点击数：172026-03-02 09:51:28 来源: 四川大学 制革清洁技术国家工程研究中心
对可持续织物的追求越来越强调利用天然生物质作为可再生原料，如植物纤维素和动物皮革或丝绸中的蛋白质。在这些候选材料中，纤维素因其丰富、可再生性以及优异的机械性能，被广泛认可为可持续织物的理想构建块。然而，制造纤维素基织物的过程通常需要大量水、能量和化学试剂，带来了巨大的环境负担。与此同时，大量植物来源的生物质废弃物仍未被充分利用，大多数残渣仍通过填埋或焚烧处理，导致资源浪费和环境污染。因此，利用这些丰富的生物质废弃物制造兼具高性能与真正可持续性的下一代天然织物，是材料科学和可持续制造领域的紧迫挑战。
合成生物学的兴起为该难题提供了创新路径，尤其是利用微生物将低值废弃物转化为功能材料展现出巨大潜力。在众多生物制造平台中，菌丝体——真菌的纤维状营养网络——正成为备受瞩目的候选材料。其可通过固态发酵在农林业废弃物上快速生长，且微观纤维结构与天然皮革胶原基质相似，是理想的"纯素皮革"前体。然而，菌丝体材料机械性能偏低，现有Zn²⁺或双醛羧甲基纤维素（DCMC）交联策略的增强效果有限；加之其分子组成中丰富的羟基易形成无序氢键网络，导致穿着舒适性差、防水与透气难以兼顾等固有缺陷，严重制约了其在高性能纺织及可穿戴领域的应用。
针对上述挑战，四川大学制革清洁技术国家工程实验室石碧院士团队 张伟华副研究员课题组在《Chemical Engineering Journal》期刊（2026, 174225）发表最新研究成果，提出了一种分子工程策略，通过精准化学重构将原始菌丝体转化为高性能可持续生物织物。该研究采用异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）在分子层面重构图网络，实现双重协同增效：一方面构建坚固聚氨酯交联结构以增强机械性能，另一方面利用异佛尔酮环甲基屏蔽亲水羟基、破坏氢键网络并降低表面能。这一分子设计成功解耦材料关键性能，使MEM-生物织物在机械强度、透气防水性、抗生物降解性及生物相容性等方面实现全面提升，为天然生物聚合物的高值化利用及下一代可持续可穿戴材料的开发提供了可规模化的创新方案。
本研究中MEM-生物织物的制备包括三个主要步骤（图1）：首先将灵芝菌株接种于杨木屑培养基约14天获得菌丝体"皮"，经压缩干燥得到M-生物织物；随后通过氢氧化钠处理去除表面疏水蛋白，增加羟基可及性得到AM-生物织物；最后用IPDI进行交联反应，形成稳定的氨基甲酸酯键，获得兼具优异防水透气性、高机械强度和环境稳定性的MEM-生物织物。该方法可规模化生产（单次可达数平方米），支持多次收获，且废弃基质可热压为缓冲复合材料，实现了生物质废弃物的高值化利用和循环经济目标。
图1 MEM-生物织物的制备
研究团队首先对生物织物进行了系统的形貌和结构表征（图2）。M-生物织物由天然交织的多孔微纤维网络构成（纤维直径约1 μm，与天然皮革胶原束相近），在碱处理和IPDI交联过程中保持良好的形态稳定性。碱处理使葡聚糖和蛋白质含量显著降低，孔隙率从73.4%增至81.3%；IPDI交联后因网络结构增强，孔隙率降至69.2%。FT-IR和XRD分析证实：碱处理削弱了O—H、C—O—C、C=O及N—H振动峰（对应葡聚糖和蛋白质去除），而IPDI交联则形成氨基甲酸酯键（C=O和N—H增强、O—H减弱），并破坏几丁质氢键网络（结晶度降低）。热重分析表明，改性后材料起始分解温度升至240°C，高温炭产率显著提升，热稳定性大幅改善。
图2 M-生物织物、AM-生物织物和MEM-生物织物的形貌和结构特征
进一步对材料力学性能评估显示（图3），M-生物织物断裂强度为5.7 MPa，碱处理后降至3.4 MPa，而MEM-生物织物借助纤维增强与交联网络协同效应提升至10.1 MPa，可承载1 kg重量而无明显变形，历经20,000次弯曲循环仍保持稳定。其撕裂强度达6.0 N mm⁻¹（较M-生物织物提升约7倍），归因于氨基甲酸酯键的引入破坏了氢键网络，促进应力均匀分布与能量耗散；柔软度增至7.6 mm（优于商业牛皮革），兼具出色的柔韧性和回弹性。热稳定性方面，MEM-生物织物在100°C以上仍无收缩（远超浸酸皮、植鞣革及商业牛皮革），交联几丁质网络确保200°C以下结构完整。染色性能上，采用乙醇基油溶性染料体系可实现均匀着色，24小时水浸后无渗色，固着率超90%，展现出良好的时尚应用前景。
图3 MEM-生物织物的机械性能和染色性能
对材料防水透气性的表征表明（图4），M-生物织物因疏水蛋白存在而具有120°水接触角（WCA），碱处理后转为亲水（<90°），而IPDI交联使MEM-生物织物获得152.8°超疏水性。动态测试证实其水粘附极低且自清洁性能优异；经50次磨损循环和5小时紫外照射后，WCA仍保持150°以上，展现出卓越的机械耐久性和环境稳定性。MEM-生物织物静水压力达8.9 kPa（为M-生物织物的63倍），而水蒸气透过率（WVTR）和透气性与未改性样品相当，这得益于6-10 μm孔径分布的保留。其防水透气机制为：表面微/纳米粗糙结构形成"气垫"阻隔液态水（Young-Laplace效应），而内部互连孔隙允许水蒸气按Fick定律扩散，这种结构-功能一体化设计为高性能防护生物织物开发提供了新思路。
图4 MEM-生物织物防水透气性的表征
土壤埋藏试验表明（图5），M-生物织物50天内完全降解，而MEM-生物织物因IPDI交联增强了表面疏水性、抑制水分和微生物侵入，同时稳定的氨基甲酸酯网络赋予其出色的化学稳定性，50天后仍保持宏观结构和纤维网络完整性（DMEM-生物织物）。FT-IR和XPS分析证实，DMEM-生物织物的特征峰（C=O、C—N）及化学环境无显著变化，超疏水性（WCA>150°）、拉伸强度和热稳定性均得以保持。生物相容性评估显示，三种生物织物与HUVECs共培养24小时后，细胞存活率均超95%，细胞形态良好且无毒性反应，证明其优异的生物安全性，满足皮肤接触材料标准，为可穿戴电子及生物医学应用奠定了坚实基础。
图5 MEM-生物织物的稳定性和生物相容性
