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  近年來，利用天然原材料（如蛋白質(zhì)、纖維素和木質(zhì)素）制備環(huán)保生物基材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)石油基材料的研究與應(yīng)用引起人們越來越多的關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的生物基原材料及產(chǎn)品通常存在界面相互作用弱、力學(xué)性能和抗菌性能較差等缺點，傳統(tǒng)的改性方法（如化學(xué)交聯(lián)、納米填料共混、嵌段共聚和酶處理等）通常存在制造成本高、添加有毒化學(xué)試劑、加工工藝繁雜等問題，因此，發(fā)展綠色簡易方法制備力學(xué)性能優(yōu)異和抗菌的高性能生物基材料意義重大，且挑戰(zhàn)巨大。

  近日，李建章教授團隊報道了一種簡便而通用的方法，以大豆蛋白（SP）為原料，通過構(gòu)建氮配位硼二酯鍵（NB）和礦物/有機復(fù)合物（CHA）的方法，制備具有高強度、抗菌性和阻燃性的SP/NB@CHA復(fù)合膜材料（圖1）。

圖1. SP/NB@CHA復(fù)合膜材料的制備過程示意圖。

  在這項研究中，首先由二乙醇胺（DEA）和3-氨基苯基硼酸（BA）通過脫水反應(yīng)合成動態(tài)的氮配位硼二酯鍵（NB）；之后利用含有酚類化合物的咖啡酸（CA）通過Ca²⁺–酚醛配位鍵固定在羥基磷灰石（HA）納米粒子表面，制備出CA功能化修飾的HA復(fù)合物（CHA）（圖2）。最后，將NB@CHA加入到大豆分離蛋白（SP）溶液中攪拌均勻，并流延成膜，得到SP/NB@CHA復(fù)合膜材料。

圖2.（a）氮配位硼二酯鍵NB與（b）功能化CHA納米粒子的制備機理。

  測試表明，SP/NB@CHA膜材料最大拉伸強度和韌性分別達到13.89 MPa和14.72 MJ/m³，比空白組提高了361%和489%，高于許多已報道的蛋白基復(fù)合膜材料（圖3）。這是由于動態(tài)的氮配位硼二酯鍵和分子間氫鍵提高了復(fù)合材料的交聯(lián)密度；具有犧牲配位鍵的動態(tài)NB鍵可以通過有效的能量耗散作用提高復(fù)合膜的拉伸強度和韌性。同時，功能性CHA納米粒子充當(dāng)剛性填料，在大豆蛋白基質(zhì)中構(gòu)筑了剛性的骨架結(jié)構(gòu)。由于形成致密的礦化結(jié)構(gòu)，熱量傳遞和熱解產(chǎn)物的數(shù)量得到降低，因此SP/NB@CHA復(fù)合膜具有顯著增強的熱穩(wěn)定性和阻燃性（圖4）。此外，由于硼酸鹽和酚類成分的協(xié)同作用，SP/NB@CHA復(fù)合膜對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌均產(chǎn)生明顯的抗菌性（圖5）。綜上所述，這種新穎的仿生策略將動態(tài)氮配位硼二酯鍵和礦物/有機雜化體系應(yīng)用于制備高性能大豆蛋白復(fù)合膜材料，對于進一步推動生物質(zhì)材料的工業(yè)化生產(chǎn)和應(yīng)用具有重要意義。

圖3. 大豆蛋白復(fù)合膜的（a）應(yīng)力-應(yīng)變曲線和（b）韌性。（c）與其他蛋白基復(fù)合膜的力學(xué)性能對比。（d）大豆蛋白復(fù)合膜斷裂破壞形態(tài)。

圖4. 大豆蛋白復(fù)合膜的（a）熱重曲線，（b）極限氧指數(shù)，（c）熱釋放率，（d）總熱釋放和（e）燃燒照片。

圖5. 大豆蛋白復(fù)合膜的（a）抗菌照片和（b）抑菌圈直徑。（c）BA和CA的抗菌機理示意圖。

  以上相關(guān)成果以題為“Bioinspired mineral–organic strategy for fabricating a high-strength, antibacterial, flame-retardant soy protein bioplastic via internal boron–nitrogen coordination”發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》(一區(qū)Top期刊，IF=13.273)。論文的第一作者為南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院李鄺博士，通訊作者為李建章教授。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132616

  近年來發(fā)表的相關(guān)研究成果：

  1. Chem. Eng. J. 2021, 421, 129820.

  https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.129820

  2. Compos. Part B: Eng. 2021, 224, 109187.

  https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.109187

  3. J. Clean. Prod. 2021, 285, 125504.

  https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.125504

  4. Compos. Part B: Eng. 2021, 219, 108943.

  https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2021.108943