、丙酮、乙醇、乙醇/水等溶剂从植物中萃取得到的。有机溶剂萃取分离效率较高，得到的木质素纯度高、分子量低（500～5000g/mol）且疏水性较好，具有高附加值应用潜力[28]。

硫酸盐木质素是将木材或非木材材料转化为制浆和黑液，然后酸化提取木质素。硫酸盐分子量也相对较低（1500～5000g/mol）[28]。

木质素特有的高度芳环化特性和丰富的官能团种类，赋予了木质素一定的紫外线吸收、抗菌、抗氧化等性能[29-31]，使其在生物医药和农业生产中受到了广泛的关注和研究。木质素的来源种类繁多，不同种类的木质素分子中官能团类型及相对含量不同，使其表现出不同的性质。其中，抗菌作用主要与酚羟基和甲氧基有关[29]。硫酸盐木质素、磺酸盐木质素、有机溶剂木质素、碱木质素等均具有抗菌性能，其中碱木质素的抗菌性能研究较少[31]。游离酚羟基对木质素的抗氧化活性至关重要，脂肪羟基含量与木质素的抗氧化活性呈负相关。高分子量、异质性和多分散性是降低自由基清除活性的因素，木质素磺酸盐分子量最高，抗氧化活性最低[32]。

分离提取出的木质素，通过磺甲基化、胺化、氧化、还原、磺化、硝化和烷基化等改性方式调整木质素两亲性可以实现与药物、肥料、农药等产品的有效复合[33]，作为这些产品的辅助成分或者输送载体，以达到提质增效或智能控释的目的[6-11]。

2 木质素基控释材料及其应用

2.1 木质素在智能给药系统中的应用

2.1.1 木质素在药物给送中的应用基础

木质素结构中的羟基官能团能够中和具有致癌、突变和细胞毒性的活性自由基，保护生物分子免受氧化，并表现出一定的抗癌效果。早在1998年，国立台湾大学[34]报道了膳食纤维对结肠癌的防御作用可能与膳食纤维中木质素的含量和木质素捕获自由基的能力有关。Barapatre等[35]也报道了木材中提取的木质素具有良好的清除一氧化氮自由基、羟基自由基和超氧自由基的能力，并且可以选择性地毒化癌变细胞，能够作为天然抗氧化剂和抗癌剂。Figueiredo 等[36]比较了木质素纳米粒子修饰对于抗癌药物苯并咪唑抑制乳腺癌细胞生长作用的影响，发现木质素修饰苯并咪唑可以将癌细胞存活率从90%降低到0，而未加入木质素的苯并咪唑作用的癌细胞存活率高达60%。该结果证明木质素纳米粒子具有明显的抗增殖作用，可以显著提高抗癌药物对癌细胞生长的抑制能力，抗癌效果显著。

木质素作为多酚化合物，可以引起细菌细胞膜损伤和裂解，因而具有抗菌性能。1989 年，埃及Nada 等[37]以棉秆木质素为原料，在160oC 下使用杯盘法（将菌落接种于试验生物的营养琼脂平板，木质素加入板内通过判断菌落活性确定其是否具有抗菌性，有透明圈出现说明菌落失活）记录木质素对革兰氏阳性菌（枯草芽孢杆菌和类霉菌芽孢杆菌）的作用效果，结果显示，木质素加入可以使牛津杯周围产生透明圈，证明了木质素的抗菌作用。Yang 等[38]研究发现木质素纳米粒子可以穿透细胞壁，使细胞溶解，导致活性氧诱导氧化应激反应，使植物细菌细胞内的pH 下降和能量耗竭，使细胞死亡，从而起到抑菌作用。

上述木质素基材料体系的抗氧化性、抗菌性和抗紫外辐射性及其生物安全、环境友好的特性使其在生物医药领域受到了广泛关注和研究，也为木质素作为药物输送载体对生物体内药物给送进行调控奠定了基础。

