“纯素蜘蛛丝”为一次性塑料提供可持续的替代品

创新 / Innovation

研究人员创造了一种基于植物的、可持续的、可扩展的材料,可以替代许多消费品中的一次性塑料。

剑桥大学的研究人员通过模仿蜘蛛丝的特性制造了一种聚合物薄膜,蜘蛛丝是自然界中最坚固的材料之一。这种新材料与当今使用的许多普通塑料一样坚固,可以替代许多普通家用产品中的塑料。

这种材料是使用一种新方法将植物蛋白组装成在分子水平上模拟丝绸的材料而制成的。这种使用可持续成分的节能方法产生了一种类似塑料的独立薄膜,可以工业规模制造。不褪色的“结构”颜色可以添加到聚合物中,也可以用于制造防水涂料。

该材料可在家中堆肥,而其他类型的生物塑料需要工业堆肥设施才能降解。此外,剑桥开发的材料不需要对其天然构建块进行化学修饰,因此它可以在大多数自然环境中安全降解。

令人惊讶的是,我们的研究还可以解决可持续性方面的一个大问题:塑料污染问题

– Tuomas Knowles

新产品将由剑桥大学衍生公司 Xampla 商业化,该公司开发一次性塑料和微塑料的替代品。该公司将在今年晚些时候推出一系列一次性小袋和胶囊,它们可以替代日常用品中使用的塑料,如洗碗片和洗衣粉胶囊。结果发表在《自然通讯》杂志上。

多年来,剑桥大学 Yusuf Hamied 化学系的 Tuomas Knowles 教授一直在研究蛋白质的行为。他的大部分研究都集中在蛋白质错误折叠或“行为不当”时会发生什么,以及这与健康和人类疾病(主要是阿尔茨海默病)之间的关系。

“我们通常会研究功能性蛋白质相互作用如何让我们保持健康,以及不规则的相互作用如何与阿尔茨海默病有关,”领导当前研究的诺尔斯说。 “令人惊讶的是,我们的研究还可以解决可持续性方面的一个大问题:塑料污染。”

作为蛋白质研究的一部分,Knowles 和他的团队开始对为什么像蜘蛛丝这样的材料在分子键如此弱的情况下如此坚固感兴趣。 “我们发现,赋予蜘蛛丝强度的关键特征之一是氢键在空间中以非常高的密度规则排列,”Knowles 说。

共同作者 Marc Rodriguez Garcia 博士是 Knowles 小组的博士后研究员,现在是 Xampla 的研发主管,他开始研究如何在其他蛋白质中复制这种常规自组装。蛋白质具有分子自组织和自组装的倾向,尤其是植物蛋白,其含量丰富,可以作为食品工业的副产品进行可持续采购。

该论文的第一作者、博士生 Ayaka Kamada 说:“对植物蛋白的自组装知之甚少,很高兴知道通过填补这一知识空白,我们可以找到一次性塑料的替代品。”

研究人员通过使用大豆分离蛋白(一种成分完全不同的蛋白质)成功复制了在蜘蛛丝上发现的结构。 “因为所有蛋白质都是由多肽链构成的,在合适的条件下,我们可以让植物蛋白质像蜘蛛丝一样自组装,”诺尔斯说,他也是圣约翰学院的研究员。 “在蜘蛛中,丝蛋白溶解在水溶液中,然后通过需要很少能量的纺丝过程组装成非常坚固的纤维。”

“其他研究人员一直在直接使用丝绸材料作为塑料替代品,但它们仍然是一种动物产品,”罗德里格斯加西亚说。 “在某种程度上,我们想出了‘纯素蜘蛛丝’——我们创造了没有蜘蛛的相同材料。”

任何塑料的替代品都需要另一种聚合物——自然界中大量存在的两种聚合物是多糖和多肽。纤维素和纳米纤维素是多糖,已被用于一系列应用,但通常需要某种形式的交联来形成坚固的材料。蛋白质自组装,可以在没有任何化学修饰的情况下形成像丝绸这样的坚固材料,但它们更难处理。

研究人员使用大豆分离蛋白 (SPI) 作为他们的测试植物蛋白,因为它很容易作为大豆油生产的副产品获得。 SPI 等植物蛋白难溶于水,因此很难控制它们自组装成有序结构。

新技术使用醋酸和水的环保混合物,结合超声波和高温,提高 SPI 的溶解度。这种方法产生了由氢键形成引导的具有增强的分子间相互作用的蛋白质结构。第二步,除去溶剂,形成水不溶性薄膜。

该材料具有与低密度聚乙烯等高性能工程塑料相当的性能。它的优势在于多肽链的规则排列,这意味着不需要化学交联,化学交联经常用于提高生物聚合物薄膜的性能和抵抗力。最常用的交联剂是不可持续的,甚至可能有毒,而剑桥开发的技术不需要有毒元素。

“这是我们十多年来一直致力于研究的成果,即了解自然界如何从蛋白质中生成材料,”Knowles 说。 “我们并没有着手解决可持续性挑战——我们的动机是好奇如何从弱相互作用中创造出强大的材料。”

“这里的关键突破是能够控制自组装,因此我们现在可以创造高性能材料,”罗德里格斯加西亚说。 “成为这次旅程的一部分令人兴奋。世界上存在一个巨大的塑料污染问题,我们很幸运能够为此做点什么。”

Xampla 的技术已获得该大学商业化部门 Cambridge Enterprise 的专利。 Cambridge Enterprise 和 Amadeus Capital Partners 共同领导了 Xampla 的 200 万英镑种子轮融资,Sky Ocean Ventures 和由 Parkwalk 管理的剑桥大学企业基金 VI 跟投。

Reference:
A. Kamada et al. ‘Self-assembly of plant proteins into high-performance multifunctional nanostructured films.’ Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-23813-6

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