玻璃，在生活中無處不在，廣泛用於各個領域。然而，現在迫切需要開發可生物降解和可生物回收的玻璃，使其對環境的影響最小，以實現可持續發展的社會和循環材料經濟。
在此，來自中國科學院大學等研究者，報告了一個生物來源的生態友好玻璃系列，該系列使用生物衍生的胺基酸或肽通過經典的加熱淬火程序製造。相關論文以題為「Biomolecular glass with amino acid and peptide nanoarchitectonics」發表在Science Advances上。
論文連結：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.add8105
明日之材料和化學品有望是良性的、可再生的、可降解的，而非有毒的、耗竭的、不易降解的。玻璃是人類文明中最重要的高性能材料之一。已經開發了各種玻璃形成組分作為製備玻璃的結構構建單元。例如，最為人所知的無機玻璃通常由沙子、石灰和碳酸鈉製造；聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）玻璃是一種透明而堅硬的熱塑性有機材料；金屬玻璃（或非晶金屬）是一種由純金屬或金屬和類金屬組分組成的非晶態材料；最近報導的金屬-有機框架玻璃通常由有機配體協同排列在四面體單元中的金屬離子或團簇組成。然而，這些玻璃材料在生物上不相容，並且在自然環境中不易降解，這將對綠色生活的未來造成長期的生態和環境負擔。因此，開發可生物降解和可生物再循環的玻璃材料有望在生態和社會影響方面產生最小的環境足跡，並為實現持久的改善做出貢獻。
胺基酸和多肽是生物體中豐富的生物分子，廣泛用於開發具有功能性能的納米結構材料。帶有胺基酸或多肽納米構型的材料被認為是完全環保的，因為它們可以在生態系統中得到再利用。目前，製造玻璃的主要方法是將玻璃形成物高溫加熱（高於其熔點Tm），形成一個過冷液體，然後通過足夠快的冷卻速率淬火，以防止結晶。玻璃是一種非平衡、非晶態物質，缺乏晶體的周期性，但根據熔體的熱歷史表現為固體的力學特性。然而，原生態胺基酸和多肽具有較差的熱穩定性，在高溫或接近熔點時容易分解為胺和二氧化碳（CO2）。因此，使用這些原生態生物分子無法加工和獲得玻璃。據報導，將氫鍵末端修飾為疏水基團的胺基酸和多肽可以顯著提高它們的熱穩定性，這啟示我們可以使用修飾後的胺基酸和多肽來加工玻璃。
在這項研究中，研究者使用化學修飾的胺基酸和多肽作為玻璃形成物，成功製備出具有生物降解性和生物可再循環性的生物分子玻璃（見圖1）。研究者在惰性氣體氣氛下加熱這些分子，使它們首先熔化形成一個過冷液體，然後通過精確控制加熱和冷卻速率，淬火形成玻璃，有效地防止結晶。研究者評估了基於胺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，並確定了與玻璃轉變相關的動力學和熱力學參數。接下來，研究者研究了這些玻璃的光傳輸能力和在三維列印和模具鑄造等加工過程中的適應性。為了確定開發的生物分子玻璃是否具有生態友好性，研究者進行了體外和體內的生物降解實驗以及堆肥實驗。研究者發現，基於胺基酸或多肽的生物分子玻璃具有功能性能和生態友好性的獨特組合，具有優異的光學特性、良好的力學性能、靈活的加工性能以及所需的生物降解性和生物可再循環性。值得強調的是，這些生物分子玻璃與生物活性玻璃（BAGs）/生物玻璃完全不同。BAG是一種生物活性陶瓷材料，具有骨再生特性，其組成含有比矽酸鹽玻璃更多的鈣和磷，屬於SiO₂-Na₂O-CaO-P₂O₅的無機矽酸鹽玻璃體系。雖然這些生物分子玻璃距離大規模商業化還有很長的路要走，但是開發具有生態友好性能的玻璃可能是邁向可持續未來的一大步。(文：水生)
圖1 生物分子玻璃的示意圖。
圖2 胺基酸和肽的玻璃轉變和GFA。
圖3 從單晶開始形成玻璃的分子機制。
圖4 玻璃的透光性和增材製造。
圖5 玻璃的體外和體內降解。
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