木质素基中空微纳米结构的自组装构筑及其形态控制机理

Designs and controllable fabrications of hollow micro-nano materials from renewable natural resources have recently become an increasingly important research branch in materials area. This research conducts molecular design and molecular structural rearrangement of lignin biological materials by application of the click reactions between lignin and other polymer chains. Azide groups, polyethylene glycol chains and other polymer chains are grafted onto lignin, which make lignin amphiphilic molecular structures. Fabrication of the ordered hollow micro-nano structure is achieved by the interaction between molecular chains and selective solvent system. The effect of modified molecular chains on the click reactions and the self-assembly of lignin hollow micro-nano structure is studied, as well as the structure-activity relations between molecular chains and the hollow micro-nano structures. Growth course of the lignin hollow micro-nano structure is revealed, and the control mechanisms of the lignin particle size are proposed. The regulation mechanism among molecular design, controllable fabrications and the hollow micro-nano structure and performance are established. This research will provide new method for the bio hollow nano-materials based on lignin and the value-added application of renewable lignin resources.

由木质纤维等天然可再生资源衍生微纳米材料，已成为林业资源高值化利用的新兴研究方向。对于储量丰富的木质素资源，在微纳米尺度实现其中空结构的可控构筑对于木质素的结构形态控制与包载功能拓展具有重要的理论意义。. 经前期研究发现，木质素具有组装形成中空微纳米粒子的结构基础，本项目据此提出，针对木质素的分子结构特点进行链段设计与结构重组，获得具有特定两亲性链段结构的木质素分子，通过单个分子的自组装形成具有规整单元的有序中空微纳米结构。. 重点研究不同结构的链段单元对点击化学修饰及自组装的影响规律，剖析链段组成与中空微纳米结构组装之间的构效关系，揭示其生长历程，提出形态控制机理，建立链段反应重构-可控自组装-中空微纳米结构与形态三者之间的调控机制。. 项目的研究结果将为木质素基中空微纳米材料的开发提供理论依据，也能够为木质素资源的高值化利用奠定理论基础。

木质素是一种由苯丙烷单元组成的芳香烃聚合物，是继纤维素之后世界上最丰富的可再生自然资源。然而，由于木质素的复杂结构导致其没有被广泛应用。由木质纤维等天然可再生资源衍生微纳米材料，已成为林业资源高值化利用的新兴研究方向。对于储量丰富的木质素资源，在微纳米尺度实现其中空结构的可控构筑对于木质素的结构形态控制与包载功能拓展具有重要的理论意义。.本项目针对木质素的分子结构特点进行链段设计与结构重组，并对木质素进行修饰，通过可控自组装实现中空微纳米结构的构筑。随着去离子水的逐步滴加，其由分散相逐步转变为连续相，在相转变后，木质素分子从外到内在π-π作用下层层自组装形成微纳米球，且微纳米球具有相对疏水的外表面和相对亲水的内表面。由于自组装过程中微纳米球内外表面产生压力差致使微纳米球形成开口。增加滴定前木质素浓度会导致微纳米球粒径和壁厚增大，而微纳米球开口直径、比表面积和孔体积减小，揭示了木质素可控自组装、中空微纳米结构与形态调控机制，实现了木质素的化学修饰与重构。在化学修饰木质素微纳米球方面，揭示了木质素基中空纳米球的结构对阿霉素包封和释放行为的影响，实现药物的有效包载与缓释；揭示木质素中空纳米结构的化学调控修饰机理，实现微球包载性能的有效增容；构筑木质素基层层自组装化学修饰结构，实现纳米微球的双靶向包载；并采用化学修饰实现木质素纳米球的有效追踪。.项目合计发表基金标注的英文专著特邀章节1章，发表基金标注的论文7篇，其中SCI收录论文5篇、EI收录论文1篇，申请国家发明专利1件。项目的研究结果可为木质素基可再生中空微纳米材料的开发奠定理论基础，也能够为木质素资源的高值化利用开拓广阔前景。