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  可持續(xù)塑料需要具備再加工、回收以及可降解的特性。然而，迄今為止，能夠在不依賴有機溶劑和高能耗條件下合成的可回收塑料仍然有限。嶺南大學Yujie Ke、Xi Chen, 美國北卡羅來納州立大學Kai Lan，以色列希伯來大學Itamar Willner，新加坡科技研究局Yuwei Hu等研究工作者，聯(lián)合新加坡南洋理工大學、新加坡國立大學、新加坡科技與設(shè)計大學等機構(gòu)，提出了一種普適性的方法，通過可再生多糖與生物質(zhì)基DNA在水相中交聯(lián)制備可持續(xù)塑料。這一過程依賴可逆的席夫堿化學鍵，并在常溫常壓下進行。所得材料兼具良好的力學性能、可調(diào)的物理化學性質(zhì)以及多重循環(huán)利用能力，包括水輔助修復(fù)、化學解聚回收和生命周期閉環(huán)利用。該材料在多種有機溶劑中表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，可通過高精度成型制備復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)，并在自然環(huán)境或酶促條件下快速降解，且具有良好的生物相容性。生命周期評估結(jié)果表明，這種新型DNA–多糖塑料的碳足跡顯著低于商用塑料，尤其是在回收利用條件下。這一策略為開發(fā)高性能、環(huán)保型可回收生物塑料提供了新思路，并為減少塑料污染和溫室氣體排放帶來了潛在解決方案。

  全球塑料產(chǎn)量正以驚人的速度增長，預(yù)計到2050年將翻一番。絕大多數(shù)商業(yè)塑料來源于不可再生的石化資源，不僅加速資源枯竭，還在生產(chǎn)、使用和廢棄過程中造成嚴重環(huán)境污染。塑料降解緩慢且回收困難，在自然界中累積形成微塑料，對生態(tài)系統(tǒng)和人類健康構(gòu)成威脅。同時，傳統(tǒng)塑料回收與再加工依賴有機溶劑和高能耗工藝，進一步增加溫室氣體排放。

  相較之下，生物塑料具有可再生、可降解、可回收的天然優(yōu)勢，但現(xiàn)有產(chǎn)品依然存在合成工藝不夠綠色、性能受限等問題。DNA作為可降解、可設(shè)計且儲量豐富的生物大分子，具備開發(fā)新型可持續(xù)材料的潛力。然而，基于DNA的生物塑料研究尚處起步階段，且常依賴石化原料或有機溶劑，難以實現(xiàn)真正的綠色制造。

  本研究以生物質(zhì)DNA和多糖為原料，通過溫和的水相化學反應(yīng)制備三維交聯(lián)水凝膠，再加工得到生物塑料。多糖經(jīng)高碘酸鈉氧化生成醛基衍生物，與DNA堿基上的氨基反應(yīng)形成可逆的亞胺鍵，實現(xiàn)了在室溫常壓下的綠色合成（圖1b）。該材料具備三重循環(huán)利用路徑：水輔助修復(fù)與再模塑、可逆化學鍵驅(qū)動的化學回收，以及從原料獲取到自然降解的生命周期循環(huán)。

圖1

  在性能方面，通過調(diào)節(jié)多糖含量和干燥方式可精準控制材料的力學性質(zhì)與微結(jié)構(gòu)。室溫干燥樣品呈致密結(jié)構(gòu)，楊氏模量高達1155 MPa，顯著高于低溫凍干所得的多孔結(jié)構(gòu)（約48 MPa）;即使經(jīng)過10次回收，力學性能依然保持穩(wěn)定（圖2f）。掃描電鏡顯示，不同冷凍條件可得到不同孔徑分布，從液氮速凍的細微孔結(jié)構(gòu)（約2–10 μm）到-20℃凍干的較大孔結(jié)構(gòu)（約10–40 μm），再到室溫干燥的致密無孔形態(tài)，均可按需制備（圖2e）。此外，該材料可與常見石化塑料（如聚苯乙烯、聚乙烯）混合，并通過選擇性溶解實現(xiàn)高效分離（圖2d），為混合塑料廢棄物的回收提供了可行方案。

圖2

  生物塑料在多種常見有機溶劑中表現(xiàn)出優(yōu)異耐受性（圖3a），僅在極酸或極堿條件下快速溶解。其水愈合性能使斷裂樣品在濕潤界面重新結(jié)合并干燥后恢復(fù)原有強度（圖3b）。同時，材料可通過模板復(fù)制加工成仿生表面（圖3e）、醫(yī)用微針貼片（圖3f）、光子納米圖案（圖3g）等精密結(jié)構(gòu)，特征尺寸最小可達150納米。在降解方面，該材料埋入土壤29天可完全分解，而對照的聚乙烯勺子無明顯變化（圖3h）；在DNase I作用下可在2小時內(nèi)徹底降解（圖3i），酶濃度更高時可縮短至10–20分鐘。體外細胞實驗和小鼠口服實驗均顯示良好的生物相容性和安全性（圖4g-i），無微塑料殘留風險。

圖3

  該方法還可推廣至海藻酸鈉和羧甲基纖維素等多種多糖體系，所得材料同樣具備良好的可回收性與力學性能（圖4a-f）。在放大生產(chǎn)中，研究團隊成功制備500毫升水凝膠批次，并加工出大面積薄膜（圖5a-b）。通過調(diào)控微結(jié)構(gòu)，成品可呈透明或不透明外觀（圖5c），滿足包裝、光學器件等不同應(yīng)用需求。生命周期評價顯示，在回收10次的條件下，這種生物塑料的碳足跡（861 kg CO?-eq m^-3）比未回收的商用塑料低58.7%至78.3%（圖5d），在低碳電力體系下優(yōu)勢更加顯著（圖5e）。

圖4

圖5

  本研究提出了一種基于DNA與多糖的可降解生物塑料通用合成策略，實現(xiàn)了綠色制備、多重循環(huán)利用、性能可調(diào)控和環(huán)境友好性。材料全程在水相、常溫常壓條件下合成，避免了有機溶劑和高能耗工藝；物理、化學與生命周期循環(huán)并行，大幅提升了回收效率；力學性能和微結(jié)構(gòu)可按需調(diào)節(jié)；在自然條件或酶促作用下可快速降解，降低微塑料污染風險；并具備從包裝材料到醫(yī)療器械等多領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

  隨著DNA提取和多糖氧化技術(shù)的優(yōu)化、綠色氧化劑的開發(fā)以及規(guī)模化制造設(shè)備的改進，這一材料有望實現(xiàn)商業(yè)化落地。該研究不僅為可持續(xù)塑料研發(fā)提供了新的思路，也為全球塑料污染治理和碳減排目標的實現(xiàn)帶來了切實可行的方案。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-62682-1