研究团队受动物细胞膜的选择性通透行为和水黾水面行走能力的双重启发，提出利用阳离子的甲壳素纳米纤维（ChNF）和阴离子的纤维素纳米晶体（CNC）在葡聚糖（DEX）和聚乙二醇（PEG）构建的水-水相体系（ATPS）界面上，通过静电吸附作用组装形成界面膜，进而构建出柔性仿生微囊结构。CNC的刚性晶体结构确保界面膜具备较高的结构稳定性，而ChNF的无序结构域带来柔性和可形变能力，使该微囊体系在水下表现出良好的机械稳定性和可变形性。

图1 仿生水下微囊：基于全水相两相体系中异电荷纳米粒子界面络合构建

实验结果表明，所构建的界面膜在扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）表征下显示出互连的多层网络结构。力学性能测试表明其储能模量和损耗模量均表现优异，优于传统CS/CNC膜。进一步测试表明该微囊结构具备显著的选择渗透特性，对不同分子量和电荷类型的物质具有差异化通透能力，表现出良好的尺寸筛选与离子选择能力。

图2 离子种类在甲壳素纳米纤维/纤维素纳米晶体复合层中的选择性传输

研究还揭示了该微囊体系在水下环境中的自驱动行为。通过控制水-水相体系中DEX与PEG的渗透压和密度差，微囊在水中可实现方向可切换的运动，表现出“meniscus-climbing（弯月面攀爬）”现象，即在液体边缘上升后再次下沉至容器中心，形成周期性迁移。该运动机制模拟了生物体系中的自适应迁移行为。

图3 微囊的自主运动及物质穿梭/运输效应

研究团队进一步验证了微囊作为微型反应器的潜力。随着微囊内部反应的进行，产物导致的密度变化会引起其由下潜态转为漂浮态，实现运动方向的自调节，具备良好的环境响应能力。通过向微囊中掺杂磁性纳米颗粒，还能实现外场调控运动路径，为未来开发水下智能运输平台提供可能。

该研究成果展示了天然纳米材料在全水相条件下通过界面自组装构建智能微囊系统的新范式。该仿生微囊具备优异的柔韧性、选择渗透性和动态响应能力，在微反应器、仿生驱动系统及水下软体机器人等前沿领域具有广阔的应用前景。

原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-60587-7