《Nat. Commun.》纤维素+聚乳酸！打造仿生分层生态高级多功能薄膜：终结塑料污染的可持续包装革命
闪思科技ScienceK 2025年10月24日 11:00 广东
近期，Puneet S. Dhatt, Acadia Hu, Cheng Hu, Vincent Huynh, Susie Y. Dai, Joshua S.Yuan 等介绍了一种新型的仿生多功能薄膜（LEAFF），其结构灵感来源于天然植物叶片，通过结合纤维素纳米纤维（CNF）和聚乳酸（PLA）的多层结构，实现了优异的机械性能、透明度、防水性和气体阻隔性，同时能够在自然土壤条件下快速完全降解（5周内）。这种设计不仅克服了传统生物塑料的局限性，还为可持续包装提供了一种高性能的替代方案。🎉🎉🎉相关成果Biomimetic layered, ecological, advanced, multi-functional film for sustainable packaging发表于《Nature Communications》！！🎉🎉🎉通讯作者是：Joshua S. Yuan。
塑料污染是当今世界最严峻的可持续性挑战之一。传统塑料难以降解，导致严重的环境污染和微塑料问题。尽管有禁令和回收政策，但效果有限。因此，开发可降解且性能优异的生物塑料替代品迫在眉睫。本文提出了一种基于天然植物叶片结构设计的仿生多功能薄膜（LEAFF），旨在解决传统生物塑料在机械性能和降解性之间的矛盾。
基于此，本文针对塑料污染和现有生物塑料的局限性，受植物叶片结构启发，开发了仿生分层生态高级多功能薄膜（LEAFF）。该薄膜以纤维素纳米纤维（CNF）为核心、聚乳酸（PLA）为涂层，通过六亚甲基二异氰酸酯（HMDI）交联实现界面结合，协同提升力学性能与常温土壤生物降解性，5 周内可完全降解。LEAFF 的拉伸强度（118.1±8.6 MPa）和弹性模量（10.6±1.2 GPa）超过聚乙烯、聚丙烯等传统塑料，同时具备高透明度（约 49% 透光率）、水稳定性（36 小时浸水后保留 77% 拉伸强度）和高阻气性（氧气透过率 0.772 cm³・m⁻²・day⁻¹・atm⁻¹），可延长食品保质期。通过结构表征（FTIR、DSC、TGA、XRD、SEM）证实其多层结构及交联效果，微生物分析显示其能促进特定菌群生长加速降解，为可持续包装提供了新型解决方案。
🟢️1. 材料准备：从商业渠道采购纤维素纳米 fibrils（CNF，20% wt）、聚乳酸（PLA）、六亚甲基二异氰酸酯（HMDI，纯度 > 99.0%）、二氯甲烷（DCM，纯度 > 99.9%）等实验材料。所有药品均直接使用，超纯水经过滤处理用于实验过程。
🟢️2. 薄膜制备：🍁纯 CNF 膜：将 0.75% CNF 悬浮液均匀流延在平整模具表面，随后置于干燥箱中，在特定温度与湿度条件下缓慢干燥，最终形成纯 CNF 膜。🍁纯 PLA 膜：精确称取适量 PLA，溶解于 DCM 中配制成 5% PLA/DCM 溶液。将该溶液倾倒于洁净的玻璃基板上，通过溶剂自然蒸发的方式，待 DCM 完全挥发后，得到纯 PLA 膜。🍁LEAFF：先将制备好的 CNF 膜浸入含有 0.8% HMDI 的 PLA/DCM 溶液中，浸涂速度控制为 40mm/min，单次浸没时间 5 秒，随后取出进行 60 秒的干燥处理，如此重复浸涂 3 次。接着将浸涂后的膜放置于烘箱内，80℃下交联反应 4 小时，最后在 50℃条件下热压 30 分钟，得到厚度在 20- 40μm 的 LEAFF 薄膜 。
