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  背景：在全球塑料污染治理與限塑政策強化的雙重背景下，加快可持續生物塑料的研發應用以取代傳統石油基塑料，已成為緩解環境壓力、促進綠色發展的關鍵舉措。傳統塑料不僅因其難降解性導致微塑料在生態環境中持久蓄積，威脅生物多樣性，其生產過程還伴隨著高能耗和有毒化學物質排放等環境風險。而生物塑料憑借原料可再生、工藝簡單、可自然降解等優勢，展現出顯著的環保替代價值。這類材料不僅能來源于生物質資源，還可以快速分解為環境友好型物質，有效降低生態系統的長期負荷，更通過“生產-使用-降解”的閉環循環，真正實現了“從自然中來，回自然中去”的可持續發展理念，為破解白色污染難題提供了科學可行的路徑。

  近日，武漢大學鄧紅兵教授、趙澤副教授等人成功利用天然廢棄物生物質資源向日葵花粉與棉花纖維，最小預處理后形成微尺度生物材料，自然干燥后兩種微尺度生物材料共組裝形成纖維-花粉層壓致密結構的新型生物塑料。該生物塑料展現出卓越的力學性能，其拉伸強度可達52.22 MPa，楊氏模量達2.24 GPa，媲美絕大部分的石油基塑料和可降解塑料。還能通過水進行水塑形和水拼接的二次加工，并且輕松實現循環利用和完全生物降解（圖1）。該生物塑料在生產-使用-處置的全過程都無需復雜的化學處理或昂貴的設備，同時還兼具良好的水加工特性、循環利用性和生物降解性，展現了極高的環境友好性和經濟可行性，為解決塑料污染問題提供了創新性解決方案。相關研究成果以“Coassembly of hybrid microscale biomatter for robust, water-processable, and sustainable bioplastics”發表于《Science Advances》。武漢大學博士生邱奕瑾和新加坡國立大學研究員張大川為文章共同第一作者，該研究得到國家自然科學基金委和中央高校基本科研業務費專項資金項目的支持。

圖1 微尺度生物材料共組裝生物塑料的制備、水加工性、循環利用性和可持續性。

結構與化學相互作用：微尺度生物材料纖維與花粉微凝膠的協同效應

  通過脫脂和熱堿處理對天然花粉進行改性，成功將其堅硬的外殼轉化為柔軟、中空且無致敏性的花粉微凝膠，這一過程不僅使花粉顆粒因吸水膨脹而在高濃度下發生聚集，還賦予微凝膠優異的粘度和穩定性（圖2A-D）。同時，天然棉花經除雜和均質化處理后，形成均勻分散的纖維懸浮液（圖2E-F）。當兩者在稀釋狀態下混合時，可形成穩定的漿料，便于刮涂工藝實現規模化制備（圖2G-H）。

  在水分蒸發過程中，花粉微凝膠受界面張力作用逐漸被壓縮成平行排列的層狀結構，而纖維則隨機分布于其中。完全干燥后，微凝膠折疊成緊密堆疊的片層，并被纖維網絡牢固包裹，最終形成纖維-花粉層壓復合結構（圖2I-L）。此外，花粉微凝膠表面的羧基（-COOH）和羥基（-OH）與纖維素羥基（-OH）之間形成分子間氫鍵，使花粉（綠色）作為連續基質緊密填充于纖維（紅色）構建的三維網絡骨架中（圖2M-O），這種多尺度相互作用賦予材料優異的力學性能和結構穩定性。

圖2 纖維和花粉微凝膠之間的結構和化學相互作用。

生物塑料的結構特征和力學性能分析

  該生物塑料巧妙利用了兩種微尺度生物材料的天然結構優勢，通過相互交織形成了一個穩定且致密的纖維-花粉層壓結構，這種獨特的互穿網絡結構不僅賦予了生物塑料良好的光學性質，同時保證了結構的穩定性和致密性（圖3A-F）。力學性能測試表明，含有30%纖維的樣品表現出了卓越的力學性能，其拉伸強度達到了52.22 MPa，楊氏模量為2.24 GPa，斷裂伸長率為6.15%。這些數值表明，該生物塑料的力學性能不僅與廣泛使用的熱塑性塑料和生物可降解塑料相當，甚至在某些方面更為優越（圖3G-I）。此外，生物塑料的拉伸斷裂表面相對較為平整，這一特性歸因于三維纖維網絡作為剛性骨架，通過相互纏結形成有效的應力傳遞路徑，同時，花粉片層基質通過高密度的氫鍵作用與纖維界面形成強結合，有效地填充并連接了纖維網絡（圖3J-L）。這種結構設計實現了生物塑料整體性能的提升，使材料在保持高強度的同時還獲得良好的韌性，為其在實際應用提供了結構基礎。

