摘要：在全球能源转型和可持续发展的大背景下，清洁核能正成为各国关注的重点，而核燃料铀的供应问题也随之显得尤为关键。陆地上的铀矿资源虽然丰富，但总量有限，而且开采过程会带来环境破坏、成本高昂等问题。因此，科学家们开始把目光转向海洋——海水中蕴藏的铀总量约是陆地铀资源的

在全球能源转型和可持续发展的大背景下，清洁核能正成为各国关注的重点，而核燃料铀的供应问题也随之显得尤为关键。陆地上的铀矿资源虽然丰富，但总量有限，而且开采过程会带来环境破坏、成本高昂等问题。因此，科学家们开始把目光转向海洋——海水中蕴藏的铀总量约是陆地铀资源的千倍以上，理论上可以满足人类数百年的核燃料需求。然而，海水中的铀浓度极低，仅约3微克每升，同时存在大量干扰金属，如钒、铁、镁等，使得传统的铀提取技术效率低、成本高，且难以实现大规模应用。如何从浩瀚的海水中高效、选择性地提取铀，成为了能源科学家面临的重大挑战。

近日，兰州大学稀有同位素前沿科学中心陈熙萌教授、李湛研究员团队，与兰州大学第二附属医院心内科吴强主任合作，受血管系统启发，成功研发出一种仿血管的二维功能膜材料，并在国际知名期刊《Advanced Materials》发表研究成果。这一成果不仅展示了材料设计的重大突破，也体现了医学与材料科学跨学科融合的巨大潜力。

科研团队的设计灵感来源于人体血管系统：血管网络通过分支和毛细血管，实现物质高效、精准输送；红细胞中的血红蛋白（Hb）在复杂环境下仍能维持特定的催化功能。基于此，研究者利用氧化石墨烯对红细胞进行重构，血红蛋白吸附于氧化石墨烯的疏水区域，而磷脂则自组装成环绕血红蛋白的同心疏水环，这种“岛礁式”结构在膜通道中形成S形流动路径，使离子在流动过程中与血红蛋白充分接触。血红蛋白在膜中能够催化将六价铀还原为四价铀，后者更易被膜固定，实现高度选择性分离，而其他竞争离子则顺利通过，显著提升了膜的选择性和效率。

实验结果显示，该膜在海水铀提取中表现出国际领先水平：铀/钒分离系数高达110.6，远超现有膜材料；在真实海水中连续循环10次后，性能几乎无衰减；膜还具备良好的抗污染能力和机械稳定性，能够长期使用而性能不衰退。此外，该膜制备过程兼具可扩展性和低能耗特性，克服了传统化学吸附和离子交换技术在大规模应用中的局限性。

从材料科学角度来看，这项研究展示了几项关键创新：其一，利用氧化石墨烯诱导红细胞重构形成“岛礁-血红蛋白”复合通道，实现膜内流体动力学优化；其二，血红蛋白催化铀(VI)→铀(IV)在二维通道间的原位还原，实现了铀离子的高效分离；其三，膜结构设计兼顾选择性、通量和抗污染能力，使膜性能在复杂海水环境下保持稳定。结合医学废弃血液资源化的思路，该研究还探索了生物资源循环利用的新路径，为医疗废物再利用提供了可能的解决方案。

这一成果不仅在技术上具有重要意义，也在科学方法上具有示范价值。首先，它为核能发展提供了潜在可持续的铀来源，增强了能源安全保障能力；其次，它体现了跨学科融合的科研模式，将医学、材料科学和环境工程紧密结合；再次，它展示了生物启发材料设计在资源回收、环境净化等领域的广泛应用潜力。总之，医学不仅关乎生命健康，还能为能源与环境难题提供灵感与方案。仿生血管二维膜的诞生，正是医学与材料科学完美结合的产物。它昭示着未来：当医学知识走出医院和实验室，它或许可以成为解决人类可持续发展问题的关键钥匙。

论文第一作者为兰州大学稀有同位素前沿科学中心博士研究生韩思琪和梁文彬，通讯作者为兰州大学稀有同位素前沿科学中心研究员李湛和兰州大学第二附属医院主任医师吴强副教授，论文得到兰州大学陈熙萌教授和吴王锁教授的支持和帮助。论文得到国家自然科学基金项目，国家重点研发计划，甘肃省重点研发计划，甘肃省重点人才项目的资助。

参考文献：Han S. et al. Vascular-Mimetic 2D Membranes with Hemoglobin Catalysis for Efficient Uranium Extraction. Advanced Materials, 2025. DOI: 10.1002/adma.202509989

编辑：王思静

责任编辑：彭倩

来源：才联科学圈