在全球环保意识不断提升的背景下，天然可降解材料的研发与应用日益成为科学研究和工业发展的热点。细菌纤维素（Bacterial Cellulose，简称BC）以其来源天然、生物相容性良好、结构纯净且具有超强力学性能等优势，成为替代传统石化高分子材料的理想选择。然而，传统静态培养方式制备的细菌纤维素纳米纤维没有实现有效的宏观取向，限制了材料机械性能的发挥及多功能化改造的潜力。针对这一难题，研究者们通过引入流体诱导的剪切力，利用旋转培养装置实现了纳米纤维的高度定向排列，有效提升了细菌纤维素的整体性能。同时，探索将二维纳米材料，如六方氮化硼纳米片嵌入细菌纤维素网络，进一步增强其机械性能与热传导能力，开辟了BC基多功能复合材料的发展道路。细菌纤维素是由醋酸杆菌属等需氧菌厌氧合成的β-1,4-葡萄糖聚合物，其细微的纳米纤维形态赋予材料高度结晶性和强大的机械强度。
与植物纤维素相比，BC不含半纤维素、木质素等杂质，结构更为纯净且易于功能化。制作BC薄膜的最大挑战之一是实现纳米纤维在宏观尺度上的对齐。只有纤维素纳米纤维方向高度一致时，其所表现出的拉伸强度和杨氏模量才能接近理论极限。传统的静态培养过程中，细菌自由移动，形成无序且交织的三维纳米纤维网络，导致纤维排列随机，机械属性未得到充分发挥。为了解决此难题，研究团队设计了一种旋转培养装置，该装置由氧气透过性高的聚二甲基硅氧烷（PDMS）材料制成的圆柱形培养管和旋转轴组成。旋转轴带动内部液体产生规则的环形剪切流动，使细菌在氧气梯度与流体力学作用下定向移动并合成纳米纤维。
纳米纤维在PDMS管壁表面逐层沉积，形成具有高度定向排列的细菌纤维素薄膜。这种底部向上的生物合成方法实现了纳米纤维从分子尺度到宏观尺度的连续对齐，避免了传统后加工拉伸带来的机械损伤和复杂设备需求。研究结果显示，旋转培养生成的BC薄膜在纤维排列度及结构致密性上显著优于静态培养制备的样品。通过宽角X射线散射（WAXS）技术测得的Herman取向参数由静态培养的0.027大幅提升至约0.49，体现出纤维极高的有序性。扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观察也揭示了旋转培养BC纤维沿流动方向整齐排列且更加紧密堆积的形态。随之带来的是机械性能的跃升。
对比同批次静态培养BC，旋转培养BC的抗拉强度从约165兆帕提升到近400兆帕，杨氏模量增加近一倍达到约33吉帕，韧性也显著增强，实现了材料强度与韧性的罕见同步提升。疲劳测试显示该旋转BC在承受超过一万次循环拉伸后仍保持力学性能稳定，充分展示了其优异的耐久性和实用性。为了进一步赋予BC多功能特性，研究者们将结构优异的二维纳米材料——六方氮化硼纳米片（BNNS）加入培养基中。在旋转剪切流的作用下，BNNS均匀分散并成功嵌入BC纳米纤维网络，形成1维纳米纤维与二维纳米片的复合层状结构。此种结构不仅有效限制了纤维间滑移，增加复合材料的机械强度和韧性，还极大地提升了热传导效率。实验数据证明，BC-BN混合薄膜的拉伸强度较旋转BC提升约15%，达到550兆帕，韧性提升超过60%。
热红外成像测试揭示，BC-BN复合膜的表面温度分布更加均匀，热扩散速度是纯BC的三倍，显示其优异的热管理潜力。综合来说，旋转培养法提供了一种绿色、简便、可扩展的细菌纤维素制备方案，不仅强化了纤维对齐，优化了宏观力学性能，也为多功能纳米填充物的原位均匀嵌入铺平道路。该平台技术具备显著的产业化应用潜力，涵盖可持续结构材料、环境友好型包装、生物电子器件、热管理解决方案及能量存储器件等多个领域。展望未来，进一步优化旋转速度、培养时间及纳米材料的种类与用量，有望实现BC纳米复合膜性能的精准调控。此外，借助基因编辑和代谢工程手段改造产纤维菌种，也将促进纳米纤维的合成效率和功能化升级。随着材料科学、微生物学与流体力学的多学科交叉融合，这一基于流体力学诱导的细菌纤维素制造技术正逐步走向成熟。
其不仅为环境友好型高性能纳米复合材料提供了创新路径，同时也为未来智能生物制造和可持续材料产业的发展注入强劲动力。总体来看，流体诱导二维纳米材料嵌入对齐细菌纤维素技术代表着绿色纳米材料制造领域的重要突破，凭借其优异的结构特性和多应用潜力，必将在新材料研发和工业应用中发挥越来越核心的作用。随着相关技术的不断精进和应用需求的不断增长，细菌纤维素基纳米复合材料有望成为推动可持续发展，实现碳中和目标的重要技术支撑。
