随着抗生素在水环境中不断被检出，其对生态系统和公众健康已构成显著威胁，亟需开发高效且可持续的去除技术。连续过滤吸附法具有效率高、操作简便等优点，近年来备受关注；而天然木材凭借其定向排列的孔道结构、可再生性和可生物降解性，被视为一种理想的基底材料。然而，木材自身的比表面积有限、活性位点不足，严重制约了其吸附性能。尽管引入金属有机框架材料能够显著提升吸附能力，但在实现高负载量的同时，如何保持木材的机械强度并维持其多级孔结构，仍是该领域长期未能克服的关键挑战。

  近日，南京林业大学蒋少华教授团队从哺乳动物肺部高效的肺泡结构中汲取灵感，成功构建了一种新型木材基复合吸附材料。该材料巧妙地融合了天然木材的垂直通道、明胶气凝胶的多孔网络和金属有机框架（MOF）的高效活性位点，实现了对水体中抗生素的超高通量（>1900 L m^?2 h^?1）和高效去除（吸附容量达180.3 mg g^?1）。

  2025年12月21日，该工作以“Alveoli-Bioinspired Wood Engineering by Filling a Gelatin@MOF Aerogel for Ultrahigh-Flux and Efficient Antibiotic Removal”为题发表在期刊《ACS Nano》上，南京林业大学博士生朱亚琴为该研究的第一作者，南京林业大学段改改副教授，苏州科技大学张春媚副教授和武汉纺织大学刘延波教授为文章共同通讯作者。

  连续过滤吸附是一种高效、可扩展的水处理策略，但实现高通量与高吸附容量的统一是其走向应用的关键。天然木材因其垂直排列的微通道、良好的机械性能及可持续性，成为一种理想的基体材料。然而，其固有的低比表面积（通常<5 m² g^?1）限制了其吸附性能。

  自然界为这一难题提供了优雅的解决方案。哺乳动物的肺泡通过“支气管（负责定向传输）-肺泡囊（提供巨大交换面积）-毛细血管网（实现高效分子交换）”这一多级、多功能多孔结构，实现了极致高效的气体交换（图1）。受此启发，研究团队提出了“肺泡仿生木材工程”策略：

• 天然木材：作为机械骨架，其垂直通道模拟支气管的功能，提供定向、低阻力的流体传输路径。

• 明胶气凝胶：填充于木材通道内，形成次级纳米多孔网络，将比表面积从3.34 m² g^?1提升至15.15 m² g^?1，其作用类似于肺泡囊，极大地增加了有效表面积。

• MIL-100(Fe) MOF：在明胶气凝胶中原位生长，进一步将比表面积提升至169.28 m² g^?1，并提供丰富的Fe(III)活性吸附位点，模拟了毛细血管网的分子交换功能。

图1：MOFs/WGA复合材料的仿生设计与制备示意图，模仿了哺乳动物肺泡的层次结构与功能。该策略通过浸渍、冻干、热处理及MOF原位生长，实现了纳米尺度的异质组装，构建了具有分级孔结构的复合材料。

  该仿生设计带来了材料性能的全面提升。卓越的机械强度：得益于木材骨架的支撑和优化的界面结合，MOFs/WGA表现出优异的机械性能，其干态压缩强度高达53.38 MPa，杨氏模量约360 MPa，远超大多数报道的多孔复合材料（图3g, h）。高效的抗生素吸附：以四环素（TC）为目标污染物，MOFs/WGA表现出180.3 mg g^?1的高吸附容量，其吸附行为符合Langmuir模型，表明是单层化学吸附（图4a, b）。其性能远超原始木材和WGA中间体。超高通量连续过滤：在动态过滤测试中，复合材料对10-100 mg L^?1的TC溶液均表现出优异的去除效果（图4c），且在高达约1900 L m^?2 h^?1的通量下，去除效率仍能保持85%以上（图4d）。与文献中其他过滤吸附剂相比，MOFs/WGA在通量和吸附容量上均占据优势地位（图4e）。优异的稳定性和可重复使用性：复合材料在20次吸附-脱附循环后，对TC的去除效率仍保持在85%（图4f）。在水中浸泡7天后，其吸附容量仍能保持95%以上，并在宽pH范围（3-10）内保持高效，显示出极强的环境适应性。

  复合材料的高性能源于其仿生结构在多个尺度上的协同优化。流体动力学优化：流体模拟显示（图4g），原始木材内的流速高度集中在通道中心，边缘区域流速很低，导致传质受限。而MOFs/WGA得益于气凝胶网络对流动路径的重整，整个横截面的流速分布显著更均匀，使内部活性位点可及性大幅提高。分子级强吸附：密度泛函理论计算和静电势分析表明（图4h），TC分子中富电子的羰基和羟基氧原子，与MIL-100(Fe)中缺电子的Fe(III)路易斯酸位点之间存在强烈的配位相互作用。此外，π-π堆积和氢键也贡献了吸附稳定性。XPS分析在实验上证实了TC吸附后Fe 2p谱峰的位移，直接证明了配位键的形成。

图2： 抗生素去除性能。（a）静态吸附性能；（b）吸附等温线；（c）动态过滤穿透曲线；（d）不同通量下的去除效率；（e）与文献性能对比；（f）循环使用性能。 (g)水流经NW和MOFs/WGA过滤器时的模拟速度云图。(h) 四环素与MIL-100(Fe)相互作用的静电势分布图。

  研究进一步证明了该材料的实用潜力。广谱污染物去除：MOFs/WGA对多种有机污染物（如环丙沙星、阿莫西林、罗丹明B等）在30分钟内均表现出高去除效率（>85%），并能在20次循环中对所有污染物保持高效（图5a）。实际水体适应性：在自来水、湖水等实际水样中，复合材料对TC的去除效率仍能保持80%以上，且常见无机离子的影响很小（图5b）。原料普适性与可降解性：该合成策略可成功应用于轻木、山毛榉、松木等多种木材（图5d）。最重要的是，作为基体的WGA材料在土壤埋藏实验中，可在4个月内完全生物降解，实现了从可持续原料到无害化降解的闭环生命周期（图5e），契合绿色化学与循环经济理念。

图3： 环境适应性与可持续性。（a）对多种污染物的广谱吸附；（b）在实际水样中的性能；（c）连续过滤捕获污染物示意图；（d）策略在不同木材上的普适性；（e）材料的生物降解性与闭环生命周期示意图。

  总之，这项研究受肺泡结构启发，通过将天然木材的垂直通道、明胶气凝胶的多孔网络和MIL-100(Fe) MOF的活性位点进行跨尺度集成，成功构建了一种高性能、可持续的水处理复合材料。该材料同时实现了高机械强度、超高水通量、高效吸附容量、广谱污染物去除、优异循环稳定性以及完全生物降解性。这项工作不仅为开发先进水净化材料提供了可扩展、环境友好的平台，也展示了仿生设计在连接结构层次与功能协同方面的强大潜力。

  原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c13636