沈化李东翰、赵大伟团队重磅综述：从生物质到功能凝胶——多尺度拓扑重构与高性能应用！-特诺科技官方网站

沈化李东翰、赵大伟团队重磅综述：从生物质到功能凝胶——多尺度拓扑重构与高性能应用！

来源：科诺科研

面对每年产生超过4亿吨塑料废物所带来的化石资源枯竭和生态危机，材料科学正迫切转向可再生替代品，以期尽早实现碳中和目标。其中，由纤维素、壳聚糖和蛋白质等天然生物大分子构成的三维网络——生物基凝胶，凭借其卓越的生物相容性、固有的可降解性以及仿细胞外基质的微环境，正成为替代石油基聚合物的可持续新星。然而，天然生物聚合物面临着机械性能弱、功能惰性以及环境稳定性差等固有瓶颈，严重限制了其向高端应用领域的转化。

为了突破这些材料极限，沈阳化工大学李东翰教授、赵大伟教授团队联合发表了题为“From Biomass to Functional Gels: Multiscale Topology Reconstruction and High-Performance Applications”的重磅综合评述。该研究系统构建了从“生物质原料”到“功能化设计”再到“高附加值应用”的完整科研全链条框架。文章不仅深度阐明了驱动增韧、自修复和极端环境耐受性的微观机制，还全面评估了功能化生物基凝胶在生物医学、柔性电子、环境修复、智能包装和绿色能源存储等领域的变革性实践。

图1 | 多孔材料与生物基凝胶的系统框架

本综述系统梳理了生物基凝胶的最新进展，突出了从丰富生物质天然宝库出发，通过整合物理、化学和结构设计策略的多尺度工程，最终实现向生物医学、柔性电子、智能驱动和绿色包装等高价值应用的关键转变。

一、从自然宝库到智能软物质的多尺度工程智能软物质的开发始于大自然丰富的生物质库，包括源自森林的纤维素、源自海洋的海藻酸盐与甲壳素，以及源自动植物的蛋白大分子。然而，单一成分的天然生物聚合物网络受到弱相互作用的限制，存在机械极度脆弱、易受冻融脱水影响等致命缺陷。为了打破这种“丰富但惰性”的局面，研究团队强调必须引入多尺度人工交联与杂化改性策略。

图2 | 传统石油基聚合物向可持续生物基凝胶转变及功能化设计示意图

在多尺度工程中，物理改性利用大分子链上的特定官能团（如羟基、羧基、氨基），通过动态金属离子配位、氢键网络重排、疏水微区聚集等可逆非共价相互作用，赋予材料优异的抗疲劳性和自愈合能力。而化学改性则通过引入点击化学锁、原位接枝与共价重构，构建不可逆的承载骨架，大幅提升了凝胶在复杂生理或极端环境下的长期抗蠕变性和结构稳定性。此外，结合纳米微晶或二维纳米填料构建的砖泥结构纳米复合材料，实现了应力的多级高效耗散。这些微观机制的协同发力，成功将古老的生物大分子升级为高强韧、多模态刺激响应的先进智能软物质。

二、跨越界限：前沿高价值应用在功能化设计的强力驱动下，生物基凝胶的应用边界已从传统的低附加值领域迅速拓展至高精尖的科技前沿。文章详细论述了其在多个核心场景下的定制化优势：

生物医学工程：凭借高度匹配生物组织的机械顺应性，定制化的生物基凝胶化身为智能载药系统和可注射的组织工程支架。它们不仅能敏锐感知pH或温度波动实现靶向药物释放，更能在严重出血、慢性创面修复中发挥抗菌和促血管生成的关键作用。

柔性电子与智能传感：与传统刚性金属导体不同，生物基离子凝胶通过定向离子迁移传输信号，完美模拟了天然皮肤的触觉感知机制，从根本上消除了生物界面的阻抗失配。基于抗冻耐旱的深共晶溶剂网络构建的“电子皮肤”，即使在极端环境下也能高保真地捕捉肌电与运动信号。

绿色能源与智能包装：面对可穿戴设备的高能需求，生物基凝胶电解质巧妙兼顾了固体的机械坚固性与液体的快速离子传输，彻底抑制了传统电池的漏液与热失控风险。而在食品工程中，集成了pH敏感指示剂的生物膜不仅能延长保鲜期，更能随微生物挥发物发生视觉变色，实现食品质量的智能可视化管理。

三、循环生物经济：实现环境与经济的双赢尽管生物基凝胶展现出非凡潜力，但将其从实验室原型推向大规模商业化，仍面临生物质原料批次间差异、大规模制造瓶颈以及长期服役性能退化等严峻挑战。解决这些痛点的终极路径，在于拥抱循环生物经济。

图3 | 生物基凝胶的生命周期评估、闭环回收及经济效益示意图

如图3所示，最终决定生物基材料商业可行性的生命周期评估（LCA）。秉承“源于自然，归于自然”的原则，研究团队强调了闭环生物回收策略的不可或缺性。未来的研究将深度交叉融合：利用合成生物学对天然多糖和重组蛋白进行序列级别的源头定制，保障原材料的高度一致性；依托机器学习对海量配方-性能数据进行挖掘，大幅加速复杂凝胶网络的逆向设计；并结合微流控与4D打印技术，制造具备逻辑折叠与生物动态适应性的软体机器人。这种全生命周期的闭环循环不仅彻底消除了传统高分子材料带来的“微塑料”生态足迹，更将催生巨大的宏观经济效益。

总结：该综述全面系统地梳理了生物基凝胶领域的最新研究进展，搭建了从原料开发、功能化设计到高值化应用的完整研究体系，深刻揭示了多尺度拓扑重构对生物基材料性能提升的核心作用机制，充分验证了生物基材料替代高耗能石油基塑料的技术可行性，确立了其在构建柔性医疗、人机交互与绿色能源系统中的核心枢纽地位。未来，随着合成生物学、人工智能与先进制造技术的持续融合，生物基凝胶必将完成从 “大自然的馈赠” 向 “智慧造物” 的历史性跨越，为全球碳中和目标下的可持续材料产业发展提供核心支撑。

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adfm.77142

上一篇: 受种子启发！中国科大《自然·通讯》：“全方位抗摔”仿生材料

下一篇: Lancet Respiratory Medicine：中科院双1区，IF=34.7，审稿速度快，从投稿到做第一次决定平均用时4天