2.1.2 木质素对药物给送的调控作用

由于木质素作为生物质固有的生物相容性、可降解性和独特的抗氧化、抗癌和抗菌作用，研究者尝试将木质素及其改性材料作为辅助成分、药物载体或赋形剂添加至药物产品体系中，从而对药物的给送及最终治疗效果产生影响。Zhang 等[39]将木质素/聚离子液体复合水凝胶用作伤口敷料，其中木质素可以增强水凝胶敷料抗氧化、清除自由基的性能。实验结果显示，施用该水凝胶敷料后，小鼠伤口可在12 天内完全愈合，且伤口愈合速度随着木质素含量的增加而加快。Gil-Chávez 等[40]将木质素通过直接加压法制备了拉伸强度和崩解时间符合相关标准的片剂布洛芬，研究结果显示木质素作为赋形剂和载体，一方面木质素表面的结构交联性和机械强度有助于片状复合药物的结构成型，另一方面可以提升药物表面延展和溶胀性，延缓药物崩解和释放，使有效成分安全通过上消化道进入肠道吸收，提升治疗效果。

Ciolacu等[41]考察了木质素添加对于纤维素水凝胶负载对于多酚类药物释放的调控作用，发现药物释放量随着木质素添加量的增加而增加，当木质素添加量由25%增加到75%时，10h 药物释放量由17%增加到29%。Culebras 等[42]发现纤维素负载扑热息痛药物体系中添加木质素，可以削弱纤维素载体与扑热息痛的亲和力，有利于扑热息痛从水凝胶载体的解吸扩散，提高扑热息痛的释放速率，7h内添加木质素体系的药物释放速率比未添加木质素的体系高50%。通过调节纤维素和木质素比例可以实现药物释放速率和释放量的调控，木质素含量越高，药物释放量越高。

木质素分子的纳米化能够有效改善木质素异质性和分散性，有利于被木质素芳香环及高度交联的三维网状结构包围的内部官能团暴露至表面，提高木质素官能团的活性及与其他产品分子的复合性，并且作为药物载体时，可以提高复合体系在生物体细胞间的渗透性和生物利用率。近年来，研究人员探索了多种木质素纳米粒子及其复合材料在药物输送载体的中应用。

天津工业大学戴林教授课题组[43]通过碱木质素在甲醇溶液中的自组装反应制备了均匀分散的、粒径为131.2nm的球形纳米粒子，研究结果显示木质素分子的纳米化可以提升与不溶性抗癌药物白藜芦醇（RSV）和Fe3O4磁性纳米粒子的接触和复合性，形成AL/RSV/Fe3O4复合磁性靶向药物体系[图2(a)、(b)]，在磁场作用下实现药物的可控靶向释放。小鼠体内肿瘤生长结果显示，复合药物AL/RSV/Fe3O4处理的肿瘤细胞中48h后药物含量是游离药物治疗细胞的6.2倍[图2(c)]，20天后小鼠肿瘤细胞的生长显著小于其他处理方式[图2(d)]，并将患癌小鼠生存率由33.3%提高至83.3%。

图2 碱木质素/RSV/Fe3O4纳米粒子及其控释及抗肿瘤效果[43]

Alqahtani 等[21]采用相分离法制备了结构均匀、稳定分散的粒径为85.9nm 的木质素纳米粒子[图3(a)]，发现其对于姜黄素的的药物包封率可以高达92%。并且较纤维素悬浮液分散的姜黄素表现出更长的半衰期，大幅提升了药物的血浆浓度和生物利用率[图3(b)、(c)]，这主要是由于木质素纳米粒子可以提高药物在生物细胞间的渗透性，如图3(d)所示，复合体系的渗透性是游离药物的5倍，渗透性的提高可以使药物更有效地进入生物细胞，提升药物的有效血浆浓度和生物利用率。

图3 木质素纳米粒子包封姜黄素及其控释和生物利用性能[21]