<p class="p_text_indent_2 wp_editor_art_paste_p" style="font-size:18px;font-family:微软雅黑, "microsoft yahei";line-height:1.75em;">🟢️3. 性能测试：🍁力学性能：依据 ASTM D638 标准，采用拉伸试验机对薄膜进行力学性能测试。将薄膜裁剪成标准尺寸样条，在规定的拉伸速率下进行拉伸试验，记录应力 - 应变曲线，从而得出拉伸强度、弹性模量等力学参数。🍁结构表征：FTIR：利用傅里叶变换红外光谱仪对薄膜进行测试，通过分析特征吸收峰，确认 PLA 涂覆以及 HMDI 交联的情况。DSC：采用差示扫描量热仪，对薄膜进行升温扫描，分析热转变过程，确定 PLA 晶体含量及热稳定性变化。TGA：通过热重分析仪，在程序升温条件下，记录薄膜重量随温度的变化，评估热稳定性及降解特性。XRD：使用 X 射线衍射仪对薄膜进行测试，分析其晶体结构及结晶度变化。SEM：将薄膜样品进行喷金处理后，通过扫描电子显微镜观察其微观形貌，包括表面形态、截面结构等。🍁功能测试：接触角：采用接触角测量仪，通过液滴法测量薄膜表面与水的接触角，评估其表面润湿性。透光率：使用紫外 - 可见分光光度计，测定薄膜在特定波长范围内的透光率。气体透过率：运用气体透过率测试仪，分别测定薄膜对氧气、水蒸气等气体的透过率。🍁生物降解实验：采用土壤埋藏法，将薄膜样品埋入特定湿度（40 - 60%）与温度（25℃）的土壤中，定期取出观察降解情况，并称重计算重量损失。同时，定期采集土壤样品，提取其中微生物的 DNA，进行宏基因组测序分析，监测微生物菌群的变化 。
🟢️4. 微生物分析：对土壤样品中的微生物 DNA 进行提取后，进行 PCR 扩增，扩增产物送往专业测序公司，利用高通量测序技术进行宏基因组测序。测序数据通过生物信息学软件进行分析，比对微生物数据库，确定微生物种类及相对丰度变化，探究参与 LEAFF 降解的微生物群落结构及功能。
▲ 图 1：LEAFF 生命周期示意图
图 1：该图以示意图形式完整呈现了 LEAFF 薄膜的生命周期与核心特性。合成上，展示其以可持续来源的纤维素纳米纤维为核心，通过涂覆生物聚合物聚乳酸（PLA）构建仿生结构，模拟植物叶片的纤维素骨架与蜡质涂层功能；性能上，突出其具备高强度、高透明度、低氧气及水蒸气渗透性等包装关键特性；生命周期上，明确其在自然土壤环境中可实现快速生物降解，完全降解时间仅为 5 周，解决了传统塑料和现有生物塑料（如 PLA）难以在常温环境中降解的难题，直观体现了从原料合成到废弃降解的全周期可持续性。
<span style="font-size:18px;font-family:微软雅黑, "microsoft yahei";line-height:1.75em;">▲ ;图 2：A. LEAFF 复合膜结构示意图；B. 复合膜与对照膜的傅里叶变换红外光谱；C. 薄膜表面水滴接触角图像；D. 水接触角结果；E. 差示扫描量热法第二次加热热图；F. 热重分析（重量变化 %）；G. 导数热重分析（%/min）；H. X 射线衍射曲线；I. CNF 对照膜横截面 ESEM 图像；J. LEAFF 横截面 ESEM 图像。
图 2：该图通过多维度表征验证了 LEAFF 的多层结构设计与界面交联效果。FTIR 光谱显示，1760 cm⁻¹ 处出现 PLA 酯基特征峰，1640-1680 cm⁻¹ 处出现交联形成的 carbamate 基团峰，证实 PLA 涂覆与 HMDI 交联成功；接触角分析显示 LEAFF 的水接触角为 71.9°±3.0，接近纯 PLA，疏水性显著提升；DSC 分析表明，交联使 PLA 的 α- 晶体含量从 23.2% 增至 45.2%，热力学稳定性增强；TGA 与 DTG 曲线显示，LEAFF 的最大降解温度从 337.1℃升至 339.3℃，热稳定性优于未交联膜；XRD 分析显示，交联后 CNF 的结晶度从 74.6% 增至 82.0%，结构更致密；SEM 图像直观展示了 LEAFF 的多层结构，核心为纤维素纳米纤维（CNF）束，表面覆盖连续 PLA 涂层，厚度 20-40 μm，且表面孔洞数量最少。
<span style="font-size:18px;font-family:微软雅黑, "microsoft yahei";line-height:1.75em;">▲ 图 3：A. 干膜应力 - 应变曲线；B. 36 小时浸水湿膜应力 - 应变曲线；C. 浸水溶胀率；D. 干湿态拉伸强度对比；E. 拉伸强度保留率；F. 干湿态弹性模量对比；G. 弹性模量保留率。
