在“双碳”目标与循环经济背景下，如何开发兼具高阻隔性能与全生命周期环保性的材料，已成为高分子与材料科学领域的重要前沿。传统石油基塑料凭借致密疏水结构，在食品包装、电子封装等领域展现出优异屏障性能，但其高度稳定的化学结构也导致难以自然降解，带来“白色污染”和微塑料等全球性生态问题。因此，开发既能满足高阻隔要求、又具环境友好性的替代材料，是推动绿色材料升级的关键挑战。

  自然界为这一难题提供了灵感。贻贝壳的“砖-泥”结构与贻贝足丝中多巴胺介导的界面附着策略，经过数百万年进化，形成了兼具刚性与韧性、并有效阻挡气体、水分及环境干扰的多功能屏障体系。这一多尺度结构-界面协同机制，为设计高性能、多功能、全生物基下一代屏障材料提供了重要仿生范式，也标志着绿色材料从简单可降解替代品向功能智能与结构集成解决方案迈进。

  近日，武汉大学邓红兵教授、赵泽副教授团队提出了一种双重仿生策略，将贻贝壳的有序结构与贻贝界面适应性相结合，以满足多重屏障需求（图1A）。该策略模拟贻贝壳中砖-泥结构的长程有序组装，通过原位合成花粉微凝胶与纤维素纤维构建多层网络；同时借鉴贻贝中协同共价交联机制，引入壳聚糖（CS）通过热感应实现界面稳定共价网络，从而实现非共价相互作用与共价键的有机整合。基于简单、绿色的干燥与热活化方法，团队成功制备出兼具高柔性、高光学透明度和优异可扩展性的生物复合材料（图1B）。借助CS介导的界面接合，研究者进一步构建了可承受超过自身重量1000倍载荷的网格结构（图1C），以及厚度为3 mm的轻质高强度生物复合材料（图1D）。

  2026年9月10日，相关研究成果以“Dual bioinspired structural-interfacial engineering of brick-and-mortar biocomposites for a superior integrated water/gas/UV barrier”为题发表于《Matter》。武汉大学博士生邱奕瑾为文章第一作者，该研究得到国家自然科学基金委和中央高校基本科研业务费专项资金项目支持。

图1 双重仿生设计具有卓越的强度、高屏障性能和强韧的界面结合生物复合材料

  为探讨热诱导交联对PFC生物复合材料综合性能的影响并评估其应用潜力，系统测试了材料的机械性能、热机械行为及烘烤后的耐水稳定性。静拉伸测试表明，随着烘烤温度升至150°C，PFC-150的机械性能显著提升：抗拉强度达98.55±11.17 MPa，杨氏模量达3.20±0.15 GPa（图2A）。动态机械热分析显示，所有生物复合材料在室温附近均表现出较高储存模量，反映了其刚性特征（图2B、2C）。防水稳定性方面，PFC-150的水接触角在10分钟内均匀下降，与自然水滴蒸发趋势一致，表明表面本身具有疏水性，可有效延缓初始水分渗透（图2D）。吸水与膨胀测试显示，PFC-150浸水一天后吸水率仅为31.02%，显著低于未处理样品的72.41%（图2E）。更重要的是，PFC-150在湿态下仍保持高抗拉强度（77.30 MPa）（图2F）；拉伸断裂面SEM图像显示，浸水后材料内部无明显层间分离或孔隙膨胀（图2G），表明其在水环境中虽有一定吸水，但仍能有效保持整体结构完整性。此外，其湿态力学性能优于众多已报道的生物质基材料，机械强度可与木材基复合材料相当（图2H）。通过砖泥结构与热诱导化学交联的双重仿生策略，成功构建了以共价交联为中心、多种分子间相互作用协同增强的PFC生物复合材料内稳定网络（图2I），不仅显著提升了干态力学性能，还赋予材料优异的热稳定性和防水性，使其在干燥与潮湿环境中均保持卓越的结构完整性与功能可靠性，为开发下一代高性能全生物基材料提供了有效策略。

图2 PFC生物复合材料随烘焙温度变化的机械性能、热机械行为及水稳定性

  为实现绿色制造目标并满足实际屏障应用需求，评估了PFC生物复合材料的多维屏障性能。光学方面，不同热处理温度会使材料颜色发生变化（图3A），但所有样品均保持优异光透率。紫外-可见光谱显示，PFC-150在550 nm处透光率为31.74%，并在200–400 nm紫外波段表现出显著屏蔽效果（图3B）；同时材料具有较高雾度值（图3C），在保持可见光透射的同时实现有效光散射。紫外防护方面，所有PFC基生物复合材料UPF值均超过1000，达到“优秀”防护等级（图3D），这源于花粉中孢子花粉素所含对香豆酸、阿魏酸等天然酚类化合物的强紫外吸收与抗氧化特性，使材料形成稳定、可持续且无添加剂的紫外阻隔屏障。紫外彩色图进一步直观证实，PFC-150覆盖区域完全阻断紫外透过，而未覆盖区域则出现明显紫外响应（图3E）；值得注意的是，该材料在水下环境中仍保持出色紫外防护性能（图3F），显示其保护功能在不同介质中高度稳定。

  得益于多尺度协同组装结构，PFC-150表面高度致密，内部则由花粉微凝胶、纤维素纤维和CS多尺度交织形成高度曲折的扩散路径，有效阻碍氧气和水蒸气等分子通过，实现水分与气体屏障性能的协同平衡。密封性能测试表明，当PFC-150作为覆盖层时，系统内部压力显著升高且无液体泄漏，证实其卓越的整体密封能力；经7天连续水浸测试，屏障性能未显著降解，表现出优异的湿稳定性和长期使用寿命潜力（图3G）。为进一步验证实用防潮性能，将变色硅胶颗粒封装于生物复合材料内并进行整体热处理（图3H），浸水7天后硅胶仍保持初始蓝色，表明水蒸气渗透不显著（图3I）。上述结果一致表明，PFC生物复合材料可提供稳定可靠的防潮保护，为其在食品包装、电子防护等需长期耐潮领域的应用提供了实验依据。

图3 PFC生物复合材料的紫外线/水/气多种屏障特性

  该工作是团队近期在生物质可降解材料领域的最新进展之一。生物质体系普遍存在多分散性与结构不均一性（如分子量分布、组分差异、聚集态结构多样等），这往往给定量研究与性能调控带来极大困扰。为此，团队发展了模块化构建与界面调控相结合的策略，系统探索了生物质基材料的可控组装与功能集成，并揭示了不同生物质组分间的相互组装机制。在过去两年中，团队制备了可水塑加工的共组装生物塑料（Science Advances, 2025, 11, eadr1596），实现了塑料从生产、使用到回收的全链条替代；同时，系统探索了通过CS界面调控制备超强防水材料（PNAS, 2025, 122, e2521173122），并拓展其在吸管、防水袋及防水补丁等方面的应用。未来，团队将进一步围绕废弃生物质的高值化再利用，发展绿色、可规模化的结构-界面调控策略，推动生物质可降解材料从性能优化走向多功能集成与工程应用，为替代传统石油基塑料、助力循环经济与“双碳”目标提供新材料解决方案。

  原文免费链接（有效期至2026年10月30日）：

  https://authors.elsevier.com/c/1nlgl9CyxdETeZ