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本发明涉及一种基于生物基纳米材料的多级光学加密防伪材料及其制备方法和应用，包括如下步骤：S1、制备棒状纤维素纳米晶悬浮液；S2、制备柔性链与手性阵列共组装膜材料；S3、制备水凝胶膜材料；S4、制备疏水弹性体层隔离水凝胶膜与共组装膜的三明治结构的多级光学加密防伪材料；利用柔性链共组装提升刚性颗粒阵列材料拉伸性能的策略，适配疏水弹性体层力学同步适应并且隔离融合光色随pH变化敏感的水凝胶层，制备了集成结构色、圆偏振特性、光致激发诱导以及pH和应变响应等多级次发光特性的柔性纤维素纳米晶(CNC)/聚乙烯醇(PVA)手性阵列结构复合材料，实现了发光防伪五特征要素之间相互协调协同并具各自相对独立特征的多级密钥光学兼容叠加。