宾夕法尼亚州立大学Amir Sheikhi等：植物细胞壁状软材料：微纳米工程、特性和应用

研究背景

植物细胞壁(CWs)因其组成、分层结构和独特的机械特性而引起了人们的极大兴趣，促进了仿生材料的工程设计。植物细胞壁的生长阶段和组织类型使其具有高强度、刚度和延展性。为了紧密类细胞壁的特征特性并构建人工植物细胞壁，需要揭示每个成分的贡献以及细胞壁构建块的排列和相互作用。为此，人们投入了大量精力来研究细胞壁形成的生物学机制;然而，分离植物细胞壁成分以深入研究其天然状态并非易事。通过化学或机械处理选择性去除细胞壁构建单元可能会导致降解并损害相应的相互作用。为了克服以上问题，合成人工细胞壁领域开始发展。

类细胞壁材料通常由植物产生的一到三种生物聚合物成分组成。构建合成类细胞壁材料的挑战和机遇仍然存在。构建交联层状结构和木质素等壁聚合物的集成仍然是一个关键挑战。此外，用于开发3D类细胞壁复合材料的生物聚合物仿生组装目前尚未探索。对细胞壁的结构-性能-功能关系的理解与先进的材料制造和合成方法相结合的进步有望克服这些挑战。模拟方法，如有限元分析和粗晶建模，能够预测组装的类细胞壁材料特性，如机械特性、热力学相互作用和输运现象。结构表征有助于揭示连续聚合物的理化性质和纤维间相互作用对材料性能的影响。此外，先进的方法，如基于细菌的原位和非原位材料合成、微流体和增材制造，可以为创建更复杂、更实用和可扩展的类细胞壁材料提供解决方案。

Plant Cell Wall-Like Soft Materials: Micro- and Nanoengineering, Properties, and Applications

Roya Koshani, Mica L. Pitcher, Jingyi Yu, Christine L. Mahajan, Seong H. Kim & Amir Sheikhi

Nano-Micro Letters (2025)17: 103

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01569-0

本文亮点

1. 本综述详细介绍了工程植物类细胞壁软材料，这些材料旨在复制天然植物细胞壁的复杂组成、结构和机械特性。

2. 本综述回顾了创建类细胞壁材料的实验方法，并讨论了相关的表征技术，包括机械、化学、结构和形态分析。

3. 本综述重点介绍了类细胞壁材料在食品包装、食用薄膜、药物输送、建筑材料和生物催化等多个领域的应用。

内容简介

类植物细胞壁(Cell Wall，CW)的软材料，是含有微/纳米颗粒或纤维/原纤维的组装聚合物的复合材料，旨在模拟植物细胞壁的组成、结构和力学。最近出现了类似细胞壁的材料，用于检验与天然植物细胞壁错综复杂的结构-性能关系有关的假设或制造功能性材料。宾夕法尼亚州立大学Amir Sheikhi等通过提炼对主要由植物多糖(包括纤维素、果胶和半纤维素)以及木质素等有机聚合物组成的仿生复合材料的关键研究，回顾了对植物细胞壁和类细胞壁材料的研究。同时，本文回顾了植物细胞壁类复合材料的微纳加工、表征技术和计算机研究，并简要概述了当前和潜在的应用。微/纳米制造方法包括细菌生长和浸渍、逐层组装、薄膜铸造、三维模板微胶囊和颗粒涂层。此外，各种表征技术对于植物细胞壁和类细胞壁材料的全面机械、化学、形态学和结构分析是十分必要的。类细胞壁材料在实际应用中表现出多功能性，包括生物质转化、纸浆和造纸、食品科学、建筑、催化和反应工程。本综述旨在促进植物类细胞壁材料的合理设计和彻底表征，以推进创新软材料的发展并阐明天然细胞壁固有的复杂结构-性能关系。

图文导读

I 类植物细胞壁(Cell Wall, CW)材料的功能、结构及组成

图1. 图1 CW的构架与组合。a 木材CW的分层结构示意图；b 木质化后每层木材CW的成分图；c 基于分子模型的 PCW 示意图;d 基于分子模型的 SCW 示意图。

