21世紀正在面臨嚴峻的環境危機和氣候問題。其中，以化石燃料為原料的塑料問題日益嚴峻。目前 全世界每年生產超過3.5億噸的塑料，這需要大約8%的化石燃料資源。[1] 對塑料需求的不斷增長以及原材料成本的上漲，再加上由于廢物管理不善和低效的回收系統，塑料在未來會面臨更加嚴重的環境問題。合成塑料降解周期長達數十年或數百年是目前可持續性利用塑料制品的核心挑戰。因此尋求可持續以及可生物降解的塑料替代品已成為一項緊迫的任務。
最近，塔夫茨大學生物工程系的David L Kaplan 教授，李春梅博士，以及博士后研究員吳俊奇等人就尋求可生物降解，純天然生物高分子材料以替代合成塑料上做了深入的討論和梳理。文中重點討論了纖維類的生物高分子（纖維素，甲殼素，和蠶絲）在替代合成塑料上的優勢。通過比較目前該類材料的加工方式，分析了溶劑類加工方式和纖維化加工方式(Fibrillated)在工業化和價格上的優勢，同時也指出用熱塑性加工方法加工的新的機會和可行性。該綜述發表在Advanced Materials, Hall of Fame系列上。
該文章以碳循環著手，首先討論了目前化石燃料為主的合成塑料的線性生命周期，指出了生物高分子材料在打破線性周期，實現可循環利用上的優勢。
圖a: 合成塑料和可降解生物纖維材料的碳循環周期
之后，作者就纖維素，蠶絲，甲殼素以及合成高分子聚合物在結構上做了比較，詳細分析了生物高分子結構的層級復雜性。
圖b: 傳統塑料和生物高分子材料的結構和聚合形式
傳統塑料制品通常使用熱塑性加工，這種方法在工業上具有很大的優勢。生物高分子材料結構的多級性導致了他們在使用傳統熱塑性加工上比合成聚合物更具挑戰。 作者從生物高分子纖維材料結構共通性入手，解釋了在實現熱塑性加工上面臨的挑戰。合成塑料一般是由重復性單鏈構成的線性或者帶支鏈的高分子結構。他們有分界明顯的玻璃轉換溫度，熔點和熱降解溫度。這為熱塑性加工提供了可能。生物高分子以氫鍵為基礎形成的多層結構導致熔點和熱降解溫度通常難以區分，因此熱塑性加工面臨很大的挑戰, 這也解釋了為什么生物高分子材料目前仍以溶劑類加工方法為主。
圖c: 合成塑料和高分子生物材料的熱塑性和加工方式的比較
蠶絲材料的熱塑性加工為高分子材料熱塑性加工提供了先例。在該綜述里， 作者回顧了該實驗室用蠶絲無定形態納米顆粒作為固體形式，通過加壓加溫形成具有極強機械性能的塑料材料的工作，分析了水分子在熱塑性中起到的作用和對蠶絲β折疊結構的影響。該項工作證實了高分子生物材料熱塑性加工的可能性，為實現更多生物高分子熱塑性加工提供了模板。
圖d: 蠶絲材料的熱塑性加工
參考資料：[1]https://www.statista.com/statistics/282732/global-production-of-plastics-since-1950/.
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202105196
下載：論文
- 中科院生態環境研究中心俞文正課題組CEJ：不同地表水中生物大分子聚合物和高分子量腐殖質對納濾膜污染的影響 2022-08-31
- 吉林大學化學學院生物高分子材料院士團隊招聘博士后及招收碩士、博士研究生啟事 2021-11-26
- 華南農業大學楊卓鴻團隊 & 華南理工大學王朝陽團隊：用于鋰硫電池的低成本、高環保的全生物質基聚合物粘結劑 2020-11-03
- 武漢大學陳朝吉、高恩來/林科院林化所劉鶴 AFM：二氧化碳衍生多功能生物基非異氰酸酯聚氨酯助力紙張轉化為紙塑 2025-06-30
- 超分子化學賦能綠色材料新未來：武漢大學陳朝吉團隊在《Nat. Rev. Mater.》發表纖維素綜述 2025-06-10
- 北京林業大學彭鋒教授團隊 Nat. Sustain.: 木聚糖類半纖維素利用新途徑 2025-06-06
- 武漢大學鄧紅兵/趙澤團隊 AFM：魷魚遇見花粉 - 甲殼素-花粉親疏水協同組裝全生物質海綿 - 納米塑料高效“清道夫” 2025-02-27
