基于木质素的控释/缓释水凝胶：整合机械增强与生物活性的创新研究

一、研究团队与发表信息
本研究由南京林业大学国际林业化学与材料创新中心、江苏省林业资源高效利用协同创新中心的Bowei Wang、Dingkun Qiu、Yihui Gu等团队完成，通讯作者为Bo Jiang和Yongcan Jin。研究成果发表于*Journal of Bioresources and Bioproducts*（2025年，第10卷，62-76页），开放获取（CC BY-NC-ND 4.0许可）。

二、学术背景与研究目标
木质素（lignin）作为植物细胞壁的天然活性成分，因其丰富的酚羟基和磺酸基团，具有抗氧化、抗菌等生物活性，在生物医学领域（如伤口愈合）潜力巨大。然而，高浓度木质素在体内积累可能引发生物毒性（如氧化应激、细胞凋亡）。传统水凝胶（hydrogel）虽能作为药物载体，但机械性能不足且缺乏智能释放功能。
本研究旨在开发一种聚乙烯醇/壳聚糖/磺化木质素水凝胶（PVA-CS-L），通过非共价键网络（范德华力、氢键、静电相互作用）实现木质素的控释/缓释，同时提升水凝胶的机械强度与生物活性，为负载型生物活性材料提供低成本、易操作的解决方案。

三、研究流程与方法
1. 材料制备
- 原料：采用三种磺化木质素（Reax 88A、Polyfon O、Reax 907），分子量及磺化度各异；聚乙烯醇（PVA）、壳聚糖（CS）、表没食子儿茶素没食子酸酯（EGCG）为模型药物。
- 水凝胶合成：将PVA（15% w/w）与木质素（4% w/w）溶液混合，加入CS溶液（5% w/w），通过冻融循环法（-20°C冷冻20小时，4°C解冻4小时，重复两次）构建三维网络。

1. 表征与性能测试

   • 结构分析：傅里叶变换红外光谱（FT-IR）证实木质素与PVA/CS间形成氢键和静电相互作用；扫描电镜（SEM）显示木质素使水凝胶孔径更致密（平均14.7–17 nm）。
     
   • 机械性能：拉伸/压缩测试表明，PVA-CS-L的拉伸强度（~36 kPa）、压缩强度（~900 kPa）和压缩韧性（~9.0 MJ/m³）显著优于PVA-CS（31 kPa、680 kPa、7.5 MJ/m³），归因于木质素诱导的能量耗散网络。
     
   • 控释行为：透析袋法模拟释放显示，静电相互作用使木质素在pH 5.5环境下缓释（14天释放23.2–60.1%），而在pH 7.4时加速释放（40.1–95.4%），符合伤口微环境pH响应需求。
     

2. 生物活性评估

   • 细胞相容性：MTT实验证实，水凝胶提取液处理24小时后，3T3-L1细胞存活率>100%，且促进增殖。
     
   • 抗氧化与抗菌：释放的木质素清除活性氧（ROS）效率显著；对金黄色葡萄球菌（S. aureus）抑菌圈直径随浓度增加（5–15 mg/mL），但对大肠杆菌（E. coli）和白色念珠菌（C. albicans）无效。
     
   • 药物协同释放：EGCG与木质素共载时，通过π-π相互作用进一步延缓释放，延长药物作用时间。
     

四、主要研究结果
1. 机械增强机制：高磺化度木质素（Reax 88A）和高分子量木质素（Reax 907）通过更多氢键/静电相互作用提升水凝胶强度，冻融循环次数增加（2次）可进一步提高结晶度（45%）。
2. pH响应释放：CS的氨基在酸性环境中质子化（-NH₃⁺），与木质素-SO₃⁻形成静电相互作用，实现缓释；碱性环境中去质子化（-NH₂）导致快速释放。
3. 生物功能验证：木质素的酚羟基清除ROS，降低氧化应激；抑菌活性依赖其酚羟基和甲基基团，对革兰氏阳性菌更有效。

五、研究结论与价值
本研究成功开发了一种兼具机械强度与生物活性的木质素基水凝胶，其创新点在于：
1. 多功能整合：通过木质素的非共价键网络同步实现机械增强、pH响应释放和生物活性。
2. 临床应用潜力：适用于慢性伤口（如糖尿病溃疡）的智能治疗，避免药物突释毒性。
3. 可持续性：利用造纸副产物木质素，推动生物质高值化利用。

六、研究亮点
- 方法创新：首次将木质素的机械增强与控释功能结合，提出“动态静电相互作用”调控释放策略。
- 性能优势：水凝胶的压缩强度（900 kPa）超越多数报道的天然聚合物基材料。
- 跨学科意义：为生物医学材料设计提供“结构-功能一体化”新思路。

七、其他价值
该研究为木质素在组织工程、药物递送等领域的应用开辟了新途径，未来可探索其在不同病理环境（如肿瘤微环境）中的适应性。