木质素结构中的芳基、酚羟基、酮基、羧基等官能团及分子间的氢键和共轭作用使木质素具有优异的全波段紫外线防护作用，不仅可以应用在抗紫外辐射高分子材料、改性涂料以及防晒霜中[30]，还可以作为药物载体有效地降低光敏、易氧化药物在紫外辐照下的分解速率，实现实际环境下药物有效成分的缓控释放。2016年华南理工大学邱学青教授课题组[12]以碱木质素为原料，通过自组装方法制备了木质素基偶氮聚合物胶球，作为光敏农药阿维菌素（AVM）的封装载体（AL-azo-H@AVM），研究发现，由于木质素主链具有很强的空间位阻和抗紫外辐射能力，在紫外辐照6h、12h、36h 后的光敏AVM 累积释放量分别为85.92%、86.57%、86.85%，仅略高于未辐照时的累积释放量（84.10%）。

随后，该课题组[13]用乙酰氯和苯甲酰氯对碱木质素进行化学改性，得到了十六烷基木质素（ACAL）和苯甲酰木质素（BZAL）纳米球作为阿维菌素的封装载体。结果显示紫外线照射50h 后，改性木质素纳米球负载体系中阿维菌素保留率仍高达67.6%和77.0%，而对照组的AVM 保留率仅为27%，进一步验证了木质素分子的共轭结构吸收紫外线抑制光降解能力可以显著提升负载药物体系的缓释性能。

福建农林大学侯有明教授等[44]采用改性木质素磺酸钠核壳结构作为高效氯氟氰菊酯（LC）封的装载体，可以增强药物释放靶向性的同时，将紫外照射下的该光敏药物的半衰期延长4.4 倍，与未封装药物体系相比，相同条件下害虫的死亡率提高39%。

上述研究工作都证明了木质素及其改性材料的抗菌性、抗氧化性、抗紫外光辐射性、良好的官能团反应活性及机械性能对于调控药物释放速率、提高有效成分的利用率或生物活性、提升治疗效果方面的显著效果。另一方面，通过采用木质素纳米化、与其他无机纳米材料复合改性等精细化调控改性方式可以有效改善木质素结构的复杂性和表面异质性导致的载药量低、水溶性差、品控不好等问题，对于提高药物负载效率、提升药物持续缓释效果及生物有效性具有重要意义，也是未来木质素基控释材料研发的重要方向。

2.1.3 pH响应性木质素基智能给药体系

实际应用中，由于生物体不同部位以及健患部位的pH 存在显著差异，如人体消化系统中胃内的pH 为酸性（1.3～3.0），肠道内的pH 接近中性（5.0～8.0）；正常细胞的生理环境pH 为7.4 左右，而炎症或肿瘤病理组织的环境呈微酸性（炎症组织与肿瘤细胞外酸度分别为pH＜7.4和pH＜6.5）。构建具有pH 响应性的智能给药体系，可以提升药物输送和释放的靶向性，实现药物的定点、定时、定量释放，具有高效、长效、靶向、毒副作用低等优点，对于提高药物的利用率和减少对正常组织和细胞的毒副作用具有重要意义，在靶向胃肠道给药和抗癌给药等药物体系构建中受到了重点关注[45-46]。

木质素及其改性材料分子结构中含有丰富的羟基、羧基等官能团，这些官能团可以在不同pH 条件下可以发生电离或质子化，引起木质素结构变化，从而实现药物有效成分的pH响应性给送。

Alqahtani等[21]发现木质素纳米粒子负载姜黄素的缓释行为存在明显的pH 响应性，在酸性胃液模拟条件下，木质素的酚基和柠檬酸羧基之间形成氢键，结构收缩，延缓姜黄素释放，4h 姜黄素的释放量仅有8.7%；在肠液中性模拟条件下，氢键电离引起木质素溶胀，姜黄素释放和扩散加快，8h后，姜黄素的释放量达35%左右。

