玻璃是一種可持續(xù)材料嗎？
其原材料是豐富的自然資源，如石灰石（氧化鈣）、純堿（碳酸鈉）和石英砂（二氧化硅）；可以無(wú)限次回收、100%利用；與石油的產(chǎn)物之塑料相比，其生產(chǎn)過(guò)程和廢棄后對(duì)環(huán)境的影響也小得多。
但龐大的需求導(dǎo)致了無(wú)法忽視的環(huán)境問(wèn)題：采砂摧毀了魚類、鳥類和海豹生存的沙洲；沙子疏浚導(dǎo)致海灘萎縮，甚至導(dǎo)致橋梁倒塌；窯爐大量耗費(fèi)能源、排放溫室氣體；由于重量的不同，玻璃的運(yùn)輸也比塑料更耗能；實(shí)際中，真正被回收的玻璃又有多少呢......而玻璃在自然界的分解，需要上百萬(wàn)年。
冰冷、堅(jiān)硬，必需的高溫制備過(guò)程，玻璃的特性也許令人難以將其和生物材料聯(lián)系在一起。然而，近日，中國(guó)科學(xué)院過(guò)程工程研究所研究員閆學(xué)海課題組在Science Advances發(fā)表的“Biomolecular glass with amino acid and peptide nanoarchitectonics”一文，報(bào)道了利用氨基酸和肽，也可制成可生物降解的玻璃。
氨基酸和肽是生物體中豐富的生物分子，已廣泛用于開發(fā)具有功能性的納米結(jié)構(gòu)材料。這種環(huán)保材料可在生態(tài)系統(tǒng)中循環(huán)。但其性質(zhì)卻與玻璃相差甚遠(yuǎn)。
玻璃是一種非晶態(tài)固體，通過(guò)在高于其熔化溫度（Tm）的高溫下加熱，然后快速冷卻（淬火）形成，因?yàn)樽銐蚩斓睦鋮s可以防止晶體形成。然而，天然氨基酸和肽的熱穩(wěn)定性較差，在接近Tm的高溫下容易分解成胺和二氧化碳。因此，玻璃不能直接通過(guò)這些天然生物分子制成。
之前的研究表明，氨基酸和肽在末端被疏水基團(tuán)化學(xué)修飾時(shí)，可以顯著提高其熱穩(wěn)定性。受此啟發(fā)，研究人員開始對(duì)氨基酸和肽進(jìn)行改性。
為了避免分子分解，研究人員使用了Ac-、Fmoc-和Cbz-基團(tuán)對(duì)一系列氨基酸和肽進(jìn)行了化學(xué)修飾。加熱后，隨機(jī)選擇的天然氨基酸，包括谷氨酰胺（Q）、組氨酸（H）、苯丙氨酸（F）和酪氨酸（Y），發(fā)現(xiàn)重量損失大于15%，而纈氨酸（V）和亮氨酸（L）完全分解，在溫度為Tm時(shí)損失大于90%。
結(jié)果表明，這些改性分子的Tm值遠(yuǎn)低于分解溫度。生物分子化合物在分解前的成功熔化無(wú)疑是生物分子玻璃制備的一個(gè)突破。
接下來(lái)，通過(guò)在惰性氣體中以10 K/min的加熱和冷卻速率執(zhí)行程序加熱和淬火程序，這些被修飾的氨基酸和肽成功形成了生物分子玻璃。隨后評(píng)估了生物分子玻璃的玻璃形成能力（GFA）和性能，包括與玻璃化轉(zhuǎn)變相關(guān)的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)。
在紫外（UV）光到可見光（200至800nm）和近紅外（NIR）（800至3000nm）區(qū)域的透射光譜表明，這些玻璃表現(xiàn)出良好的光學(xué)性能（大約90%的透射率），優(yōu)于普通商業(yè)照明應(yīng)用中使用的玻璃（平均80%）。與碳量子點(diǎn)（CQD）和染料結(jié)合，生物分子還能夠形成一系列熒光的有色玻璃。
▲圖|玻璃在紫外-可見光區(qū)域（左）和近紅外區(qū)域（右）的透射光譜（來(lái)源：[1]）
▲圖|在波長(zhǎng)為365nm的紫外光激發(fā)下，玻璃會(huì)發(fā)出不同的熒光（來(lái)源：[1]）
該生物分子玻璃還具有良好的機(jī)械性能和靈活的加工性。研究人員用商用生物3D打印機(jī)打印了“CAS”，使用特定的模具獲得了一系列形狀的玻璃。
（來(lái)源：[1]）
為了確定生物分子玻璃是否環(huán)保，研究人員進(jìn)行了體外和體內(nèi)生物降解實(shí)驗(yàn)以及堆肥實(shí)驗(yàn)。以上結(jié)果都表明這種玻璃不僅具有生物可降解性，還在小鼠體內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的生物相容性和生物安全性。
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