隨著抗生素在水環(huán)境中不斷被檢出，其對生態(tài)系統(tǒng)和公眾健康已構成顯著威脅，亟需開發(fā)高效且可持續(xù)的去除技術。連續(xù)過濾吸附法具有效率高、操作簡便等優(yōu)點，近年來備受關注；而天然木材憑借其定向排列的孔道結構、可再生性和可生物降解性，被視為一種理想的基底材料。然而，木材自身的比表面積有限、活性位點不足，嚴重制約了其吸附性能。盡管引入金屬有機框架材料能夠顯著提升吸附能力，但在實現(xiàn)高負載量的同時，如何保持木材的機械強度并維持其多級孔結構，仍是該領域長期未能克服的關鍵挑戰(zhàn)。
近日，南京林業(yè)大學蔣少華教授團隊從哺乳動物肺部高效的肺泡結構中汲取靈感，成功構建了一種新型木材基復合吸附材料。該材料巧妙地融合了天然木材的垂直通道、明膠氣凝膠的多孔網絡和金屬有機框架（MOF）的高效活性位點，實現(xiàn)了對水體中抗生素的超高通量（>1900 L m?2 h?1）和高效去除（吸附容量達180.3 mg g?1）。
2025年12月21日，該工作以“Alveoli-Bioinspired Wood Engineering by Filling a Gelatin@MOF Aerogel for Ultrahigh-Flux and Efficient Antibiotic Removal”為題發(fā)表在期刊《ACS Nano》上，南京林業(yè)大學博士生朱亞琴為該研究的第一作者，南京林業(yè)大學段改改副教授，蘇州科技大學張春媚副教授和武漢紡織大學劉延波教授為文章共同通訊作者。
連續(xù)過濾吸附是一種高效、可擴展的水處理策略，但實現(xiàn)高通量與高吸附容量的統(tǒng)一是其走向應用的關鍵。天然木材因其垂直排列的微通道、良好的機械性能及可持續(xù)性，成為一種理想的基體材料。然而，其固有的低比表面積（通常<5 m2 g?1）限制了其吸附性能。
自然界為這一難題提供了優(yōu)雅的解決方案。哺乳動物的肺泡通過“支氣管（負責定向傳輸）-肺泡囊（提供巨大交換面積）-毛細血管網（實現(xiàn)高效分子交換）”這一多級、多功能多孔結構，實現(xiàn)了極致高效的氣體交換（圖1）。受此啟發(fā)，研究團隊提出了“肺泡仿生木材工程”策略：
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天然木材：作為機械骨架，其垂直通道模擬支氣管的功能，提供定向、低阻力的流體傳輸路徑。
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明膠氣凝膠：填充于木材通道內，形成次級納米多孔網絡，將比表面積從3.34 m2 g?1提升至15.15 m2 g?1，其作用類似于肺泡囊，極大地增加了有效表面積。
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MIL-100(Fe) MOF：在明膠氣凝膠中原位生長，進一步將比表面積提升至169.28 m2 g?1，并提供豐富的Fe(III)活性吸附位點，模擬了毛細血管網的分子交換功能。
圖1：MOFs/WGA復合材料的仿生設計與制備示意圖，模仿了哺乳動物肺泡的層次結構與功能。該策略通過浸漬、凍干、熱處理及MOF原位生長，實現(xiàn)了納米尺度的異質組裝，構建了具有分級孔結構的復合材料。