戴林等[47]采用氨基聚乙二醇羧基（NH2-PEGCOOH）对木质素接枝改性，制备木质素纳米粒子（LRNPs），并与羧甲基壳聚糖（CS）复合得到LRNPs/CS 水凝胶[图4(a)]，作为反式白藜芦醇（RSV）的输送载体。不同水凝胶负载药物的释放结果如图4(b)所示，LRNPs/CS 水凝胶作为载体时，药物释放显著减慢，并且表现出显著的pH响应性，在pH=8.5 的碱性环境中，水凝胶结构溶胀，同时羧化木质素间的静电斥力使得药物和载体间的作用力减弱，7h 内药物释放速率达80%；在接近正常皮肤的弱酸性环境中（pH=6.0），水凝胶结构收缩，药物和载体作用力增强，使得药物释放显著减缓，在7h 内释放率不到10%，24h 内释放率仅为20%。该工作主要是通过木质素接枝羧化改性提高羧基含量，并与壳聚糖复合形成水凝胶，提高了木质素纳米粒子载体结构的收缩性，因而增强了pH响应的显著性。

图4 羧甲基壳聚糖/木质素纳米粒子复合水凝胶及其pH响应性控释性能[47]

Pishnamazi 等[48]发现羧化改性木质素具有更快的崩解速度，可以有效延缓药物释放，并通过羧基的质子化和离子化实现药物释放行为的pH响应性。在pH为1.2时，羧基部分质子化，木质素羧基之间的静电斥力降低，水凝胶结构收缩，药物释放受阻，20min 内扑热息痛释放率仅有50%；在pH 为7.2 时，羧基离子化，带负电荷的离子相互排斥，木质素水凝胶溶胀，药物释放显著加快，20min内扑热息痛释放率达75%。

邱学青教授课题组[18]将季铵化碱木质素与磺酸钠在乙醇/水混合物中自组装成木质素纳米胶束，作为布洛芬的输送载体，在胃液模拟环境（pH=1.2）中，24h 内布洛芬释放量仅为24.1%，由胃液环境输送至肠液环境过程中，随着pH 升高，木质素羧基发生电离，电荷间的静电斥力使得胶束结构解离，从而释放在酸性胃液中被截留的布洛芬，在肠液模拟中性环境（pH=7.4）中，24h内布洛芬释放量可高达96.1%。与前文所述Pishnamazi 等[48]的工作相比，该体系通过羧基电离时纳米胶束结构解离过程，放大了pH 升高过程中静电斥力对于药物释放的速率提升，因而表现出更为显著的pH 响应性（由pH=1.2 酸性条件到pH=7.4 中性条件的药物释放率分别为：24h 内24.1%、96%和20min 内50%，75%）。2021 年，邱学青教授课题组[22]通过创新制备方法，采用一步法制得了100～400nm 的均一木质素空心纳米球负载的布洛芬药物复合体系。药物释放结果显示，在pH为1.2时，布洛芬的释放非常缓慢，24h后释放率约为18%；然而，在pH=7.5 下，24h 的释放率高达94%。该体系的pH响应性行为主要是碱性条件下羧基的电离产生的静电斥力，削弱了药物与载体间的作用力，同时木质素纳米球膨胀，孔道扩张，使药物释放显著加快。近期，该课题组[23]通过两步法制备了pH 响应性的硫酸盐木质素电荷反转纳米球，作为姜黄素的药物载体。研究发现姜黄素的释放行为表现出显著的pH 响应性，在pH=5.7 时120h 的释放率为76.82%，而在pH=7.4时120h内释放率仅为12.92%。

如表1 所示，近年来，pH 响应性木质素材料作为智能给药载体的研究也逐渐增多。与传统的有机高分子型聚合物需要通过接枝引入pH 敏感型单体不同，木质素基智能材料是通过结构中的羟基和羧基官能团实现pH 响应性，制备过程更为简便，避免了有机试剂的引入，具有更好的生物相容性和无毒易降解性，但存在载药量低、响应敏感性不强等问题，如何通过纳米材料复合和结构的精细化调控实现高灵敏度响应性智能给药体系的开发是目前研究的重点方向。

