综述：植物基纳米材料在食品、医药和环境修复中的可持续应用

《International Journal of Cardiology Congenital Heart Disease》：Plant-based nanomaterials for sustainable applications in food, medicine, and environmental remediation: A review

本综述系统阐述了植物基纳米材料作为合成纳米材料的可持续替代品，在生物传感、药物递送和环境污染修复等领域的创新应用。文章重点介绍了纤维素纳米晶（CNCs）、木质素纳米颗粒（LNPs）等材料的独特性质（如高比表面积、生物相容性）及其在疾病诊断、食品包装、植物病原体控制等方面的最新进展，并讨论了规模化生产、功能优化等挑战与未来趋势。

　　

植物基纳米材料：绿色科技的多领域应用前沿

引言

随着现代科技的发展，传统检测与治疗方法在成本、效率和实时性方面面临挑战。纳米技术与生物技术的融合为开发高灵敏度、高选择性的纳米生物传感器和创新治疗策略提供了新的机遇。然而，传统的金属纳米颗粒、碳纳米管等纳米材料因其高成本、复杂工艺及潜在环境与健康风险，限制了其大规模应用。因此，研究人员将目光转向了可再生、环境友好的植物基材料。这些源自纤维素、木质素和半纤维素的纳米材料，具有生物相容性、可生物降解性和可调控的化学功能等独特性质，为生物医学、农业和环境领域提供了可持续的解决方案。

植物基纳米材料的类型

植物基纳米材料主要包括纤维素纳米纤丝（CNFs）、纤维素纳米晶（CNCs）、木质素纳米颗粒（LNPs）、半纤维素基纳米材料以及生物质衍生碳材料（如碳量子点CQDs）。这些材料来源于木材、农业秸秆、柑橘皮等丰富的木质纤维素生物质，通过物理、化学或酶法处理转化为纳米结构。它们的高比表面积和丰富表面官能团为其功能化改性（如与抗体、酶、核酸结合）奠定了基础，从而能够构建低毒性、可生物降解的高灵敏度复合材料。

植物基纳米材料生物传感器

生物传感器通过识别元件与转换元件的协同作用，将目标分子的存在或浓度变化转换为可检测信号。植物基纳米材料，如CNFs和LNPs，因其高比表面积和丰富官能团，成为构建生物传感器的理想基质。例如，源自棉副产品的CNFs被设计为生物传感器的换能器表面，用于检测炎症生物标志物，其优化的连接化学显著增强了荧光响应，为伤口护理中的即时诊断提供了新机会。此外，通过碳化、官能团修饰或复合制备，植物基材料可转化为多孔碳等衍生物，在电化学传感和能量存储中展现出应用潜力。

食品包装和保存

食品包装的核心目标是保护食品免受环境污染并延长其保质期。植物基纳米材料因其可再生性、可调控的表面化学、机械强度以及优异的阻隔性能（针对氧气、水、光）而非常适合用于食品包装。它们还可被赋予抗菌和抗氧化功能。例如，含有植物基纳米材料的活性包装系统能有效抑制病原微生物生长，保持食品质量和安全。

植物基纳米材料在疾病检测和治疗中的应用

在疾病检测与治疗领域，植物基纳米材料显示出巨大潜力。其生物相容性和功能多样性有助于改善医学诊断、实现精确细胞标记与成像、增强靶向药物递送。例如，基于植物材料的纳米载体能够实现生物系统内的精确靶向和控制药物释放，减少药物浪费和副作用，在个性化医疗和再生医学中应用前景广阔。这些绿色载体通过掺入酶或药物分子，可实现治疗剂的智能递送。

植物基纳米材料在植物病原体检测和控制中的应用

农业病原体控制需要高效的递送系统，以抑制病害并减少化学品过度使用带来的环境损害。植物基纳米材料以其可生物降解性、靶向递送能力和环境友好特性，为作物保护提供了可持续替代方案。它们可用于构建快速现场检测传感器，监测植物病原体，也可作为纳米农药载体，提高农药利用率并降低环境风险。

主要挑战和技术瓶颈

尽管植物基纳米材料具有显著优势，但其实际应用仍面临挑战。首先，制备过程缺乏标准化，植物来源和提取方法的差异导致材料性能（如尺寸、形态）波动，影响批次间一致性。其次，功能优化和稳定性（如在复杂环境中的长期性能）仍需改进。此外，监管考量、生物安全性评估以及大规模生产成本控制也是制约其产业化的重要因素。

未来趋势与展望

未来研究将侧重于开发绿色、可规模化的高效制备技术，以及具有多重响应特性的复合材料。跨学科合作将推动植物基纳米材料在个性化医疗、智能包装、环境修复等领域的创新应用。例如，模块化纳米纸电子器件、具有超弹性和高油水分离效率的CNF气凝胶等新兴技术，展示了材料在可穿戴设备和废水修复中的实用价值。

结论

植物基纳米材料作为绿色技术的关键组成部分，在食品、医药和环境修复等多领域展现出巨大应用潜力。其天然来源、可生物降解性和多功能物理化学特性，为应对公共卫生、食品安全和环境保护等全球性挑战提供了可持续的解决方案。通过持续的技术创新和跨学科合作，这些材料有望在未来科技发展中发挥更重要的作用。