“目前来看，在生物分子玻璃方面实现的突破，有望推进中国在生物基新材料，乃至在电子信息化学品领域的引领作用。”对于自己研究方向的远期价值，中国科学院过程工程研究所研究员闫学海持有十分笃定的态度。
近日，他和团队开发出一种高熵非共价环肽新型玻璃。这种玻璃具备优异的酶耐受性、抗结晶性和机械性能，为开发新型生物基医疗材料和智能功能器件提供了基础技术支撑。
也为非共价环肽玻璃的设计和开发提供了富有潜力的新范式，有望推动生物材料领域的发展，并激发基于非共价玻璃新技术的面世。
据闫学海介绍，他们在研究中发现通过精确调控环肽组分和比例，可以有效地调节高熵非共价环肽玻璃的玻璃化转变温度、力学性能和酶降解时间。
由于许多环肽分子具有生物活性和药理活性，因此该成果能为环肽药物的玻璃态剂型设计和可控释放提供有力支撑。
此外，这种新型玻璃还能整合有机小分子和纳米颗粒等其他功能组分，为开发多功能、可持续的非共价玻璃提供了新方案。
“因此，我们有理由相信在不久的将来，高熵非共价玻璃必将在生物医药和智能器件领域发挥其独特的应用潜力。”他表示。
“纯净”玻璃背后的环保难题
玻璃，是日常生活中不可或缺的材料。它看起来很“纯净”，但其生产过程却伴随着高能耗和高排放等问题。
为了推动绿色低碳和可持续发展，中国提出了“双碳”目标的重大战略决策，旨在引导产业向绿色低碳技术转型。
因此，迫切需要探索更环保、更具备可循环利用性的玻璃材料和制造技术。
基于此，该团队提出了“生物分子非共价玻璃”的创新理念。他们采用氨基酸 N 端化学修饰的方法，将氨基酸的熔化温度与分解温度进行解耦。
通过加热熔融的方式，课题组获得了玻璃的前驱体——过冷液体。而后通过对其快速淬火，实现了生物分子非共价玻璃的构筑。
在使用寿命之内，这种新型玻璃具备结构稳定的特点。在使用完毕后，它能在生物酶作用下进行降解，转化为对环境无害的物质，进而实现生态循环再利用。
因此，对于传统的玻璃和塑料来说，这种玻璃能够提供一种绿色可持续的替代方案。
在此基础之上，他们还希望造出一种生物分子非共价玻璃，让其能在复杂生理条件之下实现更为稳定的性质。
环肽，是一种生物分子基元。凭借刚性的骨架结构，环肽展现出较高的稳定性和生物活性，以及较强的抗酶解能力，被认为是构建新型生物分子非共价玻璃的理想材料。
然而，环肽分子的易结晶特性，让它很难形成玻璃。
为此，他们采用高熵策略，借此实现了高熵非共价环肽玻璃的可控构筑。即通过熔融多种环肽分子，来创造一种高熵环境，并在淬火技术的帮助下，保持过冷液体中的多尺度无序构象，从而能够有效地抑制结晶，促进玻璃的形成。
对于利用其他有机小分子来实现高熵非共价玻璃的制备来说，这一原理同样适用。
（来源：Nature Nanotechnology）
高熵非共价环肽玻璃的形成机制谈及研究细节，闫学海表示，确定研究环肽玻璃之后，课题组从此前文献中筛选了一些具有生理活性的环肽分子作为研究模型。
并通过热重与差示扫描量热仪的联用测试，明确了它们的熔点温度与分解温度。
对于熔点温度小于其分解温度的环肽分子，他们尝试使用经典的熔融-淬火方法来制备玻璃。
期间，他们发现有些环肽分子可以通过熔融-淬火法成功制备玻璃，借此验证了本次设计理念。
然而，有些环肽分子在常规冷却速率下容易发生结晶，以至于无法形成玻璃。
对于熔点温度大于其分解温度的环肽分子来说，熔融-淬火制备法并不具备适用性。
为了解决这些问题，他们结合原位谱学追踪和理论模拟，研究了环肽玻璃的形成机制。
研究发现：高温熔融有助于破坏原始晶态结构中的长程有序作用力，从而促进过冷液体中环肽分子团簇的构象复杂性的形成，从而在多尺度层次上产生无序性。
尤其是，在淬火过程中这种构象复杂性得到了有效保留，从而能够促进固体玻璃的形成。基于这一发现，他们决定利用高熵策略来制备环肽玻璃。
通过熔融多种环肽，课题组创造了一种高熵环境，并在淬火技术的帮助之下，保持过冷液体中的多尺度无序构象。
这样一来，就能有效地抑制结晶，促进玻璃形成，进而实现高熵非共价环肽玻璃的原始创制。
值得指出的是，通过利用高熵策略，以及通过将加热易分解的环肽组分与其他环肽组分进行组合，同样可以实现高熵非共价环肽玻璃的制备。
针对高熵非共价环肽玻璃的形成条件，课题组也进行了分析，阐明了其设计原则，并发现该原则同样适用于其他有机小分子参与的高熵非共价玻璃的形成。
此外，他们还以高熵非共价环肽玻璃为基质，实现了对于功能有机小分子和纳米材料的均匀负载，为它们在各领域的功能化应用奠定了基础。
该团队进一步探究了高熵效应对于环肽玻璃性能的影响。通过比较高熵非共价环肽玻璃和单一组分环肽玻璃的力学及酶耐受性，他们发现高熵效应能够显著提升环肽玻璃的力学性能和酶耐受性。
日前，相关论文以《高熵非共价环肽玻璃》（High-entropy non-covalent cyclic peptide glass）为题发在 Nature Nanotechnology（IF 38.1）。袁成前是第一作者，闫学海担任通讯作者 [1]。
图 | 相关论文（来源：Nature Nanotechnology）
对此闫学海表示：“做科研需要坚定的信念和耐心，尤其是在面对外界质疑和挑战时。”
他还讲到，尽管高熵非共价玻璃体系是以各种环肽分子为模型进行研究的，但是论文中报道的实验方法和玻璃形成机制，同样适用于其他各种有机分子体系。
“因此我希望这些科学发现能够进一步激发大家研究非共价玻璃的热情，特别是实现各种独特的功能和特定场景的应用。”他表示。
作为该工作的延续，目前他和团队正在研究玻璃态药物和生物界面相关的光电器件。
虽然这些研究尚处于初期阶段，但是初步实验结果表明生物分子非共价玻璃可能存在一些独特功能，例如能够实现生物药物的安全可控递送等。
与此同时，他们打算利用 AI 技术来更加理性地设计和筛选基于高熵效应的非共价玻璃，以满足不同应用场景的需求。
预计 AI 的引入将能提供更高效的数据分析和模型预测，从而加速生物基新型玻璃材料的开发和应用。
最后，闫学海表示：“基于非共价键的生物分子玻璃，具有独特的生物可降解和循环再利用特性，对于解决目前玻璃材料和塑料材料面临的高能耗高污染问题，提供了新的方案。”
尽管相关探索尚处于实验室基础研究阶段，但他希望这一研究领域能够引起更多有识之士的关注。
参考资料：1.Yuan, C., Fan, W., Zhou, P.et al. High-entropy non-covalent cyclic peptide glass. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01766-3
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