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天大研發新型DNA生物塑料
文章來源:中國化工報     點擊數: 次     更新時間:2021-12-07 14:57

 有望在部分應用領域替代石油基塑料

  中化新網訊 12月6日,記者從天津大學了解到,該校仰大勇教授團隊聯合中石油石化研究院研發出新型DNA生物塑料,有望在部分應用領域替代石油基塑料。該成果已發表于權威期刊《美國化學會志》。

  “DNA的本質是一種化學結構和生物功能都能精準可控的綠色天然生物高分子,具有生物相容性好等優勢,是極具發展潛力的新型功能材料,特別是面向生命健康領域的生物醫用材料。”仰大勇在接受記者采訪時表示,近年來其團隊聚焦DNA生物功能材料化學組裝與智能制造,并用于生命分析和疾病治療,取得了突出成果。

  在DNA生物塑料的開發方面,仰大勇團隊提出可持續DNA生物塑料的概念,發展了生物質DNA與可再生離聚物組裝的新策略,利用DNA與離聚物之間的非共價鍵相互作用形成復合水凝膠,并開發了一種低溫加工DNA材料的新方法,進而將DNA/離聚物復合水凝膠轉化為生物塑料,生產、使用和回收全過程均與生態環境友好兼容。

  這種塑料原料均來源于生物可再生資源,包括天然DNA和離聚物,原料來源豐富。與石油基塑料熔融加工策略相比,這種新型DNA塑料的加工能耗僅不到5%,還可以通過無損回收策略制成新的塑料制品使用,也可以在DNA酶作用下實現可控降解。

  據仰大勇介紹,現有的工業化設備可以快速地從植物、藻類和細菌中大量提取生物質DNA,利用這些設備可以實現DNA年產量達數十萬噸,新型DNA塑料有巨大的量產化潛力。

  在應用方面,DNA生物塑料的可折疊性和低溫穩定性優異,可加工成多腔室微結構,有望在生物傳感、藥物遞送和組織工程等生物醫學領域發揮重要的作用。仰大勇團隊構建了含有多種功能模塊的DNA網絡水凝膠,實現腫瘤浸潤T細胞的高效、特異性和無損分離,取得了顯著的免疫治療效果,為分離重要生物顆粒提供了新策略,為重大疾病的免疫治療開拓了新路徑。

  DNA塑料還可被加工成生物貼片,結合DNA分子獨特的生物學特性,在生物醫學領域發揮作用。DNA塑料優異的可折疊性和低溫穩定性,在柔性電子皮膚和軟機器人等領域也展現出良好應用前景。隨著水溶性聚合物薄膜應用日益廣泛,DNA塑料還可以應用于日常生活中。

  中石油石化研究院張坤玉教授介紹說,新型功能化離聚物不僅可以用于DNA塑料合成,也可以作為其他天然高分子材料和生物基塑料的改性原料,制備高性能多元材料,拓寬聚乳酸等生物基塑料的應用范圍。目前,中石油石化研究院正致力于離聚物—天然高分子—可降解樹脂的新型綠色材料的開發與應用。

  中石油石化研究院何盛寶院長表示,研究院目前已成立了氫能、生物化工和新材料研究所,旨在探索顛覆性的新能源新材料,以應對全球新一輪產業革命的到來和日益嚴峻的環境能源危機。此次與天津大學合作研發的DNA可持續生物塑料是該領域的創新性成果之一。

  塑料工業是國民經濟的支柱產業,我國每年進口的石油資源約1/3用于合成塑料制品,塑料加工制品的產量和消費量均居世界第一。塑料原料提取過程耗能高、污染高,產生大量溫室氣體和化學副產物。目前全球每年產生幾千萬噸塑料垃圾,且這一數字正以驚人的速度逐年增加。

  大量石油基塑料的廢棄是對不可再生資源的巨大浪費,同時也極大加劇能源危機。發展可循環使用的生物基塑料成為解決塑料污染、緩解碳排放問題的有效手段,特別是發展生態環境友好材料,成為目前學術界和產業界的前沿研究熱點。

  DNA是生命遺傳物質,在大自然中廣泛存在,是一種取之不盡、用之不竭的生物高分子。據統計,地球目前DNA總儲量約為500億噸。如果將其中的小部分DNA轉化為DNA塑料,理論上可以有效緩解日益增長的塑料使用需求。

  DNA生物塑料原料中的DNA來自廢物生物質分離提取,離聚物來源于生物柴油副產品甘油。而且采用低溫加工方法將DNA、離聚物復合水凝膠轉化為生物塑料,過程無副產物產生和有機溶劑的使用。DNA塑料回收不涉及高分子鏈斷裂,是一種無損、低能耗的簡易塑料回收策略。

 

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