表1 pH响应性木质素基智能给药体系

2.2 木质素在智能控释肥料体系中的应用

2.2.1 木质素在肥料中的应用基础

木质纤维素作为地球上最丰富的可再生有机碳来源，本身就是良好的有机肥原料。同时，木质素作为一种天然脲酶抑制剂，可以减缓肥料在土壤中的分解。木质素结构中的酚羟基及其他含氧活性基团，可以使木质素降解转化为腐殖质，提高土壤通透性，固定或吸附土壤中的重金属离子，修复重金属污染的土壤。因此，木质素基材料在肥料养分的缓控释放研究中有良好的应用基础[9-11]。

传统肥料施入土壤后会迅速溶解，影响肥料的利用率，并且肥料养分释放与作物需肥规律的不协调会造成肥料浪费，影响作物的养分吸收和肥效。多次重复施肥不仅导致肥料和劳动力资源的浪费，而且会破坏作物根系细胞和土壤结构，降低作物产量，甚至污染地表水和地下水，引起土壤盐碱化。因此能够根据环境条件的变化，自主调节养分释放速率的绿色智能肥料成为绿色农业发展时代的必然选择[25,49]。木质素可以通过范德华力物理吸附或化学螯合反应与植物生长所需的营养元素复合，木质素在土壤微生物或作物根系分泌物的作用下缓慢降解，延长营养元素的释放周期，成为了缓控释肥料的重要载体。

2.2.2 木质素基控释肥料的研究进展

近年来，随着肥料行业节能减排、提质增效相关要求的实施，缓控释肥料的研究受到了越来越多的关注，凭借有机质丰富、可降解、环境友好等特性，木质素基缓控释肥料在也有了较快的发展。目前木质素基缓释肥料的制备主要有化学改性[图5(a)]、螯合改性[图5(b)]、包膜改性[图5(c)]三种方式[9]。

图5 木质素基控释肥料的改性[11]

化学改性主要是通过图5(a)所示的木质素氨氧化反应或曼尼希反应，在木质素分子结构中引入含氮官能团或组分，增加肥料中养分氮含量。Jiao等[50]通过曼尼希反应将氨基基团复合到羟基化木质素大分子上，在最佳反应条件下，氨化木质素的氮含量可达10.2%。胺化木质素在土壤中的氮释放动力学分析发现NH4+的累计浸出量在28 天内只有细微变化，28 天后胺化木质素可以在土壤环境中缓慢地降解并释放氮元素，延长养分释放周期以满足植物整个生长期的养分需求。Ramı́rez-Cano等[51]研究了施用氨氧化木质素氮肥和尿素对高粱生物量和含氮量的影响。结果显示，施用氨氧化木质素氮肥的高粱生物量约为200g，生物量中的平均氮含量为1.62%，而施用尿素的高粱生物量约为130g，生物量中的平均氮含量为2.15%。表明氨氧化木质素氮肥经过土壤微生物降解，缓慢释放氮素，更加利于高粱作物对氮素的吸收，使得氨氧化木质素氮肥的利用率远大于尿素。

木质素结构上含有丰富的活性官能团（脂肪族羟基、酚羟基和羰基），这些基团中的氧原子电子对易与金属离子发生如图5(b)所示的络合物螯合反应，调控相关营养元素的释放。兰州大学柳明珠教授团队[52]将胺化木质素与Fe3+螯合，并通过静电作用吸附H2PO-4制备含有磷、铁元素的木质素肥料M/ALFeF，施用30 天后，铁和磷元素的释放率分别达到67.2%和69.1%。这种持续释放模式有利于在农作物生长早期快速提供较多养分，后续减缓养分释放，与作物生长的需肥规律保持一致。

