随着全球塑料垃圾持续累积，已造成严重的环境挑战，研究人员正转向大自然寻求可持续的解决方案。休斯顿大学机械与航空工程助理教授马苏德·拉赫曼开发出一种创新方法，可将细菌纤维素（一种可生物降解的材料）转化为一种多功能物质，该物质可作为塑料的替代品。

这种材料有望用于多种用途。它很快将被用于制造日常用品，如一次性水瓶、环保包装，甚至伤口敷料。所有这些应用都依赖于细菌纤维素，这是一种在环境中自然存在且含量丰富、可生物降解的生物聚合物。

“我们设想，这些强韧、多功能且环保的细菌纤维素膜将会变得无处不在，取代各行各业中的塑料，并有助于减轻环境污染，”拉赫曼说。他的研究报告已发表在《自然·通讯》上。

“我们报告了一种简单、一步式且可扩展的自下而上策略，该策略利用旋转培养装置中流体流动产生的剪切力，生物合成具有排列纳米原纤维的坚固细菌纤维素膜和以细菌纤维素为基础的多功能杂化纳米片。所制得的细菌纤维素膜具有高拉伸强度、柔韧性、可折叠性、光学透明度和长期机械稳定性，”拉赫曼表示。本研究的第一作者是莱斯大学的博士研究生M.A.S.R. 萨阿迪，莱斯大学生物科学博士后学者希亚姆·巴克塔为生物实验部分提供了支持。

利用纳米技术提升性能

人们日益担忧以石油为原料的非降解材料对环境造成的有害影响，这加剧了对可持续替代品（如天然材料或生物材料）的需求。细菌纤维素作为一种天然丰富、可生物降解和生物相容性良好的潜在生物材料应运而生。

为了增强纤维素的性能并赋予其更多功能，研究团队将氮化硼纳米片融入细菌所需的液体中，制成了细菌纤维素-氮化硼杂化纳米片，这种纳米片具有更优异的力学性能（拉伸强度最高可达约553 MPa）和热性能（散热速率是样品的3倍）。

“这种可扩展的单步生物制造方法可生产出排列整齐、坚固且多功能的细菌纤维素片材，为细菌纤维素在结构材料、热管理、包装、纺织、绿色电子和储能等领域的应用铺平道路，”拉赫曼说。“我们基本上是在引导细菌有目的地进行活动。我们让细菌定向移动，而非随机移动，从而使它们以有序的方式产生纤维素。这种受控行为，加上我们灵活多样的纳米材料生物合成方法，使我们能够同时实现材料结构的有序排列和多功能特性。”

而拉赫曼所说的移动，是指旋转，即引入一种专门设计的旋转培养装置，在这种装置中，纤维素生产菌在圆柱形的透气培养箱中被培养，并使用中心轴不断旋转以产生定向流体，从而使细菌呈一致的方向移动。

拉赫曼说：“这大大改善了细菌纤维素块材中纳米纤丝的对齐度。这项工作是材料科学、生物学和纳米工程交叉学科科学的缩影。”

参考文献：“M.A.S.R. Saadi、于菲崔、希亚姆·P·巴克塔、萨基布·哈桑、维贾伊·哈里克里什南、伊凡·R·西凯拉、马泰奥·帕斯夸里、马修·贝内特、普利克·M·阿贾扬和穆罕默德·M·拉赫曼，‘流体诱导二维纳米材料嵌入定向细菌纤维素’，2025年7月1日，《自然-通讯》”。DOI：10.1038/s41467-025-60242-1

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