闫学海团队最新Nature：生物基可降解玻璃将问世

TK生物基材料获悉：“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。

图 | 闫学海（来源：闫学海）

近日，闫学海和其团队成功开发出一种高熵非共价环肽新型玻璃。该玻璃在酶耐受性、抗结晶性以及机械性能方面表现优异，为新型生物基医疗材料和智能功能器件的开发奠定了基础技术支撑。

这一成果为非共价环肽玻璃的设计与开发开辟了极具潜力的新范式，有望促进生物材料领域的进步，推动基于非共价玻璃新技术的诞生。

在研究过程中，闫学海团队发现，精确调控环肽的组分和比例，能够有效调节高熵非共价环肽玻璃的玻璃化转变温度、力学性能以及酶降解时间。

鉴于许多环肽分子拥有生物活性和药理活性，此项成果可为环肽药物的玻璃态剂型设计及可控释放提供强大助力。

此外，这种新型玻璃还可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全新思路。

“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。

01  “纯净”玻璃背后的环保难题

玻璃在日常生活中极为常见，看似“纯净”，但其生产却伴随着高能耗与高排放等弊端。中国提出“双碳”目标这一重大战略决策，旨在推动产业向绿色低碳技术转变，故而迫切需要探寻更环保且可循环利用性更强的玻璃材料与制造技术。

基于此背景，该团队提出“生物分子非共价玻璃”的创新理念。他们运用氨基酸 N 端化学修饰手段，将氨基酸的熔化温度与分解温度分离。通过加热熔融获得玻璃前驱体——过冷液体，再经快速淬火构建出·。

这种新型玻璃在使用寿命内结构稳定，使用完毕后能在生物酶作用下降解为无害物质，实现生态循环再利用，为传统玻璃和塑料提供了绿色可持续的替代选择。在此基础上，他们期望打造一种在复杂生理条件下性质更稳定的生物分子非共价玻璃。

环肽作为一种生物分子基元，因其刚性骨架结构，具有较高稳定性、生物活性和抗酶解能力，被视作构建新型生物分子非共价玻璃的理想材料。然而，环肽分子易结晶的特性使其难以形成玻璃。为此，他们采用高熵策略，通过熔融多种环肽分子营造高熵环境，借助淬火技术保持过冷液体中的多尺度无序构象，有效抑制结晶，促成玻璃形成。这一原理同样适用于利用其他有机小分子制备高熵非共价玻璃。

（来源：Nature Nanotechnology）

02  高熵非共价环肽玻璃的形成机制

谈及研究细节，闫学海称，确定研究环肽玻璃后，课题组从以往文献中挑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联用测试，确定了它们的熔点温度与分解温度。

对于熔点温度小于分解温度的环肽分子，他们尝试用经典的熔融-淬火方法制备玻璃，期间发现部分环肽分子可借此成功制备玻璃，验证了设计理念。然而，有些环肽分子在常规冷却速率下易结晶，无法形成玻璃。对于熔点温度大于分解温度的环肽分子，熔融-淬火制备法不适用。

为解决这些问题，他们结合原位谱学追踪和理论模拟，研究环肽玻璃的形成机制。研究发现，高温熔融能破坏原始晶态结构中的长程有序作用力，促进过冷液体中环肽分子团簇构象复杂性形成，产生多尺度无序性。尤其在淬火过程中，这种构象复杂性得以有效保留，促进固体玻璃形成。基于此发现，他们决定采用高熵策略制备环肽玻璃。

通过熔融多种环肽，课题组营造高熵环境，借助淬火技术保持过冷液体多尺度无序构象，有效抑制结晶，促进玻璃形成，实现高熵非共价环肽玻璃的首次创制。值得一提的是，利用高熵策略，将加热易分解的环肽组分与其他环肽组分组合，也可制备高熵非共价环肽玻璃。

课题组还分析了高熵非共价环肽玻璃的形成条件，阐明了设计原则，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，他们以高熵非共价环肽玻璃为基质，实现了对功能有机小分子和纳米材料的均匀负载，为其在各领域的功能化应用奠定基础。

该团队进一步探究高熵效应对环肽玻璃性能的影响。通过对比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，发现高熵效应能显著提升环肽玻璃的力学性能和酶耐受性。日前，相关论文《高熵非共价环肽玻璃》发表在《自然·纳米技术》上，袁成前为第一作者，闫学海为通讯作者。

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。