生物工程升级再造：将生物质废弃物转化为可塑、高强度且阻燃的结构材料

为解决石油基聚合物带来的环境挑战，研究人员通过真菌工程和仿生矿化技术，将木质废弃物升级再造为高性能结构材料。该研究成功制备出矿化菌丝木材（MMW），具有优异的三维成型性、低密度（≈0.175 g/cm3 ）和生物降解性，其压缩强度达≈5.37 MPa（80%应变），且阻燃性能显著提升。这一全植物源可持续材料为环保结构材料的发展提供了新思路，兼具工业应用潜力与环境友好性。

　　

现代工业对可塑、高强度和阻燃材料的需求日益增长，但传统石油基聚合物在生产、使用和废弃过程中带来严重的环境问题。生物质废弃物虽资源丰富且可持续，但其固有的惰性和较差的成型性限制了其在复杂结构中的应用。此外，生物基材料在机械性能和阻燃性方面往往难以与传统材料媲美，且现有加工方法常依赖高能耗或化学处理，降低了经济性和环保性。因此，开发一种高效、可持续的生物质升级再造策略成为迫切需求。

针对这一挑战，四川大学的研究团队通过结合真菌工程和仿生矿化技术，成功将木质废弃物转化为高性能矿化菌丝木材（MMW）。该材料不仅具备优异的可塑性和机械强度，还展现出卓越的阻燃性和生物降解性，相关成果发表在《Industrial Crops and Products》上。研究采用的关键技术包括：真菌菌丝培养与生物质颗粒的复合、CaCO₃
仿生矿化修饰、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等材料表征技术，以及垂直燃烧测试和锥形量热仪（CCT）等阻燃性能评估方法。

3.1 结构与成分表征
通过SEM观察发现，菌丝体（MW）形成了贯穿木质颗粒的三维网络结构，而仿生矿化后（MMW-3），CaCO₃
层完全覆盖材料表面。XRD和FTIR分析证实，矿化过程引入了碳酸钙晶体（主要为方解石和球霰石相），且矿化时间延长至12小时时，CaCO₃
负载量达45 wt%。

3.2 机械性能
矿化显著提升了材料的压缩强度（从MW的0.61 MPa增至MMW-3的5.37 MPa）和杨氏模量（从4.40 MPa增至69.82 MPa）。与商用泡沫材料（如PE、PP）相比，MMW-3的机械性能和能量吸收能力（42.58 MJ/m³
）均更优，同时保持低密度（0.175 g/cm³
）。

3.3 热性能
热重分析（TGA）显示，MMW-3在250°C以下无变形，且热导率（84.2 mW/(m·K)）显著低于天然木材（168 mW/(m·K)）。红外热成像表明，MMW-3能有效阻隔高温热源（表面温度仅58°C），优于传统石油基泡沫。

3.4 燃烧行为
垂直燃烧测试中，MMW-3在点火后2秒内自熄，且无阴燃现象。CCT测试显示其总热释放（THR）和峰值热释放率（pHRR）分别比天然木材降低81.5%和89.8%，烟雾生成量也显著减少。

3.5 阻燃机制分析
XPS和拉曼光谱表明，CaCO₃
促进了致密炭层的形成（I_D
/I_G
比降至2.25），通过凝聚相机制阻隔热量和可燃气体扩散。

3.6 生物降解与循环利用
MMW-3在土壤中150天内完全降解，木质纤维素转化为养分，CaCO₃
回归地质循环。此外，废弃材料可通过机械破碎重新用于菌丝培养，实现闭环回收。

结论与意义
该研究通过真菌工程与仿生矿化的协同作用，成功将生物质废弃物转化为高性能、可持续的结构材料。MMW兼具可塑性、机械强度、阻燃性和生物降解性，其生命周期符合循环经济原则，为替代石油基材料提供了环保解决方案。这一技术有望在建筑隔热、包装缓冲和室内设计等领域实现广泛应用，推动绿色材料科学的进步。