科学家们近日在《自然·通讯》上发表研究称，美国莱斯大学与休斯敦大学团队通过一种简单且可规模化的工艺，在细菌纤维素生成过程中实现了纤维定向排列，制得了一种兼具高强度与多功能性的生物基材料，被认为有望替代部分传统塑料。
塑料污染长期以来是全球性难题，常见合成高分子会在环境中分解为微塑料，并释放双酚A（BPA）、邻苯二甲酸酯及部分致癌物等有害化学物质。为此，以穆罕默德·马克苏德·拉赫曼为首的研究团队将目光投向天然生物高分子——细菌纤维素，这种材料来源丰富、纯度高且可生物降解。
研究指出，细菌纤维素本身由纳米尺度纤维构成，力学基础优异，但由于纤维在自然生长过程中方向无序，整体性能一直未能充分发挥。此外，往这种三维致密网络中引入其他纳米填料时，也面临分散与渗透困难，限制了材料功能拓展。为解决上述问题，团队设计了一种旋转式生物反应器，通过流体运动引导产纤维素细菌的运动方向，使其在生长过程中“被迫排队”，从而实现纤维定向生长。
论文第一作者、莱斯大学博士生M.A.S.R. Saadi表示，这种方法相当于“训练一支纪律严明的细菌队伍”，让原本随机游动的细菌沿着设定方向移动，并在这一过程中定向生成纤维素。通过这种动态生物合成策略，研究人员制得的定向细菌纤维素片材抗拉强度约为436兆帕，强度可比肩部分金属和玻璃，同时具备柔韧可折叠、透明、且环境友好的特点。
在进一步实验中，团队将六方氮化硼纳米片直接加入细菌培养营养液，使其在合成过程中原位掺入纤维素网络。这种复合材料的抗拉强度最高提升至553兆帕，其热性能也显著改善，导热能力约为对照样品的3倍，有助于快速散热。研究人员强调，该方法为在材料生成阶段“底层集成”多种纳米添加剂提供了便利，可以根据应用需求定制机械、热学等性能。
团队认为，这种单步骤、自下而上的制备路线具备工业放大潜力。得益于工艺简化和材料来源广泛，未来有望在包装、纺织、结构材料、热管理、绿色电子器件以及能源存储等领域得到应用。拉赫曼指出，这项工作展示了材料科学、生物学和纳米工程交叉研究的力量，最终目标是让这种强度高、多功能且生态友好的细菌纤维素片材在各类场景中取代部分塑料，减轻环境破坏。
研究团队总结称，通过解决长期困扰细菌纤维素的纤维取向和填料扩散难题，该工艺为这种天然生物高分子打开了通往高性能工程材料的大门。他们认为，这种可降解、性能可调的生物基材料为减少对传统塑料的依赖提供了一条现实路径，也为全球塑料污染治理带来新的技术想象空间。