近年来，利用天然原材料（如蛋白质、纤维素和木质素）制备环保生物基材料代替传统石油基材料的研究与应用引起人们越来越多的关注。然而，传统的生物基原材料及产品通常存在界面相互作用弱、力学性能和抗菌性能较差等缺点，传统的改性方法（如化学交联、纳米填料共混、嵌段共聚和酶处理等）通常存在制造成本高、添加有毒化学试剂、加工工艺繁杂等问题，因此，发展绿色简易方法制备力学性能优异和抗菌的高性能生物基材料意义重大，且挑战巨大。

  近日，李建章教授团队报道了一种简便而通用的方法，以大豆蛋白（SP）为原料，通过构建氮配位硼二酯键（NB）和矿物/有机复合物（CHA）的方法，制备具有高强度、抗菌性和阻燃性的SP/NB@CHA复合膜材料（图1）。

图1. SP/NB@CHA复合膜材料的制备过程示意图。

  在这项研究中，首先由二乙醇胺（DEA）和3-氨基苯基硼酸（BA）通过脱水反应合成动态的氮配位硼二酯键（NB）；之后利用含有酚类化合物的咖啡酸（CA）通过Ca²⁺–酚醛配位键固定在羟基磷灰石（HA）纳米粒子表面，制备出CA功能化修饰的HA复合物（CHA）（图2）。最后，将NB@CHA加入到大豆分离蛋白（SP）溶液中搅拌均匀，并流延成膜，得到SP/NB@CHA复合膜材料。

图2.（a）氮配位硼二酯键NB与（b）功能化CHA纳米粒子的制备机理。

  测试表明，SP/NB@CHA膜材料最大拉伸强度和韧性分别达到13.89 MPa和14.72 MJ/m³，比空白组提高了361%和489%，高于许多已报道的蛋白基复合膜材料（图3）。这是由于动态的氮配位硼二酯键和分子间氢键提高了复合材料的交联密度；具有牺牲配位键的动态NB键可以通过有效的能量耗散作用提高复合膜的拉伸强度和韧性。同时，功能性CHA纳米粒子充当刚性填料，在大豆蛋白基质中构筑了刚性的骨架结构。由于形成致密的矿化结构，热量传递和热解产物的数量得到降低，因此SP/NB@CHA复合膜具有显著增强的热稳定性和阻燃性（图4）。此外，由于硼酸盐和酚类成分的协同作用，SP/NB@CHA复合膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌均产生明显的抗菌性（图5）。综上所述，这种新颖的仿生策略将动态氮配位硼二酯键和矿物/有机杂化体系应用于制备高性能大豆蛋白复合膜材料，对于进一步推动生物质材料的工业化生产和应用具有重要意义。

图3. 大豆蛋白复合膜的（a）应力-应变曲线和（b）韧性。（c）与其他蛋白基复合膜的力学性能对比。（d）大豆蛋白复合膜断裂破坏形态。

图4. 大豆蛋白复合膜的（a）热重曲线，（b）极限氧指数，（c）热释放率，（d）总热释放和（e）燃烧照片。

图5. 大豆蛋白复合膜的（a）抗菌照片和（b）抑菌圈直径。（c）BA和CA的抗菌机理示意图。

  以上相关成果以题为“Bioinspired mineral–organic strategy for fabricating a high-strength, antibacterial, flame-retardant soy protein bioplastic via internal boron–nitrogen coordination”发表在《Chemical Engineering Journal》(一区Top期刊，IF=13.273)。论文的第一作者为南京林业大学材料科学与工程学院李邝博士，通讯作者为李建章教授。

  论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132616

  近年来发表的相关研究成果：

  1. Chem. Eng. J. 2021, 421, 129820.

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.129820

  2. Compos. Part B: Eng. 2021, 224, 109187.

  https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109187

  3. J. Clean. Prod. 2021, 285, 125504.

  https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.125504

  4. Compos. Part B: Eng. 2021, 219, 108943.

  https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.108943