图1介绍了类似植物细胞壁(Cell Wall, CW)的功能、结构及组成。图1a展示了木材中的CW层，包括Middle Lamella(ML)、Primary Cell Wall(PCW)和Secondary Cell Wall(SCW)，以及管腔(lumen)。SCW由三个子层组成，即S1、S2和 S3，将SCW 与管腔(即中央空隙空间)分开。PCW和SCW层都包含CMF，它们经常捆绑在一起，为CW提供大部分结构强度。图1b展示了木材中木质化CW每层内成分和相应含量的变化。CW的结构取决于结构组件的方向/排列。图1c展示了PCW的结构模型，该模型由嵌入多糖基质中的交叉层状纤维素原纤维网络组成。半纤维素链与CMF非共价结合，而水合的果胶分子形成凝胶状基质，填充刚性纤维素网络之间的空间。与PCW相比，SCW更硬，支撑植物重量;它是在细胞停止生长后形成的。图1d展示了SCW的结构模型，其中半纤维素与CMF结合，木质素通过半纤维素桥接到CMF，表明CMF和木质素不直接相互作用。

II 类植物细胞壁人造植物纤维的制备及性能

图2 通过细菌纤维素薄膜生长和浸渍或LbL组装技术制造植物CW样材料。a 纤维素合成细菌的培养物，在生长培养基中组装纤维素，含有CW多糖和其他生物聚合物。b 细菌纤维素的深蚀刻冻裂TEM显微照片。c 膨胀蛋白对半纤维素-纤维素复合材料延伸的影响。d LbL组装方法的示意图。e 通过旋涂形成的 CNC-木葡聚糖薄膜的厚度与沉积层数的函数关系。f 果胶-伸张蛋白复合材料中果胶和伸张蛋白层的AFM 形貌图像。

图2主要介绍了植物细胞壁(CW)类似材料的两种制备技术——细菌纤维素膜生长和浸渍法、层层自组装(LbL)技术。

2.1 细菌纤维素膜生长和浸渍法

利用细菌纤维素纯度高、聚合度高的优势，在含有植物CW成分的培养基中培养产纤维素细菌，实现体外纤维素组装，模拟天然CW结构(图2a)。例如，Whitney等人在一系列研究中，在半纤维素(如木葡聚糖和葡甘露聚糖)中组装细菌纤维素膜，后续添加膨胀素，探究木葡聚糖和葡甘露聚糖与CMF的结合方式及对CMF网络形成的作用。向培养基中添加木葡聚糖会使细菌纤维素的原纤维出现优先排列(图 2b)，这归因于木葡聚糖通过氢键在细菌CMF间形成交联。不同半纤维素(如半乳甘露聚糖、葡甘露聚糖)与CMF的交联和排列情况各异，且半乳甘露聚糖在浓度较高时会出现自聚集现象。添加膨胀素可显著提高纤维素-木葡聚糖复合材料的延展性(图 2c)，不同类型的木葡聚糖对复合材料延展性的提升效果不同，如与其他相比，罗望子木葡聚糖因长链和高分子量，能使复合材料形成更多交联域，延展性提升更明显。在培养基中添加果胶，会改变CMF的结构组织，降低材料的强度和刚度，但增加极限应变。研究还发现，不同半纤维素对木质素形成有不同影响，如木葡聚糖和水溶性木聚糖促进木质素形成，而半乳葡甘露聚糖则抑制木质素形成。此外，通过该方法制备的不同成分复合材料，其吸水和保水性能不同，添加果胶和木葡聚糖会降低复合材料的水保留能力、电导率和扩散系数。

2.2 层层自组装(Layer-By-Layer, LbL)技术

通过浸涂、旋涂或移液器滴加等方式，在各种基底上交替沉积植物CW成分，构建多层结构(图 2d)。该技术可通过控制材料结构，在CW类似的本体复合材料中创建异质域。

以CNC-木葡聚糖薄膜为例，旋涂法制备的薄膜比浸涂法更均匀。当CNC浓度恒定时，高浓度木葡聚糖溶液因聚合物缠结只能构建2-4个双层，而低浓度溶液可形成无限数量的双层(图 2e)。利用静电驱动的LbL组装制备果胶-伸展蛋白薄膜时，由于果胶和伸展蛋白电荷密度不平衡，导致薄膜生长不均匀(图 2f)。LbL技术还用于研究CW多糖与木质素模型化合物之间的相互作用，如制备木质化CNC薄膜时，发现脱氢聚合物(DHP)与CNC之间存在非共价相互作用，主要通过氢键和疏水相互作用结合。

