生物聚合物是一类来自生物质的迷人聚合物，具有可持续性，生物降解性，可用性，生物相容性和独特的性能。生物聚合物的普遍特征是它们的层次结构，从纳米尺度到宏观尺度都存在组织良好的结构。这种结构组织赋予了生物聚合物以韧性、抗缺陷性和屈曲适应性。为了保留这些固有的结构特征，从生物质中分离出的纳米结构组件已被用作构建新的生物聚合物基材料。这种自上而下的加工策略不同于更传统的分子水平自下而上的新材料设计和组装方法。

有鉴于此，美国塔夫斯大学David L. Kaplan教授和郑州大学汤克勇教授等人，介绍了几种代表性生物聚合物（纤维素，甲壳素，蚕丝，胶原蛋白）的层次结构，重点介绍了它们在纳米尺度上的结构，并强调了它们在化学和结构上的异同。总结了这些天然结构单元的生产策略的最新进展，涵盖了用于分离的方法和处理方法。最后，展示了在生物医学，电子，环境，包装，传感，食品和化妆品领域，使用这些生物聚合物基材料的方法和新兴应用。

本文要点

1）总结了生物聚合物的分离工艺，材料结构和应用，包括纤维素，甲壳素，丝素蛋白和胶原蛋白。这四种生物聚合物是地球上最丰富的。尽管在分子水平上存在不同的化学组成，但是这些聚合物在更高阶或更长尺度的结构水平上具有一些共同的构造原理。通常，它们包含纳米元素和微量元素作为构建单元，以形成复杂的层次结构，以实现独特的物理特性和生物兼容功能。

2）基于纤维状生物聚合物的分层结构，可以通过自上而下的加工方法获得一系列具有介观结构的组装体，包括纳米纤维，纳米晶体和纳米颗粒。类似的分离纤维素和甲壳素的方法已被广泛研究，涉及化学、生物和物理处理。相比之下，对蚕丝和胶原蛋白单元分离的研究进展较慢。通过自组装或与其他材料复合，可以使用类似的途径和策略将组装件作为构建单元来构建生物聚合物基材料。已经生产出具有不同形式的多种材料（纤维，薄膜，膜，涂层，水凝胶和气凝胶）。与从生物聚合物溶液中生成的材料(自下而上的方法)相比，使用预制的天然组件的内在优势具有较高的比表面积，网络结构，纳米约束效应和光学透明性，可用于环境修复，包装，电子设备，催化，以及生物医学工程。表面修饰，3D打印和微流体技术有助于定向和复杂结构的材料制造。此外，在热解和炭化后，这些材料可以转化为有潜力的碳基材料。

3）尽管从科学和技术的观点来看，该加工路线上已经取得了进展，但是仍然需要基础研究和商业应用。在分离过程中，应考虑生物活性的固有特性和聚电解质特性。而且，可以进一步改善从原始组件生成的材料的力学性能。纳米纤维素作为商品原料已经成功地实现了商业和工业应用。相反，对其他生物聚合物组件的关注仍然主要是实验室和学术研究。

参考文献：

Ying Pei et al. Biopolymer Nanoscale Assemblies as Building Blocks for New Materials: A Review. Advanced Functional Materials, 2021.

DOI: 10.1002/adfm.202008552

https://doi.org/10.1002/adfm.202008552