圖3 生物塑料的結構和力學性能

通過水輔助成型和粘貼，實現環保可塑性

  在傳統商業塑料的加工過程中，通常需要依賴高溫運行的能源密集型復雜設備，然而，在本研究中采用了一種更為環保且節能的方法來加工生物塑料。具體而言，通過簡單的浸泡、固定和干燥步驟，成功地將生物塑料中的纖維-花粉層壓致密結構網絡重新組裝，實現了對其形狀的有效塑形（圖4A-B）。此外，還探索了一種創新的水輔助粘貼技術，僅使用水即可將兩片獨立的生物塑料牢固地粘合在一起。這一過程與成型過程類似，生物塑料的浸水部分沿連接界面能夠自適應并重新組裝，待水分蒸發后，兩個表面便能成功相互嵌入（圖4C-F）。值得注意的是，經過這種水輔助粘貼處理后的生物塑料，其力學性能依然保持在較高水平（圖4G-I）。這表明，水輔助粘貼不僅有效地保留了天然材料的原有性能，還為生物塑料的幾何和功能多樣性開辟了新的可能性，使其在可持續材料領域展現出更廣闊的應用前景。

圖4 生物塑料的水輔助塑形和拼接

多維度和多功能的應用

  通過重復的浸泡和干燥過程，這種生物塑料能夠被可逆地加工成多種不同的形狀，即使經過多次水塑循環，其機械強度也并未減弱，同時還能實現復雜形狀的設計和成型（圖5A-C）。水粘貼技術也能夠將扁平的生物塑料轉化為復雜的三維形狀，如莫比烏斯帶、蝴蝶結和花朵（圖5D）。此外，水粘貼還可以用于連接不同的水成型生物塑料部件，成功仿生自然界的石斛螺旋等復雜形態（圖5E）。為考慮實際應用性，探索了不同相對濕度（RH）水平下（30%、60%和90%）的機械性能，雖然濕度越高其力學強度略有下降，但在RH90%時，其拉伸強度值（約37 MPa）仍與常見塑料相當（圖5F）。基于順序水塑形和水拼接技術，設計了一個方形承重結構。這種結構化的生物塑料僅重0.1克，卻能在不同濕度條件下承受高達1000克的重量（圖5G）。此外，水粘接技術還可以通過堆疊多層薄而柔韌的生物塑料，構建出厚實且剛性的生物塑料，從而設計出特定的機械超材料，例如在外部力作用下能夠在兩個穩定狀態之間切換的雙穩態結構（圖5H-K）。這種生物塑料的多種幾何形狀的便捷轉換和組合，以及其獨特的力學性能，使其在先進功能應用方面具有顯著優勢，超越了傳統生物塑料在簡單包裝和容器方面的應用。

圖5 水任意加工技術的多維度和多功能應用

環境影響、可回收性和可生物降解性

  生命周期評估（LCA）研究表明，該生物塑料在全球變暖潛力、化石資源消耗和顆粒物排放等關鍵環境指標上均優于傳統石油基塑料及部分可生物降解塑料。此外，其獨特的可循環性進一步提升了可持續性優勢——材料可通過重新浸泡塑形或加水攪拌再鑄造實現多次重復利用，而廢棄后在自然土壤中6個月內即可完全降解，真正實現了從生產、使用到降解的閉環循環。

圖6 生物塑料的環境影響、可回收性和可生物降解性

  結論：本研究提出了一種創新的共組裝策略，通過充分利用低價值微尺度生物材料的固有特性，成功構建了具有纖維-花粉層壓致密結構的經濟型可持續生物塑料。該材料的關鍵突破在于其獨特的水響應特性——通過水化誘導可逆地實現結構開合與塑性重排，從而賦予材料可持續的水加工性能。此外，通過精確調控單元幾何形狀與剛度參數，可靈活制備多種維度和功能化結構。該生物塑料兼具卓越的機械強度、多功能適應性、低能耗生產、易加工性及高效循環利用等優勢，同時具備出色的環保特性，有望成為減少塑料污染并推動循環生物經濟的理想替代材料。該技術還具有顯著的普適性，可拓展至多種天然纖維（亞麻、大麻、蠶絲）和生物微粒（真菌孢子、藻類、細胞碎片）的組裝工程。作為全生物基材料的突破性進展，不僅實現了材料性能與可持續性的協同優化，更建立了可產業化的環保材料制造平臺，為替代傳統塑料提供了切實可行的技術路徑，對實現“雙碳”目標下的材料產業轉型具有重要戰略意義。

  原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr1596