2.3 膜浇铸

薄膜浇铸通过将CW多糖等成分混合，再经溶剂去除(蒸发、交联或过滤)来构建植物类CW薄膜(图 3a)。通过研究木质素含量对酶解纤维素时其顽固性的影响，发现增加木质素含量会阻碍酶解(图 3b)。同时，还制备了人工木质化薄膜研究其机械性能(图 3c)，结果表明，木质素含量和CNC、半纤维素的组成比例对薄膜的吸湿、机械等性能有显著影响。

2.4 3D模板制造技术

3D模板微胶囊和颗粒涂层过基于液体或固体的3D模板和颗粒涂层构建类CW结构(图 3d)。以碳酸钙为模板制备的微胶囊，其具有类似植物CW的性能，如在水和盐溶液中对不同大小的葡聚糖分子表现出不同的渗透性(图 3d)。通过改变微胶囊壁的组成可调节其渗透性，如增加木葡聚糖、减少果胶含量会降低微胶囊在盐溶液中的渗透性。

利用液体核心模板法制备的微胶囊也具有独特性能。例如，由短CNF和CNC混合制备的微胶囊具有高机械强度(图 3e)。更复杂的微胶囊模拟了植物CW和膜的结构，如 “植物小体”在 pH变化时会发生可逆变形和形成微管状突起(图 3f)，类似植物细胞生长时的膨胀行为，并且在添加镁离子后会发生塌陷。

图3 通过薄膜铸造和3D模板技术制造植物CW类材料。a 通过结合CW多糖构建植物CW样薄膜的薄膜流延技术示意图。b 原位木质化流延膜的纳米压痕模量。c 含有c-CLPs的流延膜的拉伸应力-应变图。d 使用基于液体或固体的3D模板和颗粒涂层技术组装类CW微胶囊。e CNC微胶囊的SEM图像。f 脂质体模板制备的植物小体在pH从8增加到8.6时，通过可逆变形和微管状突起的形成，模拟了原生植物细胞的胀压机制。

III 类植物细胞壁材料的表征

图4主要展示了利用分子动力学(MD)模拟对植物细胞壁进行的计算机研究成果，通过构建模型从多个角度分析了CW的结构与性能关系，为深入理解CW力学行为提供了理论依据。

Zhang等人构建了粗粒度MD模型，该模型由代表不同壁聚合物物理参数及其相互作用势的珠子链组成。经过能量平衡后，成功模拟出CW的复杂结构，每个薄片都有排列的CMF嵌入基质聚合物中。通过该模型分析单个CW组件的应力-应变响应，发现即使在果胶含量较高且木葡聚糖与CMF相互作用的情况下，CMF仍承担主要应力。

MD 模拟用于探究水合作用对木材CW的结构、物理和机械性能的影响。在构建模拟软木CWS2 层的复合材料模型时，将CNC模拟为六边形排列的链，嵌入由不同成分组成的基质中以模拟CMF。研究发现，CW S2 层在纵向膨胀最小，横向膨胀显著。CMF主要控制CW模量和纵向膨胀，而半纤维素对水吸附超敏感，水易到达纤维素-半纤维素界面，破坏分子间氢键，削弱原纤维-基质界面。建模结果还表明，半纤维素主要调节CW模量和横向膨胀，木质素作为与水合作用无关的成分，起到填充原纤维间空间的作用。

图4 使用MD模拟对植物CW进行计算机研究。

天然CW和植物CW类材料已使用不同的技术从化学、结构和/或机械角度进行了表征，如图 5所示。例如，常用于形貌和结构表征的原子力显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜及X射线散射技术、石英晶体微天平等，用于机械性能分析的单轴、双轴测试及纳米压痕等，以及用于化学特性分析的和核磁共振、傅里叶变换红外等等技术。本文简要描述了这些技术，并提供了天然和人工CW的分析示例。

