郑州大学裴莹/汤克勇《AFM》综述：以天然高分子纳米聚集体为结构单元的新材料

来源：高分子科学前沿

生物组织具有高度有序的多层级结构。纤维素、甲壳素和胶原蛋白等天然高分子是生物结构的物质基础，这些大分子经过逐级组装，形成不同尺度的聚集体之后，赋予了生物组织高韧性、高强度及生物功能性等优良的特性。有趣的是，其层级结构不仅由生物本身的结构体现，也可来自生物制造。蛛丝和蚕丝是动物腺体制造的具有层级结构的蛋白质材料（图1）。图1 木材、虾壳、蚕丝和牛腱中天然高分子（纤维素、甲壳素、丝蛋白和胶原蛋白）的多层级结构

近年来，通过将有多层级结构的天然高分子材料进行拆分，获得微米级或纳米级的天然高分子聚集体，进而制备新材料的工作日益活跃。例如，通过酸水解或Tempo氧化的方法，将纤维素和甲壳素进行结构拆分，可获得有较高长径比的微纤或纳米晶须。这些微纤和纳米晶须经过再构筑后可获得具有多孔结构的膜、水凝胶和气凝胶等材料，可应用于水处理、储能、柔性电子器件和生物医用等领域。此外，将蚕丝和含胶原的组织拆分出纳米纤维或纳米带，进而构筑具有优异性能的功能材料。该方法区别于传统利用溶解加工，从大分子尺度构建材料。这些聚集体具有天然的聚集态结构，将其作为结构单元进行材料重构可在一定程度上重现天然材料优异的性能。这种策略如同拆解乐高积木再行搭建新结构时，选择将其拆分成“小组合”作为基本构筑单元，而非单块积木（图2）。该方法依赖组合体特殊的性能及稳定性等，有望实现功能材料及高性能材料的重构。

图2 乐高积木拆解与再造

该论文围绕自然界中四种典型的天然高分子：纤维素、甲壳素、丝蛋白和胶原蛋白，首先介绍了天然高分子从分子尺度到生物组织的多层级结构特点，接着总结了从生物质材料中拆分天然高分子纳米聚集体的方法，最后梳理了近年来以天然纳米聚集体为结构单元构建功能材料的思路和策略。同时，也展望了天然纳米聚集体在加工过程中所面临的挑战和未来的应用。（图3）

图3 天然高分子纳米聚集体的功能化应用