大多数生物降解材料遇水后都会变软，近日，一组研究人员提出：水并不一定是降解材料的“敌人”。

 

在他们的研究中，一种名为壳聚糖（从甲壳素衍生的一种生物聚合物）的材料在遇水后反而变得更强，其湿态强度在很多常见塑料之上。该研究由西班牙加泰罗尼亚生物工程研究所（IBEC）与新加坡科技设计大学（SUTD）合作完成，发表在Nature Communications杂志上。

 

几十年来，工程师们一直在寻找塑料的生物基替代品，但面临的常见问题是水分会使许多天然材料变软或变弱。这迫使制造商通过化学改性或者表面涂层来改善性能，但这些做法往往又削弱了生物材料的环保优势。

 

研究团队强调，壳聚糖保持了“生物纯净性”。正如研究负责人Javier G. Fernández 所说，这种材料在本质上仍然是昆虫壳或蘑菇中发现的同一种分子。因为它很接近自然中的本来结构，所以能够更容易重新融入生态循环，而不是变成一种半合成的顽固材料。

 

Fernández 还挑战了传统材料设计中的一个假设：“一个多世纪以来，我们一直认为，材料要想在自然界中生存下去，就必须变得惰性。但这项研究表明恰恰相反：材料可以通过与环境互动而不是隔离自己来更好地发挥作用。”

 

研究的一大灵感来源于一种叫沙蚕（Nereis virens）的海洋生物：科学家们观察到，当从沙蚕的牙齿中移除锌后，牙齿会变得容易吸水并软化。这一细节引导研究团队提出了一个更广泛的问题：金属的作用是否仅是“强化”生物结构？或许它们还能影响水流穿透结构的方式，以及水流如何改变结构强度。

 

研究者构建了一个简单的系统：用壳聚糖做成薄膜，并掺入过渡金属离子。他们选择了镍（Ni），论文中指出，镍是一种普遍存在的微量营养素，对生命至关重要，在理论模型中，它能与几丁质和壳聚糖发生多种相互作用。作者指出，如何将他们的发现与天然角质层形成过程联系起来，仍是一个有待未来研究的开放性问题。

 

制备过程中，研究团队首先从废弃的斑节对虾壳中提取壳聚糖，将壳聚糖以3%的浓度分散在弱乙酸溶液中，并加入不同浓度（0.6–1.4 M）的氯化镍溶液。随着水分蒸发，这些聚合物形成了固体薄膜。镍存在的一个明显特征是颜色：薄膜变为绿色，且随着镍浓度的增加，绿色更加明显。

 

作者们反复强调：这些薄膜在水中并没有分解。在某些情况下，它们反而变得更加坚韧耐用。

 

在所有样品中，薄膜的干态拉伸强度在30至40MPa范围内，本文将其与普通塑料进行了比较。当镍浓度超过约1 M时，材料的强度得以保持，但杨氏模量下降，作者将此解释为拉伸性和韧性的显著提升。

 

随后出现了令人惊讶的结果。大多数镍掺杂薄膜在浸水后强度保持稳定或有所提高。其中最显著的例子是初始镍浓度为0.8 M的薄膜。该配方在浸水后强度提高了近50%，湿态拉伸强度为53.01 ± 1.68 MPa，而干燥状态下的拉伸强度为36.12 ± 2.21 MPa。作者认为该湿态强度已达到“工程塑料”的水平。

 

研究人员认为，这种现象的关键在于水成为了结构组成的一部分：镍离子和水分子共同形成一个不断变化的、弱的、可逆的相互作用网络。随着分子的运动，化学键断裂并重新形成。作者认为，这种微观层面的重组有助于材料分散应力，避免其在应力作用下开裂。换句话说，材料在分子尺度上“柔软”的特性反而增强了整体强度。

 

并非所有金属都有效。在相同条件下，用锌或铜代替镍并不能产生类似的增强水性能的效果。作者认为这表明配位化学至关重要，而不仅仅是离子带双正电荷。

 

首次浸泡是制造过程的一部分，新制备的薄膜在第一次浸水过程中会释放出大约 87% 的镍。这说明只有极少量镍真正留在材料中参与形成那种能增强湿态强度的结构（约每7.91个吡喃糖环对应一个镍离子），而剩余的镍可以用于后续生产循环，从而实现零浪费制造。24 小时后，即使用沸水测试，也几乎不再有镍释放。

 

团队利用这种材料制作了容器和杯子，这些杯具具备普通塑料的储水性能，在测试中展现出卓越的密封性；还制造了 1 平方米的薄膜，随后又制备了3 平方米的薄膜，结果表明，在该尺寸下未遇到明显的加工难题，且宏观行为与较小尺寸的样品相似,，显示出工艺的可扩展性。

 

 

研究第一作者 Akshayakumar Kompa 提到，全球每年约产生 1000 亿吨甲壳素，相当于几百年塑料产量，因此这种来源丰富的原料有望支持区域性制造和循环利用。

 

Kompa表示:“壳聚糖通常在数周内便会发生降解。而经镍改性后的材料则能延缓生物降解过程。不过，尽管剩余的镍含量较低，但其长期对环境的影响仍需进一步研究。

 

团队还指出，镍可能不是唯一能实现此效应的金属，未来还可探索其他金属离子与不同生物聚合物的组合。

 

DOI：10.1038/s41467-026-69037-4