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天津大学科学家研发可持续DNA生物塑料生产全流程绿色环保废弃

发布时间: 2022-09-02 11:47:56 来源:bob体育下载网址注册 作者:bob体育下载App

  很多人都知道 DNA 是生命的遗传物质,而在科学家眼里,DNA 还能做成塑料。  日前,天津大学化工学院仰大勇教授团队制备出一种 DNA 生物塑料,并做出一只塑料杯子作为展示。  由于原料和 DN

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  很多人都知道 DNA 是生命的遗传物质,而在科学家眼里,DNA 还能做成塑料。

  日前,天津大学化工学院仰大勇教授团队制备出一种 DNA 生物塑料,并做出一只塑料杯子作为展示。

  由于原料和 DNA 有关,他们还用该塑料做出两个 DNA 双螺旋结构的展示品。

  天津大学化工学院博士 & 现浙江大学博士后韩金鹏为第一作者,仰大勇教授担任通讯作者,中石油石化研究院教授张坤玉参与合作。

  目前,全世界每年都有 5100-8800 万吨塑料垃圾,增长速度亦很惊人。不少科学家都在研发生物塑料,它们一般由多种生物质制成,比如纤维素、壳聚糖、植物油、蛋白质和淀粉。

  尽管比石油基塑料更环保,但一些生物塑料的生产、使用和报废,并未严格遵循绿色方法。其次,不少原料来自农作物,因此会和人口粮食产生竞争。

  另外在回收工艺上,主要利用高温、强酸、强碱条件,以及使用可产生活性物质的催化剂,这会降低回收后塑料的机械性能。

  如何从根源上缓解石油基塑料带来的问题?仰大勇教授团队认为,只有原料来源丰富、加工过程绿色、可降解且可循环使用的新材料,才可真正做到 “治本”。由于该小组一直专注 DNA 研究,为此他们打算制备 DNA 塑料。

  DNA 是一种携带遗传密码、并可在活细胞内形成扭曲的双螺旋结构,近年来它已成为一类功能性纳米材料,并被用于合成聚合物材料如 DNA 纳米颗粒、水凝胶和树枝状 DNA 结构等。

  作为一种取之不尽、用之不竭的生物高分子,DNA 可从动植物和微生物等生物体内提取。当前地球的 DNA 总储量大约在 500 亿公吨,只需把一小部分转为 DNA 塑料,即可让塑料使用需求得到更好的满足。

  此次制备出的 DNA 塑料由鲑鱼精 DNA 和离聚物制成。 这些 DNA 长链与源自生物甘油的离聚物相互作用,将这些链结合在一起,就会产生一种柔软且具有延展性的水凝胶,这时使用模具,即可塑造成不同的形状,再进行冷冻和干燥,即可去除水分并使其固化。

  除了 DNA,塑料的另一主要成分是离聚物,它也是一种生物可再生资源。作为一类分子链结构中具备阴阳离子基团的聚合物,离聚物同时具备高分子和离子液体等优点,其在智能响应材料和自修复材料等领域的应用潜力也得到验证。

  一般来说,聚合物被热压入塑料中,需要高温才能熔化和加工聚合物,这等于是一个高能量消耗的过程,包括聚合物链的断裂和塑料质量的下降。

  为改善上述情况,仰大勇教授和团队提出一种完全不同的冷冻干燥过程,将物理交联的 DNA 水凝胶转化为可持续的 DNA 塑料,即可实现较低能量的消耗。

  用冷冻干燥法处理 DNA 塑料的流程如下:首先,制备超软 DNA 凝胶,并符合模具的形状。然后应用冷冻干燥,通过在真空条件下去除剩余的水,将 DNA 凝胶转化为形状塑料。

  作为演示,他们制备了一种具有 DNA 双螺旋结构形状的 DNA 塑料。在紫外线下,用 DNA 特异性染料(GelRed)染色的 DNA 塑料显示出亮红色荧光,这表明整个塑料都是由 DNA 组成的。

