全球塑料年产量持续攀升，预计205年前需求将翻倍。传统石油基塑料难降解、难回收，现有再生技术依赖有机溶剂且能耗高，导致严重环境污染与温室气体排放。塑料废弃物及其降解产生的微塑料对生态系统构成严峻威胁，亟需开发可循环、可再生、低能耗且可生物降解的替代材料。

新加坡科技研究局Hu Yuwei、耶路撒冷希伯来大学Itamar Willner、岭南大学Chen Xi等合作研发出一种可持续DNA-多糖水凝胶生物塑料。该材料以植物或生物废弃物中的DNA和葡聚糖、海藻酸、羧甲基纤维素等多糖为原料，通过高碘酸钠氧化多糖生成醛基衍生物，再与DNA氨基形成动态亚胺共价键，在水相中交联成水凝胶。所得生物塑料具备多重闭环回收能力：水基再加工实现物理回收，亚胺键可逆反应支持化学回收，DNA/多糖的自然生物降解构成生命周期闭环。其碳排放比商用塑料低58.7–78.3%，且能有效规避微塑料污染风险。相关论文以“Sustainable DNA-polysaccharide hydrogels as recyclable bioplastics”为题，发表在

Nature Communications

核心技术解析

图1展示了材料设计原理与循环路径。DNA碱基（腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤）的氨基与氧化多糖的醛基通过希夫碱反应形成亚胺键（图1b-ii），构建三维网络水凝胶。材料经历"生物资源→化学反应→成型加工→生物降解"的主循环（图1b-i/iv），辅以亚胺键化学回收（图1b-ii）和水基重塑循环（图1b-iii）。该材料兼具耐有机溶剂、纳米级加工精度、生物相容性等特性（图1c）。

图1 | 生物塑料及其闭环循环示意图 a. 生物质成分：(i) DNA与(ii)多糖（以葡聚糖及其氧化产物为例）的化学结构； b. DNA-多糖生物塑料的多重闭环循环：(i) 生物可再生资源→(ii) 化学反应→(iii) 材料成型→(iv) 生物降解的主循环；(ii) 基于亚胺键的可逆化学反应次循环；(iii) 水循环成型第三循环； c. 生物塑料核心优势：多重闭环可回收、水（再）加工、低碳排放、耐有机溶剂、纳米级加工、生物相容与可食用、水愈合、可降解、可扩展。

图2揭示了材料性能与回收机制。流变学测试表明，10%氧化葡聚糖-5%DNA水凝胶的储能模量（G'）达170 Pa，较单一组分提升3倍以上（图2a），证实交联网络增强力学强度。通过选择性溶剂分离（水溶解生物塑料，氯仿溶解聚苯乙烯），可从混合塑料废料中精准回收目标材料（图2d）。冷冻干燥工艺调控微观结构：液氮速冻（-196°C）形成2–10 μm微孔（图2e-ii），室温干燥则获致密结构，杨氏模量高达1155 MPa（图2f-iii）。经历10次回收后，力学性能无显著衰减（图2f-ii）。

图2 | Dex-DNA生物塑料制备与回收 a. 葡聚糖(i)、DNA(ii)及Dex-DNA(iii)的流变学表征； b. 不同葡聚糖含量的Dex-5%DNA水凝胶(i)及其原始(ii)、首次(iii)与二次(iv)回收产品； c. 典型水加工回收流程（以刀具形样品为例）； d. 生物塑料与聚乙烯(PE)/聚苯乙烯(PS)混合物的分步回收流程； e. -20°C(i)、-196°C(ii)冷冻干燥及室温干燥(iii)样品的SEM图像； f. 葡聚糖含量(i)、回收次数(ii)和微观结构(iii)对杨氏模量的影响。

图3验证了应用潜力与环境安全性。材料耐正己烷、氯仿等溶剂浸泡7天（图3a），水触发自愈合能力使断裂界面强度完全恢复（图3b）。纳米压印技术制备出仿荷叶表面微结构（图3e）、直径300 μm的透皮微针（图3f）及150 nm光子图案（图3g）。土壤埋藏实验显示，29天内生物塑料完全降解，而聚乙烯餐具保持原状（图3h）；DNase I酶解可在2小时内加速降解（图3i）。

图3 | 生物塑料特性：耐化学性、水愈合、精密加工与生物降解 a. 样品在正己烷(i)、氯仿(ii)、DMSO(iii)中浸泡0/7天的状态； b. 刀具形产品水愈合过程(i)及愈合前后杨氏模量对比(ii)； c-d. 紫外光下荧光染色模块组装成2D火箭(c)与3D花朵(d)； e-g. 仿生表面(e)、微针贴片(f)及光子纳米图案(g)的SEM图像； h. 土壤中生物降解过程（第1/12/21/29天）； i. DNase I酶解实验室降解（0/30/60/120分钟）。

图4拓展了材料普适性。海藻酸（AA）与羧甲基纤维素（CMC）通过相同氧化机制与DNA交联（图4a/d），均实现水基回收（图4b/e）和自愈合。细胞毒性实验表明，三类材料在12.5 mg/mL浓度下细胞存活率超80%（图4g），小鼠器官切片未检出病理损伤或微塑料残留（图4h/i）。

图4 | 方法普适性与生物相容性 a/d. 海藻酸(AA)(a)与羧甲基纤维素(CMC)(d)氧化过程分子结构变化； b/e. AA-DNA(b)与CMC-DNA(e)生物塑料回收流程； c/f. 不同含量(2%–20%)AA-5%DNA(c)与CMC-5%DNA(f)生物塑料； g. 三类生物塑料的细胞存活率测试； h/i. 小鼠摄入生物塑料14天后主要器官(h)及胃部(i)组织切片。

图5评估了规模化潜力与环保效益。500 mL级水凝胶批量生产成功（图5a），可制成透明薄膜（图5b）或定制形态产品（图5c）。生命周期分析显示：10次循环后，每立方米材料碳排放仅861 kg CO₂当量，较未回收商用塑料降低58.7–78.3%（图5d）；若采用低碳电力（如新加坡、日本），碳排放可进一步降至832 kg CO₂当量（图5e）。

图5 | 生产放大与环境影响分析 a. 500 mL级10%Dex-5%DNA水凝胶生产； b/c. 水凝胶制成的薄膜(b)与多形态产品(c)； d. 不同回收次数下生物塑料与商用塑料的全球变暖潜能值对比； e. 亚太地区10次回收的生物塑料碳排放热力图。

总结与展望该研究首创水基加工的多重闭环回收生物塑料，为替代石油基塑料提供可持续路径。未来需优化高碘酸钠的绿色合成工艺，如利用太阳能催化氧化多糖。尽管当前实验室规模成本较高（3.1–5.2美元/克），但通过原料供应链优化与节能设备升级，有望推动商业化应用。此项技术平台可延伸至多糖-蛋白质交联体系，为生物材料设计开辟新方向。

来源：高分子科学前沿

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