包膜改性主要是利用木质素材料的物理性阻碍和吸附性能，减缓水分子流入及木质素内部肥料营养元素流出，达到养分缓释的目的[如图5(c)所示]。García 等[53]使用木质素作为涂层，亚麻油作为密封剂，研究不同包膜厚度对肥料效率的影响。结果表明，随着包膜厚度从125μm 增加到238μm，养分氮的利用率从32.7%增加到49.9%，淋溶氮损失从68.6%减少到34%。Dos Santos等[54]研究了聚醋酸乙烯酯和木质素混合形成的生物膜覆盖尿素颗粒后肥料中氮的释放率，结果显示，聚合物涂层从52.6μm 增加到80.2μm，氮释放数据的曲率降低了至少1.7 倍，当聚合物涂层从80.2μm 增加到158.9μm 时，曲率至少降低了1.3 倍，即包膜厚度越厚，氮素释放越慢。Zhang等[55]研究了木质素-黏土纳米杂化物和海藻酸钠包膜材料[图6(a)]对尿素释放的调控作用，如图6(b)所示，无包膜尿素在土壤中5天内完全溶解，添加了黏土木质素包膜材料的尿素5天内释放率为43%左右，远低于海藻酸钠包膜缓释肥料。

图6 木质素-黏土双层缓释肥料及其释放行为[55]

上述研究者的工作从不同角度证明了木质素的添加可以通过增加肥料养分含量降低养分释放速率、增强养分与载体的作用控制养分释放、提高养分扩散和流失阻力减少养分流失等方式实现养分的缓控释放，但是如何根据作物生长环境变化和作物生长不同阶段的需肥规律调控养分释放速率，实现作物生长与养分释放的协调同步，是实现肥料智能控释的高阶目标，也是进一步提升肥料利用效率，促进肥料行业绿色可持续发展的重要要求。

2.2.3 pH响应性木质素基智能控释肥料研究应用

pH 响应性控释肥料可以通过土壤或作物根系环境的变化，智能调控肥料养分的释放速率，使养分释放与作物需肥规律或环境变化协调同步，提高肥料利用率。这对于实现农产品优质高产、资源高效、生态环境健康多目标协同的农业绿色发展具有重大理论与实践意义[49]。木质素及其改性材料分子结构中丰富的羟基、羧基等官能团，可以在不同pH 条件下发生电离或质子化。这种木质素材料分子自身结构的pH响应性，可以作为pH响应性木质素基智能控释肥料的研发路径。

Sipponen 等[56]研究了不同pH 条件下复合尿素的酸木质素和钙木质素的溶解度，结果显示，酸木质素的溶解度随着pH 的增加而增加，当pH 为9.5时木质素溶解90%并趋于稳定，而钙木质素在氯化铵/氨缓冲溶液中溶解度随pH 变化不大，在pH为10时，溶解度仅为28%。木质素在不同pH条件的溶解行为也可以作为木质素基材料在pH 响应性智能肥料中应用的参考。

Pang 等[57]采用木质素和甲醛包覆K2HPO4和尿素制备了NPK 缓释肥料微胶囊，由于酸性条件下氢离子容易破坏木质素-尿素-甲醛聚合物中的甲醚键和亚甲基键，使聚合物分子链变短，木质素微胶囊壁厚度减小，降低营养物质扩散的阻力，养分释放加快；碱性条件下，胶囊膜的稳定性提高，降低营养物质向外扩散的速率。在肥料溶解56天后，在5℃、25℃和45℃温度下，pH 为5 和为9 时缓释肥料的失重率分别为66.16%、66.64%、73.39%和37.22%、38.10%、39.53%。

