CEJ|南京工业大学:菌丝体协同界面仿生工程:构建高强度、耐水、阻燃型无醛复合材料

当前，刨花板作为重要的工程木制品被广泛应用于建筑与家具制造领域，其生产主流采用的脲醛、酚醛树脂胶黏剂源于不可再生石油资源，不仅加剧资源消耗，还会在使用过程中持续释放甲醛、苯酚等挥发性有机物，对生态环境与人体健康构成严重威胁；而淀粉、大豆蛋白等已开发的天然高分子生物胶黏剂体系，又存在纯化工艺复杂、成本偏高、易引入化学试剂残留等问题，因此开发高性能、绿色且本质安全的工程木制品用胶黏剂仍是行业面临的重大挑战。在此背景下，可通过生长过程将低成本生物质转化为可持续材料的菌丝体，凭借独特的天然胶黏剂潜力受到广泛关注，其既能通过纤维素降解酶体系在木屑等基质上定殖形成纤维网络实现物理包裹成型，也可在热压过程中通过细胞壁多糖与蛋白质的美拉德反应生成糖基化产物发挥胶黏作用，且废弃后可通过堆肥实现生物降解，契合可持续建材全生命周期管理的要求，但纯菌丝体的结合力主要依赖胞外生物大分子与基质间的物理缠结和非共价相互作用，存在内聚强度低、界面粘附弱、力学性能对生长过程高度敏感等固有缺陷，现有延长培养周期、提高热压温度等改性方式对性能提升效果有限，难以满足刨花板商业化应用标准，严重制约了其从实验室走向实际应用的进程。与此同时，受贻贝粘附特性启发的仿生界面强化策略，可在保持材料生物相容性的同时显著提升界面粘附性能，多巴胺在弱碱性条件下氧化自聚形成的聚多巴胺涂层具备强粘附性，其改性工艺可在常温常压下通过简单浸渍完成，符合低碳低能耗的绿色制造理念，且已在大豆蛋白、多糖基胶黏体系中实现成功应用，为突破菌丝体基复合材料的性能瓶颈提供了全新的思路与潜在解决方案。

聚多巴胺仿生界面改性工艺的建立与 pH 调控效应

本研究受贻贝粘附特性启发，成功建立了基于 pH 调控的聚多巴胺（PDA）常温浸渍界面工程策略，首次实现了 PDA 对灵芝菌丝体基复合材料的高效改性，验证了该工艺对材料性能梯度调控的可行性。研究证实，溶液 pH 值是调控多巴胺氧化自聚效率、PDA 在菌丝体纤维表面负载效果的核心因素，随着 pH 值从 6.5 升高至 8.5，PDA 在菌丝体表面的覆盖度、材料表面氮元素含量与整体致密度同步提升，其中 pH 8.5 条件下改性的复合材料致密度较未改性组提升 16.21%。多尺度表征与分子动力学模拟结果表明，PDA 可通过氢键作用稳定吸附在菌丝体纤维表面，该改性过程不会破坏材料原有化学结构，为材料综合性能的全面提升奠定了结构基础。

复合材料力学性能的突破性提升与强化机制

PDA 界面改性可同步显著增强菌丝体基复合材料的核心力学性能，且提升效果随改性 pH 值升高而增强，其中 pH 8.5 改性的最优试样综合力学性能最为突出。相较于未改性复合材料，最优改性组的弯曲强度与内结合强度分别提升 4.5 倍和 5.4 倍，达到 16.5 MPa 和 0.54 MPa，弯曲弹性模量提升 4.1 倍至 1382.0 MPa，各项核心力学指标均满足甚至超过美国刨花板 ANSI A208.1-2016 标准要求，性能优于已报道的多数大豆、淀粉基等生物基胶黏剂体系。研究明确了其协同强化机制，一方面 PDA 与菌丝体、木屑之间通过氢键和共价交联构建了致密的交联网络，大幅提升了材料内聚能密度，实现了载荷的连续传递与能量的高效耗散；另一方面热压过程中 PDA 聚合物可迁移填充菌丝体纤维间的空隙，形成高密度界面结构，解决了天然菌丝体胶黏剂分散不均导致的界面粘附不足问题。

