华人团队发明DNA多糖生物塑料，水处理法实现无限回收

塑料污染已成为全球性环境危机，每年数亿吨石油基塑料废弃物进入环境，因难以降解而长期累积，并在降解过程中产生难以去除的微塑料颗粒。这些微塑料已在海洋沉积物、空气、饮用水甚至人体器官中被检测到，威胁生态系统和人类健康。现有的塑料回收方式往往依赖有机溶剂或高能耗热处理，既增加了二次污染风险，也难以在经济上形成可持续方案。另一方面，虽然近年来生物塑料的发展速度加快，但在降解效率、加工性能以及合成过程的环境友好性方面仍存在明显短板。

新加坡科学技术研究局(A*STAR)的 Yuwei Hu 等人近日在 Nature Communications 发表了一项突破性成果“Sustainable DNA-polysaccharide hydrogels as recyclable bioplastics”，提出一种以 DNA 和多糖为基础的新型可食用生物塑料，能够通过水处理实现多次循环回收，并在生命周期评估中显示出高达近 80% 的碳排放削减。这一研究从原料选择、合成工艺到材料回收与降解路径，构建了完整的可持续闭环体系，为应对塑料污染和微塑料问题提供了全新方案。

研究的核心在于构建一种既稳定又可逆的分子网络结构。团队选择了葡聚糖、海藻酸和羧甲基纤维素等天然多糖，通过 NaIO₄ 氧化反应引入醛基活性位点，再与 DNA 碱基上的氨基在水溶液中形成亚胺键交联，从而得到三维水凝胶结构。这种交联方式既能赋予材料较高的机械强度，又因亚胺键在温和水环境中可逆解离，提供了可控的化学回收途径。整个制备过程在室温和常压下完成，不使用有机溶剂，也无需惰性气氛保护，与传统需要 DMF 溶剂、高温反应和氮气保护的 DNA 基塑料合成方法相比，大幅降低了能耗与环境风险。

图 | DNA-多糖生物塑料的结构及闭环循环示意图

这种材料在性能方面表现出高度可调性和应用潜力。以 10%Dex-5%DNA 配比的水凝胶为例，其储能模量达到 170 Pa，是纯 DNA 的 3.4 倍。通过调控冻干温度，可在材料内部形成不同孔径的微结构：在−20℃ 条件下制备的孔径约为 10-40 微米，而液氮快速冻结可得到 2-10 微米的更细微孔结构，室温干燥则生成致密结构，使杨氏模量提升至 1155 MPa，接近某些商用工程塑料的刚性水平。这种结构可控性不仅影响力学性能，也关系到水蒸气透过率和光学性质，为材料在不同使用场景下的定制化提供可能。

并且，该材料还有多重闭环回收的能力。物理回收依赖其可水加工特性，废弃塑料加入水中可在约 24 小时内溶解成水凝胶，再经过冷冻干燥和模具成型恢复为新制品，循环利用超过 10 次后力学性能仍无明显衰减。化学回收利用亚胺键在酸碱条件下的可逆反应，实现分子级的拆解和重组。此外，材料在环境中具备高效生物降解能力：在土壤中 29 天内完全降解，而在含有高浓度 DNase I 的溶液中仅需 20 分钟即可彻底分解。这种由 DNA 酶解和多糖微生物降解构成的正交降解网络，显著提高了材料的环境去除性，最大限度降低了微塑料残留风险。

该材料在耐化学性和自修复能力方面同样表现优异。实验显示，样品在氯仿、二甲亚砜等多种有机溶剂中浸泡 7 天后无明显结构破坏，而这些溶剂可迅速溶解多种石油基塑料。自修复能力的验证中，刀片状样品在断裂后仅需在界面处加水并干燥，即可恢复为整体，且杨氏模量几乎不变。这种“水愈合”特性不仅为延长制品使用寿命提供了可能，也意味着在回收环节可以通过简易湿处理实现拼接和再利用。

在加工精度方面，这种生物塑料可覆盖从厘米级到纳米级的制造需求。研究团队展示了通过模具复制实现的荷叶仿生表面、基底直径约 300 微米的医用微针阵列，以及分辨率达 150 纳米的纳米光子图案，且在显微镜下观察不到明显缺陷。微针能够穿透小鼠皮肤角质层，提示该材料在透皮药物递送或生物监测器件方面的应用潜力。

生物相容性和安全性是评估材料能否进入实际应用的另一关键指标。细胞毒性实验表明，在 0 至 12.5 毫克每毫升的浓度范围内，人类真皮成纤维细胞活性保持在 80% 以上。小鼠口服摄入实验显示，14 天后主要器官组织学切片未见明显病理损伤，体重变化与对照组无显著差异，且未检测到微塑料残留。这意味着该材料在食品接触、医用耗材甚至可食用包装等场景中具备潜在的安全性基础。

图 | 方法的普适性及材料生物相容性评估

环境效益评估显示，在按 10 次回收循环计算的情景下，每立方米材料全生命周期温室气体排放量为 861 千克二氧化碳当量，比未回收的传统塑料聚苯乙烯（PS）低 58.7% 至 78.3%。在电网碳强度较低的地区，如新加坡、日本和越南，这一优势更为明显。尽管目前实验室规模生产的原料成本仍为每克 3.1 至 5.2 美元，但通过改进原料提取工艺、优化能源结构以及引入太阳能催化氧化等绿色合成方法，未来有望显著降低成本。

这一研究不仅提出了以 DNA 和多糖为基础的全新材料体系，更重要的是实现了从资源获取、产品制造到降解回收的全链条可持续模式。其水触发回收理念为塑料回收技术提供了新的思路，可在未来推动材料科学从“可降解”向“可设计降解与回收”转变。如果在大规模生产中解决湿度耐受性和成本问题，这种材料有望在包装、一次性用品、医疗器械和精密制造等领域替代部分石油基塑料，并在全球应对塑料污染的行动中发挥重要作用。

1.Ke, Y., Lan, K., Wong, J.Y. et al. Sustainable DNA-polysaccharide hydrogels as recyclable bioplastics. Nat Commun 16, 7467 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62682-1

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