兰州大学柳明珠教授团队[58]利用多巴胺的黏附性和自聚能力，制备了聚多巴胺包膜的磷酸锌铵肥料内核（ZnPN@Pdop），并将壳聚糖和木质素磺酸钠通过层层静电自组装交替沉积在肥料内核表面形成木质素包膜肥料（SAMCF）[图7(a)]。盆栽种植实验中，木质素包膜复合肥料SAMCF 处理后的玉米苗鲜重、干重、株高、茎高、根长均明显优于未包膜肥料，可以有效促进植株的生长[图7(b)]。养分释放动力学结果显示当pH为4、7和10时，磷素的累积释放率分别为63.7%、52.9%和77.7%，氮素的累积释放率分别为65.9%、56.3%和75.0%。这是因为在酸性和碱性条件下，质子化和去质子化作用均会使壳聚糖和木质素磺酸钠聚电解质膜发生静电排斥作用，发生解组装而从肥料表面脱落，水分渗透到肥料内核，促进氮和磷养分的溶解和扩散释放[图7(c)]。

图7 木质素包膜肥料及其施用效果和pH响应机理[58]

Yoon 等[59]采用一步法合成了木质素-铁-羟基磷灰石超分子结构，作物生长初期阶段，根系周围pH 为弱碱性，超分子结构稳定，基本没有养分释放；随着作物生长，根系分泌物中有机酸浓度升高，破坏木质素超分子结构中的非共价相互作用，释放出超分子结构中的磷、钙、铁等养分，满足当前作物生长阶段对养分的需求。这种根系分泌物诱导的pH 响应性智能控释肥料可以实现肥料养分释放与根系感知和作物生长的协调一致，避免资源浪费和养分过量释放引起的环境污染，也符合绿色智能肥料的内涵和发展目标[25]。

木质素及其改性材料分子结构的pH 响应性，可以引起木质素与负载分子间相互作用的变化，实现负载分子的pH响应性可控释放，在pH响应性药物智能控释领域得到了广泛的关注和研究。目前pH 响应性木质素智能控释肥料研究仍处于起步阶段，成果不多。但是木质素在传统缓控释肥料中有良好的应用研究基础，并且环境友好型的木质素基智能缓控释肥料的开发应用对提高肥料养分利用率和绿色农业的可持续发展具有重要意义。研究者在后续研究中可以借鉴相对成熟的智能给药体系中pH 响应性木质素材料的制备、结构调控和复合方法，促进其在绿色智能肥料领域的拓展应用。

3 结语与展望

木质素作为一种来源广、储量大的可再生资源典型代表，其资源有效开发和高值利用具有重要的意义。随着人们对可再生资源的日益重视，木质素独特的结构和抗氧化、抗菌、抗紫外光辐射、高反应活性官能团、易与其他产品分子复合等特性逐渐被发掘关注，也促进了木质素在药物、肥料等产品负载控释和提质增效领域的研究和应用。本文从木质素的结构特点出发，重点论述了木质素基控释材料在负载药物和肥料产品体系中的应用基础和研究进展。

经过总结，认为关于木质素基智能控释体系的设计开发，未来可以重点关注的方向包括以下方面。

（1）木质素基智能给药体系的基础应用研究较为成熟和深入，开拓了诸如木质素纳米化、木质素纳米材料复合改性等精细化调控改性方式，表现出了良好的智能控释效果，可以为肥料等其他产品的智能控释体系构建提供借鉴和指导。

（2）以pH 响应性为代表的环境响应型智能控释体系的构建对于药物、肥料等产品的安全绿色高效施用具有重要意义。虽然取得了一定的研究进展，但是仍存在材料制备过程繁琐、成本高，负载率和封装率低，响应灵敏度不足等问题，未来相关领域的研究重点和难点应集中于简便、高效木质素纳米材料制备及高效药物、肥料负载封装方法的开发，降低材料制备成本，提高产品负载率和包封率，推进木质素基智能控释材料的实用化进程等方面。上述问题的研究和借鉴，对于解决生物医药安全有效性的提升和绿色农业的可持续发展具有重要的现实意义，也能够为木质素的资源开发和高值利用提供更多可能。