复合材料耐水性能与湿态稳定性的显著改善

PDA 界面改性有效破解了生物基胶黏剂遇水性能劣化的行业痛点，大幅提升了菌丝体基复合材料的耐水性能与尺寸稳定性。最优改性组的 24 h 厚度膨胀率仅为 15%，较未改性组降低 84%，远低于中国国标与欧盟标准中对刨花板厚度膨胀率的限值，同时吸水率降至 49%，达到了商用脲醛树脂板材的耐水水平。尽管 PDA 的引入使材料表面静态接触角略有下降，但仍处于疏水区间，且改性后形成的致密结构与交联网络可有效抵御水分渗透，即使经过 24 h 水浸泡，最优改性组的弯曲强度与弯曲弹性模量仍能分别保留原始值的 70.1% 和 85.4%，在 35℃、90% 相对湿度的高温高湿环境下，也可保持良好的尺寸稳定性与生物耐受性，为材料在潮湿环境中的长期应用提供了可靠支撑。

复合材料阻燃性能与热稳定性的增强及作用机理

PDA 改性同时赋予了菌丝体基复合材料优异的阻燃性能与热稳定性，补齐了生物基建材易燃的安全短板。最优改性组的极限氧指数（LOI）达到 33%，较未改性组提升 27%，即使经过 24 h 常温水浸泡，其 LOI 仍可保持 30%，仍优于未改性试样；同时其燃烧热释放峰值与总热释放量较未改性组分别降低 17% 和 21%，有效抑制了燃烧过程中的热量释放与火焰蔓延。热重分析结果显示，改性后材料的热稳定性与成炭能力显著提升，氮气氛围下 800℃残炭量较未改性组提升约 119%，最大质量损失速率显著下降。研究阐明了其气相与凝聚相协同的阻燃机理，气相中 PDA 的邻苯二酚结构可在燃烧初期捕获自由基，干扰燃烧链式反应；凝聚相中 PDA 与菌丝体的协同作用优化了材料结构致密性，促进燃烧过程中形成连续致密的保护性炭层，有效阻隔热量与氧气向材料内部传递，实现了高效阻燃。

改性复合材料的生物安全性与产业化可行性验证

本研究开发的 PDA 改性策略成功突破了材料性能提升与生物安全性难以兼顾的行业难题，在实现各项性能大幅增强的同时，完全保留了菌丝体材料固有的生物安全性。细胞毒性测试结果显示，所有改性组复合材料的细胞存活率均超过 90%，符合 ISO 10993-5 标准中无明显体外细胞毒性的要求，最优改性组在 48 h 时细胞存活率仍可达 111%，整个实验过程中未观察到有毒性的死细胞聚集，证实改性过程未引入任何有毒残留。同时，该改性工艺全程在常温常压的水溶液中进行，能耗低、易规模化，相较于二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）胶黏剂等商用无醛板材体系具备显著的成本优势，即使当前多巴胺成本仍有优化空间，其整体成本结构与温和的加工条件，也使其具备替代甲醛基树脂与其他高价生物基胶黏剂的产业化潜力，可广泛应用于绿色建筑内饰、环保包装等高附加值场景。

菌丝体基复合材料性能升级的技术路径与应用价值

本研究提出的仿生界面工程策略，成功克服了纯菌丝体复合材料长期存在的内聚力弱、界面粘附差、耐水性与阻燃性不足等性能瓶颈，提供了一条低能耗、可规模化的菌丝体基高性能工程材料升级路径。该研究揭示的生物源骨架与仿生聚合物之间的协同增强机制，为下一代可持续、健康、高性能建筑材料的开发提供了通用的设计原则与理论技术参考，推动了菌丝体基复合材料从实验室研究走向实际产业化应用的进程。

免责声明：「原创」仅代表原创编译，水平有限，仅供学术交流，本平台不主张原文的版权，如有侵权，请联系删除。文献解读或作者简历如有疏漏之处，我们深表歉意，请作者团队及时联系《食探未来》主编（微信号：shitanweilai8077），我们会在第一时间进行修改或撤稿重发，感谢您的谅解！