【科研动态】Nature Sustainability｜华中科技大学生命学院谢尚县教授团队提出天然小分子介导的异质生物聚...

　　

2026年10月16日，华中科技大学生命科学与技术学院谢尚县教授团队联合广西神冠胶原生物集团有限公司研究团队在国际期刊 《Nature Sustainability》在线发表题为 “Small-molecule-bound biopolymer networks for sustainable multifunctional composites” 的研究论文。研究提出一种由天然小分子介导的异质界面非共价重组策略，以胶原、灵芝菌丝体和植物源花青素构成的多组分生物聚合物体系为模型，系统阐明了局部界面调控、介观重组与宏观力学和功能集成之间的跨尺度关联机制，为可持续多组分生物基材料的界面设计开辟了新思路。

多组分天然生物材料具有可再生、生物相容和功能多样等特性，但不同来源的生物质组分在化学组成、分子构象及尺度特征上存在显著异质性，导致界面相互作用与结构匹配存在差异。研究团队引入植物源花青素作为天然非共价界面介体，通过多价氢键、极性缔合等相互作用，调控胶原与灵芝菌丝体之间的局部异质界面，促进界面重组，并进一步诱导网络结构重排与层状取向。

为阐明界面作用与材料结构及力学行为之间的跨尺度关联机制，研究团队综合采用分子动力学模拟、界面表征、显微成像、小角X射线散射以及有限元和相场断裂模拟等方法。结果表明，植物来源提取物花青素介导的局部非共价作用能够促进异质界面连续化和孔壁强化，增强网络各向异性及层状取向协同性，从而形成更加连续的载荷传递路径，并表现出方向依赖的损伤演化行为。基于上述结果，研究建立了“分子非共价介导大分子微观界面重组实现介观结构有序化”的跨尺度调控策略。跨体系验证进一步表明，该策略具有良好的可拓展性，其界面重组行为呈现组分特征、介体化学与组装路径依赖性。

在此基础上，研究团队将同一设计原则应用于不同材料形态。在二维致密薄膜中，重组后的CMpA网络兼具良好的力学性能和传质阻隔能力，并整合植物提取物花青素和菌丝体的本征抗氧化、抗菌及pH响应特性，实现食品保鲜与新鲜度可视化指示；此外，团队进一步构筑三维多孔气凝胶，材料表现出良好的液体吸收与血液滞留能力，同时具备良好的血液相容性和快速凝血相关响应。从二维薄膜到三维多孔构型的拓展表明，该界面设计原则能够适用于不同的宏观结构形态与功能场景。

该研究以胶原—菌丝体为代表性模型，验证了天然小分子介导异质界面重组在协调生物聚合物化学异质性与结构整合方面的可行性，为异质生物聚合物界面设计及多功能可持续生物基材料构筑提供了机制依据和设计原则。

华中科技大学生命科学与技术学院博士研究生阿丽特乃·吐努何为论文第一作者，华中科技大学谢尚县教授、余洪波教授，以及神冠集团周亚仙为论文共同通讯作者。

谢尚县教授团队致力于微生物学与前沿生物技术研究，以生物质及异生物质的生物降解与转化为特色，重点聚焦合成生物学、环境微生物技术、分子生态学和纳米农业技术，开展生物质资源化利用、绿色生物制造及环境保护相关研究。相关成果发表于Nature Sustainability、Nature Communications、Advanced Science、Trends in Biotechnology、Biomaterials、Journal of Advanced Research 等国际期刊。

文章信息：

Alitenai Tunuhe, Ze Zheng, Ke Zhu, Yiquan Zhao, Fuying Ma, Yadi Gu, Junqi Sha, Hongbo Yu, Yaxian Zhou, Shangxian Xie, Small-molecule-bound biopolymer networks for sustainable multifunctional composites. Nature Sustainability (2026).

文章链接：Small-molecule-bound biopolymer networks for sustainable multifunctional composites | Nature Sustainability