研究背景：“以竹代塑”产业需求
据统计，全球每年生产约4.3亿吨塑料，其中36%用于包装领域，其中大部分为一次性塑料制品，难以降解，长期堆积形成“白色污染”，已成为威胁生态环境的顽疾。发展绿色环保、生物基可降解的替代材料，是落实“限塑”和“禁塑”政策的可靠途径，已成为全球科技和产业领域的迫切使命。竹子，作为一种储量丰富、可再生的“负碳”生物质原料，已被科研界视为制备绿色材料的潜力。中国政府联合国际竹藤组织向全球发出“以竹代塑”倡议，全面推进竹基新材料研发和推广使用。哆啦AV梦
周祚万教授团队在国家自然科学基金等项目资助下，研发出基于季铵碱/水复合体系的竹生物质“全组分溶解”新方法，进一步提出纤维素纳米晶“跨尺度桥联”技术思路实现“全组分再生”得到竹基可降解薄膜（ACS Sustainable Chemistry & Engineering，2023, 11: 3228），为推进“以竹代塑”行动计划提供了全新技术方案。
为了克服竹生物质薄膜吸水性强、耐水性差，从而对水汽和氧气阻隔性能差等产品应用难题，该团队提出“仿皮肤”表面工程技术，通过构筑模仿天然皮肤的致密交联结构和疏水屏障功能，研发出一种兼具高疏水性、高气体阻隔性，同时兼具防水和可调控降解的竹生物质薄膜，为“代塑”包装材料提供全新解决方案，相关成果正式发表在国际知名期刊ACS Sustainable Chemistry & Engineering上，哆啦AV梦
博士生黄伟伟为第一作者，周祚万教授和高霞副教授为通信作者，论文题目：Skin-Mimetic Surface Engineering: Synergistically Enhancing Gas Barrier and Tuning Biodegradability of Bamboo Biomass Films。
仿生灵感：给竹膜“穿”上一层“防护衣”
为破解传统生物质薄膜阻隔性能较差的难题，研究团队从天然皮肤中得到灵感——皮肤表层特有的多级交联和致密疏水结构，不仅能够有效阻挡外界水分、细菌入侵，还能保护内部组织。基于此，课题组提出了一种“仿皮肤表面工程”策略，为竹基薄膜量身打造了一层特殊的“表皮”结构。通过将生物基交联剂吸附在再生竹基薄膜表面，再通过原位开环聚合反应，让交联剂与竹膜基质形成牢固的化学结合，最终构建出仿皮肤交联疏水结构。更巧妙的是，通过调节生物基交联剂的浓度，这层“表皮”结构的厚度可以在2 μm到15μm之间灵活调控，从而实现薄膜性能的精准定制。这一仿生设计，既保证了材料的可持续性，又解决了传统竹基薄膜“不耐用”的痛点。
仿皮肤竹基薄膜实现了环保与性能的双重突破，各项指标都达到了实用水平。其中，带有5μm厚“表皮”的竹膜，水接触角可达到114.3°，水蒸气透过率（WVTR）降至63.41 g/m²·24 h，氧气透过率（OTR）降至0.32 cm³/(m²·24 h·0.1 MPa)。这一性能，远高于已报道的同类木质纤维素基薄膜，可媲美传统塑料包装产品。除此之外，这款薄膜还具有良好的透明度，光学透过率最高可达88.3%，兼顾实用性与美观度，适用场景十分广泛。
图1 具有PESO仿生皮肤层的竹基薄膜（PESO-bamboo films，简称PESO-BF）制备过程的示意图。（a）将竹粉在TBAH/DMSO/H2O中球磨溶解，获得全组分生物质溶液刮涂成膜并在空气中凝胶化;（b）经环氧大豆油（ESO）浸泡后的薄膜通过热风干燥引发开环反应制备PESO-BF;（c）带有厚度5 μm皮肤层的PESO-BF和对照薄膜的的数字照片。
图2 具有不同皮肤层厚度的PESO-BF形貌和结构表征。（a）脆断面SEM图；（b,c）FT-IR光谱及其局部放大图谱；（d）XRD及结晶度；（e）XPS光谱；（f）C 1s高分辨谱图；（g）O 1s高分辨谱图。
图3 PESO-BF的形成机理示意图。
图4 PESO皮肤层厚度调控PESO-BF的疏水性能。（a）水接触角；（b）吸水率；（c）对照组薄膜与表皮层厚度5 μm薄膜在不同时长下的保水状态实物照片。
图5 PESO皮肤层厚度调控PESO-BF的力学性能。（a）干态拉伸强度；（b）干态断裂伸长率；（c）浸水12 h后的拉伸强度；（d）浸水12 h后的断裂伸长率。
图6 PESO皮肤层厚度调控PESO-BF的气体阻隔性能。（a）水蒸气透过率（WVTR）；（b）氧气透过率（OTR）；（c）皮肤层厚度约5 μm的PESO-竹膜（经20 wt% ESO溶液浸泡）与文献中木质纤维素薄膜的氧气透过率、水蒸气透过率对比；（d）对照竹膜和皮肤层厚度约5 μm的PESO-竹膜封装变色硅胶的效果图。在25℃、相对湿度90%环境下，蓝色硅胶会随水分吸附逐渐变为粉红色。
图7 PESO-BF在土壤中填埋不同时间后的形貌变化
不止于包装：为绿色材料开辟新路径
这款仿皮肤竹基薄膜的意义，远不止于一款新型包装材料。它的研发，为木质纤维素生物质的高效利用提供了全新思路。传统竹基材料的改性，要么需要复杂的化学试剂，要么会破坏其降解性。而该团队提出的仿生策略，全程采用绿色可再生原料，制备工艺简单、温和，无需复杂设备，符合“绿色化学”和“可持续”的所有原则，易于规模化生产。从应用场景来看，它可以广泛用于食品包装、农业地膜、一次性餐具等领域，完美替代不可降解塑料。从长远来看，它将竹子这一丰富的生物质资源，转化为高附加值的功能材料，不仅能缓解塑料污染，还能推动林业与新材料产业的协同发展，实现“环保+经济”的双赢。
该工作得到国家自然科学基金（22378337、52403144）、四川省重大专项等科技计划项目（2025ZDZX0018、2025YFNZH0001、2024ZYD0174）以及宜宾市科技计划项目（2022NY030）等资助。
文章链接：//doi.org/10.1021/acssuschemeng.5c12466
