近日，浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院傅迎春、應(yīng)義斌教授團隊（IBE）聯(lián)合浙江大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)系的合作者在Advanced Science期刊上發(fā)表研究論文—Blood-Coagulation-Inspired Dynamic Bridging Strategy for the Fabrication of Multiscale-Assembled Hierarchical Porous Material（圖1）。該研究報道了一種基于生理凝血啟發(fā)的動態(tài)橋聯(lián)策略，實現(xiàn)了常規(guī)（亞）毫米級多孔材料和納米多孔材料的普適集成，所制備的分級多孔材料應(yīng)用于水和飼料中化學(xué)有害物的高效吸附效果顯著，有望發(fā)展成為農(nóng)業(yè)、食品、環(huán)境等領(lǐng)域有害物和信息分子檢測的一類新策略。
圖1 纖維蛋白動態(tài)橋聯(lián)策略構(gòu)建多級多孔材料。
多孔材料在能源、環(huán)境、化工、農(nóng)業(yè)等諸多領(lǐng)域有重要應(yīng)用價值。特別地，多孔材料已發(fā)展成為農(nóng)業(yè)有害和信息分子的快速、高效富集與檢測平臺。隨著孔尺寸從（亞）毫米到（亞）納米變化，多孔材料的特點、功能和應(yīng)用場景大不相同。（亞）毫米孔徑的宏觀多孔材料（如海綿、泡沫等，簡稱宏觀材料）機械性能好、傳質(zhì)快、便于操作，但孔過大既降低體比表面積，又限制了對其內(nèi)部空間的充分利用；（亞）納米孔徑的微納米材料（如金屬-有機框架（MOFs）、多孔石墨烯等，簡稱納米材料）具有比表面積高、活性位點多等特點，但常見以顆粒/粉末形式存在，限制了其進一步的實際應(yīng)用。顯然，上述兩類材料優(yōu)勢互補，將兩者結(jié)合于一體構(gòu)建分級多孔材料有望充分發(fā)揮多孔材料的特點，以實現(xiàn)性能最大化。
目前用于構(gòu)建分級多孔材料的方法主要包括將預(yù)先制備的納米材料加工成型，或在宏觀材料內(nèi)部及表面后修飾納米材料。前者常存在孔結(jié)構(gòu)不規(guī)則、納米顆粒團聚等問題，后者對內(nèi)部空間的利用率仍較低，且納米顆粒負載量有限。此外，現(xiàn)行大多數(shù)制備方法步驟多、耗時長，亟需一種簡單、快速的制備方法實現(xiàn)具有更高級分級多孔結(jié)構(gòu)的材料制備？紤]到兩類多孔材料大小、孔的尺寸及形狀不匹配是造成難以集成的主要原因之一，尋找一種具有適中孔徑的中間媒介交聯(lián)兩類材料是一種富有前景的解決方法。
生理凝血是自然界最常見、最精妙的生理行為之一，血管壁破裂后，纖維蛋白原被凝血酶剪切形成纖維蛋白網(wǎng)格，同時粘附大量血細胞形成凝血塊填補傷口而止血。不同于常規(guī)聚合物，纖維蛋白具有多孔網(wǎng)格結(jié)構(gòu)（孔徑10 nm-10 μm），且對諸多有機、無機材料具有強的負載粘附能力。受此啟發(fā)，浙江大學(xué)生物系統(tǒng)工程與食品科學(xué)學(xué)院傅迎春、應(yīng)義斌教授團隊（IBE）報道了一種基于纖維蛋白的動態(tài)橋聯(lián)策略集成不同孔徑的多孔材料，實現(xiàn)了多級多孔材料的制備（圖1）。多孔纖維蛋白作為中間組織媒介充分利用宏觀材料的內(nèi)部空間，一方面粘附并橋聯(lián)宏觀材料的框架以縮小孔徑，另一方面通過吸附捕獲與纖維纏繞方式負載納米材料，實現(xiàn)其大量且穩(wěn)定的負載。得益于獨特的生物聚合原理，該制備方法快速、簡單、條件溫和，且具有普適性，可用于各類具有不同孔結(jié)構(gòu)和尺寸的多孔材料的多元集成。這項工作所構(gòu)建的三級多孔結(jié)構(gòu)材料，打破了對分級多孔結(jié)構(gòu)的固有認識，實現(xiàn)了高表面積與大量傳質(zhì)通路的兼容，因而在各種水體有害物吸附模型（靜態(tài)吸附、動態(tài)過濾）中展現(xiàn)了優(yōu)異的應(yīng)用性能。特別的，該材料被證實可用于實際水體樣本中染料分子的快速富集，以及實際復(fù)雜飼料樣本中四環(huán)素與黃曲霉毒素的同時吸附，在農(nóng)業(yè)、環(huán)境、食品檢測等領(lǐng)域展現(xiàn)了良好的應(yīng)用前景。
圖2多級多孔材料的制備示意圖，結(jié)構(gòu)表征及其與常規(guī)分級多孔結(jié)構(gòu)（E和F）對比。
圖3多級多孔材料的表征。
圖4 普適性。該策略可用于多種宏觀材料（如聚氨酯海綿（A1）、鎳泡沫（A2）、石墨烯無紡布（A3））與納米材料（如MOFs（B1、B2、C）、介孔硅（B3）、磁珠（B4）、金納米顆粒（B5））的集成，實現(xiàn)多級多孔材料的個性化定制。
圖5 多級多孔材料的吸附應(yīng)用性能驗證。
論文第一作者為浙江大學(xué)智能生物產(chǎn)業(yè)裝備創(chuàng)新團隊（IBE）、高分子科學(xué)與工程學(xué)系、高分子新物質(zhì)創(chuàng)制國際研究中心博士后張琳。通訊作者為浙江大學(xué)傅迎春教授，浙江省自然科學(xué)基金杰出青年項目獲得者，浙江大學(xué)應(yīng)義斌教授領(lǐng)銜的智能生物產(chǎn)業(yè)裝備創(chuàng)新團隊（IBE）核心成員，浙江大學(xué)-神牧信息畜禽智能養(yǎng)殖裝備聯(lián)合研究中心副主任。
該研究得到了浙江省自然科學(xué)基金杰出青年項目（LR22C170002）和浙江省博士后科研項目擇優(yōu)資助（ZJ2022005）的資助及支持。近五年，課題組基于生理凝血、貽貝粘附、生物礦化等生物啟發(fā)策略開發(fā)了一系列多功能傳感材料與技術(shù)，用于了農(nóng)業(yè)有害與信息分子的前處理與一體化傳感，該工作在團隊前期積累和經(jīng)驗總結(jié)的基礎(chǔ)上完成，Biosensors and Bioelectronics, 2022, 114659；2020, 154, 112036；Chemical Engineering Journal, 2022, 430, 132956; 2021, 410, 128268；2020, 385, 123462；Trends in Analytical Chemistry, 2019, 118, 434；Carbon, 2019, 153, 504；ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11, 47311；Journal of Materials Chemistry A, 2018, 6, 3402。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/advs.202204702