該仿生設計帶來了材料性能的全面提升。卓越的機械強度：得益于木材骨架的支撐和優(yōu)化的界面結合，MOFs/WGA表現(xiàn)出優(yōu)異的機械性能，其干態(tài)壓縮強度高達53.38 MPa，楊氏模量約360 MPa，遠超大多數(shù)報道的多孔復合材料（圖3g, h）。高效的抗生素吸附：以四環(huán)素（TC）為目標污染物，MOFs/WGA表現(xiàn)出180.3 mg g?1的高吸附容量，其吸附行為符合Langmuir模型，表明是單層化學吸附（圖4a, b）。其性能遠超原始木材和WGA中間體。超高通量連續(xù)過濾：在動態(tài)過濾測試中，復合材料對10-100 mg L?1的TC溶液均表現(xiàn)出優(yōu)異的去除效果（圖4c），且在高達約1900 L m?2 h?1的通量下，去除效率仍能保持85%以上（圖4d）。與文獻中其他過濾吸附劑相比，MOFs/WGA在通量和吸附容量上均占據(jù)優(yōu)勢地位（圖4e）。優(yōu)異的穩(wěn)定性和可重復使用性：復合材料在20次吸附-脫附循環(huán)后，對TC的去除效率仍保持在85%（圖4f）。在水中浸泡7天后，其吸附容量仍能保持95%以上，并在寬pH范圍（3-10）內保持高效，顯示出極強的環(huán)境適應性。
復合材料的高性能源于其仿生結構在多個尺度上的協(xié)同優(yōu)化。流體動力學優(yōu)化：流體模擬顯示（圖4g），原始木材內的流速高度集中在通道中心，邊緣區(qū)域流速很低，導致傳質受限。而MOFs/WGA得益于氣凝膠網絡對流動路徑的重整，整個橫截面的流速分布顯著更均勻，使內部活性位點可及性大幅提高。分子級強吸附：密度泛函理論計算和靜電勢分析表明（圖4h），TC分子中富電子的羰基和羥基氧原子，與MIL-100(Fe)中缺電子的Fe(III)路易斯酸位點之間存在強烈的配位相互作用。此外，π-π堆積和氫鍵也貢獻了吸附穩(wěn)定性。XPS分析在實驗上證實了TC吸附后Fe 2p譜峰的位移，直接證明了配位鍵的形成。
圖2： 抗生素去除性能。（a）靜態(tài)吸附性能；（b）吸附等溫線；（c）動態(tài)過濾穿透曲線；（d）不同通量下的去除效率；（e）與文獻性能對比；（f）循環(huán)使用性能。 (g)水流經NW和MOFs/WGA過濾器時的模擬速度云圖。(h) 四環(huán)素與MIL-100(Fe)相互作用的靜電勢分布圖。
研究進一步證明了該材料的實用潛力。廣譜污染物去除：MOFs/WGA對多種有機污染物（如環(huán)丙沙星、阿莫西林、羅丹明B等）在30分鐘內均表現(xiàn)出高去除效率（>85%），并能在20次循環(huán)中對所有污染物保持高效（圖5a）。實際水體適應性：在自來水、湖水等實際水樣中，復合材料對TC的去除效率仍能保持80%以上，且常見無機離子的影響很。▓D5b）。原料普適性與可降解性：該合成策略可成功應用于輕木、山毛櫸、松木等多種木材（圖5d）。最重要的是，作為基體的WGA材料在土壤埋藏實驗中，可在4個月內完全生物降解，實現(xiàn)了從可持續(xù)原料到無害化降解的閉環(huán)生命周期（圖5e），契合綠色化學與循環(huán)經濟理念。
圖3： 環(huán)境適應性與可持續(xù)性。（a）對多種污染物的廣譜吸附；（b）在實際水樣中的性能；（c）連續(xù)過濾捕獲污染物示意圖；（d）策略在不同木材上的普適性；（e）材料的生物降解性與閉環(huán)生命周期示意圖。
總之，這項研究受肺泡結構啟發(fā)，通過將天然木材的垂直通道、明膠氣凝膠的多孔網絡和MIL-100(Fe) MOF的活性位點進行跨尺度集成，成功構建了一種高性能、可持續(xù)的水處理復合材料。該材料同時實現(xiàn)了高機械強度、超高水通量、高效吸附容量、廣譜污染物去除、優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性以及完全生物降解性。這項工作不僅為開發(fā)先進水凈化材料提供了可擴展、環(huán)境友好的平臺，也展示了仿生設計在連接結構層次與功能協(xié)同方面的強大潛力。
原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c13636
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