图5 用于天然和人工植物连续体的机械、形态学、结构和化学表征的不同技术。

图 6 围绕植物类细胞壁材料的形态和结构表征展开，运用多种技术从不同角度对其进行研究。AFM是最常用的显微镜技术之一，用于在纳米尺度上绘制完整植物CW和类CW复合材料的形貌。图6a展示了自组装的木葡聚糖链束的AFM高度图像。单个木葡聚糖原纤维具有周期为~115 nm且弯曲角度为~128°的螺旋结构。电子显微镜技术，如SEM和TEM，已被广泛用于在微米和纳米尺度上可视化CMF和其他CW生物聚合物(如半纤维素、果胶和木质素颗粒)的形态和排列。SEM 可观察到中空类CW微胶囊表面 CNC 的分布情况，短纳米棒形成的界面网络更密集；深蚀刻冷冻断裂 TEM 显示，细菌纤维素与木葡聚糖复合后，CMF 呈现高度取向、交叉桥接结构，木葡聚糖起到促进侧向排列的作用。

QCM可实时监测类CW材料中沉积层厚度，通过质量变化与共振频率改变的关系，计算吸附层质量。如在果胶-伸展蛋白薄膜的研究中，根据频率变化可判断果胶和伸展蛋白的吸附情况，进而确定 LbL 薄膜的生长 。QCM-D 不仅能测量频率变化，还能获取耗散位移信息，用于研究纤维素、木质素和半纤维素之间的相互作用，以及多糖在类CW材料表面的吸附动力学。图6d 显示了 QCM 晶体的频移 (Δf) 与沉积果胶层和伸长蛋白层的数量的关系。当果胶沉积时，Δf 降低，表明果胶吸附成功;然而，在扩展素沉积时，Δf 增加，这归因于扩展素低电荷密度。

图6 植物CW类材料的形态和结构特征。

为了评估CW样薄膜和细菌薄膜的机械性能，使用了单轴和双轴机械测试。蠕变通常由定制的单轴恒力引伸计测量，图7a 显示了单轴恒力引伸计的方案，记录了粘弹性CW类材料在恒定张力下随时间变化的位移用于对高度水合的CW类复合材料进行双轴拉伸测试，从而能够模拟和分析CW膨胀过程中发生的双轴变形。图7b显示了一种双轴拉伸测试设置方案，通过该方案，从一侧对植物类CW膜或水凝胶施加压力，并记录相应的挠度。

对于 SCW，AFM可以测量纳米级压痕模量并对CMF的详细特征进行成像，揭示微原纤维角等结构方面。这些细节对于理解CW如何抵抗压缩和提供机械支撑至关重要。图7c显示了杨木纤维CW层的AFM图像和压痕模量。AFM拓扑图像和CW层的不同模量证实了三个层，包括ML/PCW(~ 17 GPa)和两个SCW层 (S1~21 GPa和S2~26 GPa)

图7 植物CW类材料的机械特性。

图 8 主要展示了植物细胞壁(CW)及类似CW材料的化学表征技术及相关分析结果，涵盖 NMR 光谱、FTIR 光谱及显微光谱、Nano – FTIR 光谱、SFG 光谱等技术在研究CW化学成分、结构和相互作用方面的应用。

通过对玉米茎的固态NMR分析(图 8a)，研究木质素-多糖相互作用，发现木质素主要与木聚糖结合，而非纤维素 ，且结合依赖物理接触，尤其是静电相互作用。

FTIR光谱可用于分析人工球形CW的纤维素同质异晶体、结晶和氢键变化。例如，在细菌纤维素培养基中加入木聚糖和木葡聚糖会使纤维素同质异晶体发生转变，且表明果胶和半纤维素会破坏CMF之间的氢键。在CNC-聚乙烯亚胺微胶囊研究中，通过FTIR光谱(图 8b)发现处的峰及肩峰，表明CNC和聚乙烯亚胺之间形成了氢键网络。

FTIR 显微光谱：结合偏光器的偏振FTIR显微光谱用于研究完整CW的原位变化。以洋葱组织为例(图8c-e)，在不同状态下，通过分析平行和垂直偏振光下的光谱及相减光谱，可评估CW多糖的取向，了解机械应力对细胞壁结构排列和分子相互作用的影响。此外，该技术还用于研究细胞伸长方向上特定官能团的取向。