  在实际应用中,塑料的变形、损坏、老化不可避免,严重缩短了塑料的使用寿命。因此,迫切需要可回收和无损地使用塑料。

  值得注意的是,而 DNA 塑料可以实现这个目标。该团队用最绿色的溶剂水来软化 DNA 塑料,即可形成不成形的凝胶。为了将 DNA 塑料加工成 3D 结构,该团队开发了一种水触发的分子组装过程,并使用这种工艺制备出文章开头的塑料杯。

  塑料杯的制备流程如下:首先,一个塑料杯的三个结构部分,包括手柄、底座和机身,分别通过冷冻干燥进行处理。之后,在这些部件的接头处涂上一点水,以软化塑料,使接头处的 DNA 网络显示出类似液体的性质,以促进组装过程。将塑料杯风干 2min 后,制备一个独立、稳定的 DNA 塑料杯。

  使用低温加工方法,DNA 和离聚物之间的非共价键相互作用可得到巧妙利用,这时 DNA 和离聚物的复合水凝胶,即可转为生物塑料,期间无需使用有机溶剂,也不会产生化学副产物。相比石油基塑料的熔融加工法,DNA 塑料在常温加工中仅产生不到 5% 的能耗。

  为了验证尺寸的稳定性,他们将一个圆柱形的 DNA 塑料在室温下孵育 2 个月。结果表明,该塑料在 2 个月内保持了原来的形状且没有降解。考虑到 DNA 在干燥状态下的良好稳定性,其认为 DNA 塑料可以在较长的时间内保持尺寸稳定性。

  为了验证紫外线辐射对 DNA 塑料稳定性和可回收性的影响,将 GelRed 染色的三角形棱柱形 DNA 塑料在封闭室中进行紫外线min。辐射强度是来自阳光的 1 万倍。43 在 40min 范围内,未观察到形状变形和刚度的变化,这表明 DNA 塑料在紫外线辐射下具有良好的耐久性。

  而为了验证 DNA 塑料的生物相容性,该团队进行了细胞毒性试验。结果证实了 DNA 塑料具有较高的生物相容性。此外,DNA 塑料可以用作细胞生长的细胞培养基质。

  废弃 DNA 塑料的处理有两种办法:其一,可使用无损回收策略,将其重新制成塑料,回收时高分子链不会断裂,具备简易、无损、低能耗等优势;其二,可借助 DNA 酶的作用,实现可控降解。即在使用寿命结束时,通过受控酶促过程,就能在温和条件下实现回收或降解处理;其三,通过可再生和非破坏性使用,还可延长 DNA 衍生生物塑料的使用寿命。

  尽管 DNA 的大规模生产仍然是一个挑战,但该团队已经发现了几种实现吨级 DNA 生产的潜在方法。

  比如,在食品工业中,水果产量每年产生 2.66 亿吨浮渣废弃物,可用于提取 27 万吨 DNA。

  在生物制药行业,抗生素生产期间每年产生的微生物残留量为 1400 万吨,每年提供 14 万吨 DNA。

  在生物乙醇行业,数据显示商业市场每年可提供 200 万吨干酵母,提取 6000 吨 DNA。

  在开花的藻类工业中,干藻类的商业产量为每年 1.5 万吨,每年提取 DNA450 吨。

  为了在工业环境中快速生产 DNA,从藻类和细菌中提取 DNA 更加成熟和容易,一般生产周期约为 3 天。

  鉴于 DNA 的高度生物相容性,再加上 DNA 分子本身的独特生物学特性,因此可用于生物医学领域。比如,DNA 塑料可被做成生物贴片和多腔室微结构,进而在生物传感、药物释放上发挥重要作用。

  图 由生物质 DNA 和离聚物为原料制备的可持续 DNA 生物塑料 (来源:JACS)

  DNA 塑料即使在 −80° 的低温下也表现出良好的折叠回收性,因此在极寒冷天气条件下的电子皮肤和软机器人中具有很大的应用潜力。

  而它的低温稳定性和可折叠性,也是用于柔性电子皮肤和软机器人等领域的 “材料种子选手”。此外,在水溶性聚合物薄膜的应用前景激励之下,若干年内老百姓也有望用上 DNA 塑料。

  仰大勇教授表示,未来通过进一步研究开发,有望在部分应用领域替代石油基塑料,从而缓解当前石油基塑料使用所引起的环境和社会问题。


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