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《Science Advances》:具有氨基酸和多肽纳米架构的生物分子玻璃
来源:行业知识    发布时间:2023-12-13 07:00:21

  玻璃,在生活中无处不在,大范围的使用在所有的领域。然而,现在迫切地需要开发可生物降解和可生物回收的玻璃,使其对环境的影响最小,以实现可持续发展的社会和循环材料经济。

  明日之材料和化学品有望是良性的、可再生的、可降解的,而非有毒的、耗竭的、不易降解的。玻璃是人类文明中最重要的高性能材料之一。已经开发了各种玻璃形成组分作为制备玻璃的结构构建单元。例如,最为人所知的无机玻璃通常由沙子、石灰和碳酸钠制造;聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)玻璃是一种透明而坚硬的热塑性有机材料;金属玻璃(或非晶金属)是一种由纯金属或金属和类金属组分组成的非晶态材料;最近报道的金属-有机框架玻璃通常由有机配体协同排列在四面体单元中的金属离子或团簇组成。然而,这些玻璃材料在生物上不相容,并且在自然环境中不易降解,这将对绿色生活的未来造成长期的生态和环境负担。因此,开发可生物降解和可生物再循环的玻璃材料有望在生态和社会影响方面产生最小的环境足迹,并为实现持久的改善做出贡献。

  氨基酸和多肽是生物体中丰富的生物分子,大范围的使用在开发具有功能性能的纳米结构材料。带有氨基酸或多肽纳米构型的材料被认为是完全环保的,因为它们能在生态系统中得到再利用。目前,制造玻璃的主要方法是将玻璃形成物高温加热(高于其熔点Tm),形成一个过冷液体,然后通过足够快的冷却速率淬火,以防止结晶。玻璃是一种非平衡、非晶态物质,缺乏晶体的周期性,但根据熔体的热历史表现为固体的力学特性。然而,原生态氨基酸和多肽具有较差的耐热性,在高温或接近熔点时容易分解为胺和二氧化碳(CO2)。因此,使用这一些原生态生物分子无法加工和获得玻璃。据报道,将氢键末端修饰为疏水基团的氨基酸和多肽可以明显提高它们的耐热性,这启示我们大家可以使用修饰后的氨基酸和多肽来加工玻璃。

  在这项研究中,研究者使用化学修饰的氨基酸和多肽作为玻璃形成物,成功制备出具有生物降解性和生物可再循环性的生物分子玻璃(见图1)。研究者在惰性气体气氛下加热这些分子,使它们首先熔化形成一个过冷液体,然后通过精确控制加热和冷却速率,淬火形成玻璃,有效地防止结晶。研究者评估了基于氨基酸或多肽的代表性生物分子玻璃的玻璃形成能力(GFA)和性能,并确定了与玻璃转变相关的动力学和热力学参数。接下来,研究者研究了这些玻璃的光传输能力和在三维打印和模具铸造等工艺流程中的适应性。为了确定开发的生物分子玻璃有没有生态友好性,研究者进行了体外和体内的生物降解实验以及堆肥实验。研究者发现,基于氨基酸或多肽的生物分子玻璃具有功能性能和生态友好性的独特组合,具备优秀能力的光学特性、良好的力学性能、灵活的加工性能以及所需的生物降解性和生物可再循环性。值得强调的是,这些生物分子玻璃与生物活性玻璃(BAGs)/生物玻璃完全不同。BAG是一种生物活性陶瓷材料,具有骨再生特性,其组成含有比硅酸盐玻璃更多的钙和磷,属于SiO₂-Na₂O-CaO-P₂O₅的无机硅酸盐玻璃体系。虽然这些生物分子玻璃距离大规模商业化还有非常长的路要走,但是开发具有生态友好性能的玻璃可能是迈向可持续未来的一大步。(文:水生)