《International Journal of Biological Macromolecules》：Polydopamine-engineered cellulose nanocrystals for NIR-triggered shape memory waterborne polyurethane composites
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•受生物启发的聚多巴胺工程改善了CNC-WPU的界面相容性。•PCNC/WPU实现了4.5 MPa的拉伸强度和1600%的延伸率。•近红外光（2.0 W·cm?2）可在30秒内触发快速可逆的形状记忆效应。•展示了一种多功能智能聚合物复合材料的可持续策略。引言全球向可持续制造和
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受生物启发的聚多巴胺工程改善了CNC-WPU的界面相容性。
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PCNC/WPU实现了4.5 MPa的拉伸强度和1600%的延伸率。
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近红外光（2.0 W·cm?2）可在30秒内触发快速可逆的形状记忆效应。
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展示了一种多功能智能聚合物复合材料的可持续策略。
引言
全球向可持续制造和智能材料系统的转型，加剧了对可再生、环保且多功能聚合物复合材料的需求。随着柔性电子、软体机器人和智能纺织品等行业逐步向绿色生产路线转变，生物基纳米材料作为传统石油基增强体的替代品受到了广泛关注 [1], [2]。在此背景下，纤维素纳米晶（CNC）因其可再生来源、可生物降解性和出色的机械性能而备受关注 [1]。其高结晶度和丰富的表面羟基也为化学改性提供了丰富的机会，使CNC不仅能够作为结构增强体，还可以作为下一代复合材料体系中的功能平台 [2]。
尽管具有这些优势，CNC的实际应用很大程度上取决于其在聚合物基体中的界面相容性。水性聚氨酯（WPU）是一种重要的环境友好型聚合物，与全球推进低VOC和无溶剂材料的趋势高度契合 [3]。WPU具有高弹性、可调的力学性能和优异的加工性能，使其适用于涂料、仿生器件、响应薄膜和智能纺织材料等先进领域 [3]。然而，CNC固有的亲水性导致其在相对疏水的WPU网络中分散不良，限制了有效的应力传递，从而限制了其增强和功能贡献。因此，解决这种界面不相容性已成为扩展CNC增强WPU系统实用性的关键一步 [4], [5], [6]。
近年来，受生物启发的表面工程策略已成为克服此类界面挑战的有前景的方法。聚多巴胺（PDA）由多巴胺在弱碱性条件下自聚合而成，因其儿茶酚、胺和醌官能团而作为一种通用表面修饰剂受到关注 [7]。这些基团通过共价键、氢键、金属配位和π–π相互作用，能够与多种基底形成强粘合 [8]。因此，PDA已被成功应用于改善各种复合材料体系的界面相容性和载荷传递 [9], [10], [11]，包括碳纤维、金属氧化物和纳米粘土。除了界面改性之外，PDA的共轭结构和丰富的官能团还为光热转换和动态界面相互作用提供了机会，表明其作为刺激响应型复合材料体系多功能修饰剂的潜力 [9], [12], [13]。
与此同时，形状记忆聚合物（SMPs）作为一种能够响应外部刺激恢复预定义形状的重要智能材料类别应运而生。在各种激活方法中，近红外光（NIR）因其远程、局域化和非接触式驱动能力而特别引人注目，这对于软体机器人、自适应结构、生物医学器件和可展开系统等领域的应用极为理想 [14], [15]。然而，大多数生物基或水性形状记忆聚合物存在机械强度不足、光热转换效率低或循环稳定性差等问题 [14], [15], [16], [17]。这些局限性不仅源于材料组成，还源于光热效率不足以及缺乏能够适应形状编程和恢复过程中大型可逆变形的动态可调界面。尽管纳米纤维素增强形状记忆聚合物和光热触发智能材料已取得显著进展，但大多数现有策略仅将界面增强或光热转换作为独立功能来处理。因此，这些单一功能策略可能无法同时确保高效的应力传递、高效的光热转换和可逆的界面适应，而这些对于可持续聚合物系统中稳健且可重复的形状记忆行为都至关重要 [7]。特别是，静态界面相互作用无法有效适应形状记忆操作所需的大型循环变形，这是当前材料设计中的一个关键瓶颈。
为解决这些挑战，本研究提出了一种受生物启发的界面工程策略，将聚多巴胺修饰的纤维素纳米晶（PCNC）引入水性聚氨酯基体中，构建多功能形状记忆复合材料（图1）。PDA涂层旨在通过同时充当界面相容剂、光热转换单元和动态界面介体来解决三个关键挑战。具体而言，PDA同时充当桥接亲水CNC与聚氨酯基体之间固有极性不匹配的界面相容剂、将近红外光高效转化为局域热量的光热转换单元，以及调控可逆界面相互作用和网络弹性的动态氢键介体。通过这种集成设计，PDA介导的界面工程使机械增强、光热响应性和近红外触发的形状记忆效应得以在一个生物基复合材料系统中实现结合。本研究提供了一种开发可持续、机械坚固且远程驱动的纳米纤维素基形状记忆复合材料的简单策略。
章节摘要
材料
喷雾干燥纤维素纳米晶（CNC）粉末由CelluForce（加拿大）提供，通过酸水解生产。CNC来源于木浆的硫酸水解，呈棒状形态，直径约150 nm，长度为100–250 nm。酸水解过程中引入的硫酸半酯基赋予其负表面电荷，zeta电位为?14.50 mV。多巴胺盐酸盐（98%）购自Sigma-Aldrich（美国）。
PCNC的合成与表征
图2a示意地展示了多巴胺改性过程，在该过程中，氧化自聚合通过涉及酚羟基（-OH）和氨基（-NH-）的不可逆共价键在CNC表面形成PDA涂层。采用XRD表征CNC和PCNC的晶体结构，如图2b所示。CNC的XRD图谱显示出天然纤维素I的特征峰，2θ = 16.1°处对应(101)晶面的峰，以及在2θ = 22.9°处的强峰
结论
总之，通过统一的界面工程策略，将聚多巴胺修饰的纤维素纳米晶（PCNC）引入水性聚氨酯基体中，开发了一种可持续且多功能的形状记忆复合材料。与简单地组合PDA、CNC和WPU不同，PDA涂层发挥了三重协同作用：作为界面相容剂、光热转换单元和动态氢键介体，实现对填料
CRediT作者贡献声明
丁亮：撰写 – 初稿、可视化、方法论、调查、概念化。朱作超：方法论、形式分析。李文浩：可视化、形式分析。张桑子：资源、资金获取。李璇：验证、数据管理。宋雨怡：项目管理。卡米勒·依拉木：软件。何建民：项目管理。张晓春：验证。叶高远：项目管理。毕鸿杰：撰写 – 审阅与编辑、监督、资源、资金
利益冲突声明
作者声明不存在已知的竞争经济利益或个人关系，这些可能影响本文所报告的工作。
致谢
本研究由浙江省自然科学基金资助（项目编号：LQ24C160003），浙 AF 大学科研基金（2022LFR102）以及大学生创新创业训练计划（S202510341145）支持。
丁亮|朱作超|李文浩|张桑子|李璇|宋雨怡|卡米勒·依拉木|何建民|张晓春|叶高远|毕鸿杰
