北卡罗来纳州立大学的最新研究表明，从甲壳类动物和海藻中提取的具有增强结构的材料可能成为下一代解决替代石油基塑料薄膜挑战的一部分。

将壳聚糖(一种使蟹壳变硬的生物聚合物)与琼脂糖(一种从海藻中提取的用于制造凝胶的生物聚合物)相结合，可创造出强度更高的独特生物聚合物复合膜。该薄膜还可生物降解、具有抗菌性能、防水且透明。这些发现最终可能导致食品和消费品的可持续包装薄膜。

“我们如何找到合成聚合物的可持续替代品?” 北卡罗来纳州立大学化学与生物分子工程系杰出教授、描述该研究的论文的通讯作者 Orlin Velev 问道。“合成聚合物可以制造非常好的薄膜，但我们希望用天然生物聚合物取代它们。问题是我们如何调整这些天然聚合物(在我们的例子中是琼脂糖和壳聚糖)的接头结构，以便我们可以在可持续的、可生物降解的薄膜中拥有合成聚合物的所有理想特性?”

简单地将壳聚糖和琼脂糖混合在一起可能还不够。维列夫说，以前生产这种混合物的努力报告了性能的改善，但干燥后产生的砂质薄膜可能缺乏适当的强度。

相反，Velev 和他的合作者采取了不同的方法，用由壳聚糖制成的原纤维状胶体鳞片材料(称为软树突状胶体)增强琼脂糖膜。坚固的壳聚糖微米级和纳米级原纤维是分层分支的，为它们嵌入的琼脂糖膜提供强度和稳定性。

“对天然聚合物进行化学改性具有挑战性，但我们可以改变它们的形态并将它们用作复合材料，”北卡罗来纳州立大学博士 Yosra Kotb 说。研究生和论文第一作者。“我们使用壳聚糖树枝状颗粒来增强琼脂糖基质，因为两种材料的相容性导致了良好的机械性能;壳聚糖颗粒还具有与琼脂糖相反的电荷。混合时，这些电荷会被中和，因此所得材料也变得更耐水。”

研究表明，生物聚合物复合材料的强度比单独的琼脂糖膜强约四倍，并且还能抵抗大肠杆菌(一种常见的研究细菌)。该论文还表明，由生物聚合物复合薄膜制成的片材在地下一个月后会大大降解，而作为比较，普通的塑料三明治袋在地下同一时间后仍保持完整。

“有趣的是，我们的复合材料最初具有很强的抗菌性，”维列夫说，“但由于它是由天然材料制成的，一段时间后细菌仍然会在它上面定居——所以在地下一个月后它会很容易生物降解。”

维列夫补充说，他的实验室将继续努力改进生物聚合物复合薄膜的结构，目标是最终匹配合成聚合物复合薄膜的性能。

“如果你包装食物，你希望包装不透氧气和水，”他说。“但天然材料是可渗透的，因此我们将继续努力使我们的薄膜更不渗透水和氧气。”

提高材料生产过程的可扩展性也是未来的目标之一。“如何以足够快的速度、足够大的量连续生产聚合物替代薄膜——就像造纸一样?” 维列夫说道。

研究结果发表在《细胞报告物理科学》上。北卡罗来纳州立大学已就新型生物聚合物复合薄膜及其制造工艺提交了专利申请。该研究得到了美国国家科学基金会 CMMI-2233399 的资助，部分由 EFMA-2029327、CMMI-1825476 和 CMMI-21346 资助。