在对杨树CW的研究中(图 8f)，Nano-FTIR光谱可得到SCWs和MLs中生物聚合物组成和数量的空间变化信息，发现杨树ML的纤维素结构无序，多糖和木质素含量的空间变异性较大，该技术对分析LbL组装的CW材料具有重要价值。

SFG光谱用于研究植物CW中CMF的中尺度极性和组装。研究发现，拉伸取向的CNC薄膜在 SFG光谱中特定区域有特定信号，而随机堆积的CNC薄膜光谱不同(图 8g)。对比不同植物CW的SFG光谱(图 8h、i)，发现陆地植物SCW和其他材料如细菌生物膜、藻类CW等的光谱特征存在差异，可据此研究CMF的组装情况。

图8 植物CW和类CW材料的化学表征。

IV 总结

植物具有卓越的机械和结构特性，这源于分层CW、CW组件之间的复杂相互作用以及它们的精确对准和组装。直接在植物中研究CW组分和层的特性存在局限性，因此没有回答有关植物如何构建其CW的关键问题。使用单个CW组件的自下而上的组装方法可能会为植物CW中的机械特性、空间组织和生物聚合物相互作用提供有价值的见解，这些方面通常很难直接在植物内部进行研究。此外，通过自下而上的方法制造的类CW材料在纸浆和造纸、特种化学品、生物医学、食品科学和包装等不同领域都有前景。制造方法包括细菌生长和浸渍、LbL 组装、薄膜铸造、微胶囊的3D模板和颗粒涂层，所有这些都可以通过计算机建模进行指导。尽管这些技术成功地实现了模拟天然CW结构和功能特性的人工CW的开发，但将其扩大用于工业应用仍然是一项重大挑战。例如，细菌纤维素生长和LbL组装是耗时的过程，这可能会限制它们大规模生产的经济可行性。虽然薄膜流延和颗粒涂层方法更直接，但它们通常需要高度受控的条件，例如特定的湿度、温度、pH值和溶剂，这在工业环境中可能难以维持。此外，将这些方法集成到现有制造工艺中需要在设备和加工方案方面进行重大修改。为了提高人工植物CW在工业环境中的适用性，未来的研究可能侧重于开发可扩展的制造技术。应对这些挑战可能需要优化现有方法以减少加工时间和成本，或者开发具有固有可扩展性且适合大规模生产的全新方法。例如，将增材制造技术与先进的生物材料相结合，可能为大规模快速且经济高效地生产类CW材料提供一条有前途的途径。学术界和工业界之间的合作对于将这些实验室规模的方法成功转化为实用的、商业上可行的解决方案至关重要。

天然植物CW和类CW材料需要详细的机械、化学、形态和结构表征，以揭示其复杂的特性并释放它们在各种应用中的全部潜力。对于CW的力学分析，已经进行了多轴力学测试、AFM 纳米压痕和纳米FTIR光谱。此外，1D/2D NMR、FTIR和SFG波谱提供了有关天然、水合和应激状态下CW组分相互作用的基本信息。形态、晶体结构和分子间/纤维间取向/相互作用已使用显微镜(包括 AFM、TEM和SEM)以及散射技术(例如XRD、SAXS、WAXS和SANS)和QCM-D分别进行了分析。复制天然CW的努力为连续波生物聚合物的结构-性能关系带来了新的见解。虽然类CW材料提供了有关植物CW成分之间相互作用的宝贵信息，但这些见解的准确性和对真实CW的适用性值得进一步验证。目前的类CW材料仍然缺乏复制关键CW特性的能力，例如PCW的交叉层状壁结构、木质素在SCW中的整合以及应力-应变行为。值得注意的是，模拟CW可能能够构建坚固、轻质和可持续的复合材料、用于医疗应用的生物相容性载体以及可生物降解和智能包装，以及有助于实现联合国可持续发展目标的许多其他应用。总体而言，通过回顾当前有关类CW材料的文献，本文旨在为指导新一代植物类CW软材料的制备、表征和应用提供资源。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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