图 3：该图系统展示了 LEAFF 在干湿条件下的力学性能优势。干态下，LEAFF 的拉伸强度达 118.1±8.6 MPa，弹性模量达 10.6±1.2 GPa，远超纯 CNF（83.7±6.7 MPa，7.6±0.9 GPa）、纯 PLA（67.4±8.3 MPa，2.9±0.2GPa）及未交联 CNF/PLA 复合膜（92.2±1.6 MPa，7.3±0.4 GPa）；36 小时水浸泡后，LEAFF 的拉伸强度保留 77%（91.1±6.9 MPa），弹性模量保留 63%（6.7±0.7 GPa），显著高于纯 CNF（51%）和 CNF/PLA（68%）；溶胀率测试显示，LEAFF的溶胀程度接近纯 PLA，水稳定性优异，这与其表面 PLA 涂层连续无孔洞、能有效阻挡水渗透的结构特性密切相关。
<span style="font-size:18px;font-family:微软雅黑, "microsoft yahei";line-height:1.75em;">▲ 图 4：A. 传统塑料与复合膜的气体透过率对比；B. 氧气渗透性分析；C. 水蒸气渗透性分析；D. 600nm 处透光率；E. 文本可读性；F. 打印性能显微镜图像。
图 4：该图验证了 LEAFF 作为食品包装材料的关键功能性能。气体阻隔性方面，LEAFF 的水蒸气渗透率（WVP）为 0.794 g・mm・m⁻²・d⁻¹，显著低于纯 CNF（1.146）、纯 PLA（1.162）和未交联 CNF/PLA（1.382）；氧气透过率（OTR）为 0.772 cm³・m⁻²・day⁻¹・atm⁻¹，仅为纯 PLA（108.5）的 0.7%，阻气性能优于传统聚乙烯、聚丙烯等塑料；透明度方面，LEAFF 在 600nm 处的透光率约 49%，高于 CNF（33%）和 CNF/PLA（29%），文本可清晰透过；打印性能测试显示，其表面墨迹扩散少于传统 A4 纸，满足包装标识需求。
▲ 图 5：A. 苹果片包装应用图像；B. 生物降解示意图；C. 不同时间点土壤降解照片；D. 2 周降解薄膜 SEM 图像；E. 重量剩余百分比；F. 前10 种微生物属相对丰度。
图 5：该图全面展示了 LEAFF 的快速生物降解性能及微生物驱动机制。土壤降解实验显示，LEAFF 在 25℃、40-60% 湿度条件下，5 周内完全降解，而纯 PLA 无明显降解；2 周时，LEAFF 的重量剩余约 40%，SEM 图像观察到其表面有大量微生物定植，而纯 PLA 表面无此现象；微生物群落分析显示，LEAFF 降解环境的 Shannon 多样性指数从土壤的 6.5 升至 7.1，菌群多样性增加，其中 Planctoellipticum variicoloris（一种具备大分子摄入能力的 Planctomycete 细菌）的丰度显著提升，推测其通过促进 PLA水解加速降解过程。
总之，本文提出仿生分层结构设计，突破现有生物塑料 “高强度与生物降解性不可兼得” 的瓶颈。受植物叶片结构启发，通过 CNF 核心与 PLA 涂层的 HMDI 交联，实现界面协同作用：一方面使拉伸强度（118.1 MPa）和弹性模量（10.6 GPa）超过传统塑料（如聚乙烯、聚丙烯），另一方面赋予 PLA 常温土壤生物降解性（5 周完全降解），解决 PLA 需工业堆肥的局限。同时，通过调控晶体结构（α- 晶体含量从 23.2% 增至 45.2%）和致密化结构，同步实现高透明度（49% 透光率）、水稳定性（36 小时浸水保留 77% 强度）和高阻气性（氧气透过率 0.772 cm³・m⁻²・day⁻¹・atm⁻¹），集成包装材料所需的多功能性。此外，首次发现特定微生物（如 Planctoellipticum variicoloris）在降解中的促进作用，揭示其通过菌群多样性提升加速降解的机制，为生物塑料设计提供新的结构 -性能 - 降解关联思路。
https://doi.org/10.1038/s41467-025-61693-2