在科学界的最新突破中，环形肽（CPs）玻璃展示了其作为新型生物相容性材料的巨大潜力。与传统玻璃相比，这种材料不仅具有更好的生物相容性和可生物降解性，还展现出强大的热稳定性和机械性能。
本文将深入探讨环形肽玻璃的创新技术、形成机制及其在药物制剂和智能功能材料中的广泛应用前景。如果你对这种前沿材料感兴趣，欢迎继续阅读，了解它如何在未来的科学和医疗领域中发挥重要作用。
生物分子基的非共价玻璃由于其优异的生物相容性和可生物降解性，成为传统玻璃的一种可持续替代品。环形肽（CPs）凭借其结构刚性和抗酶解能力，被认为是理想的玻璃成分。然而，其强烈的结晶倾向限制了在玻璃构建中的应用潜力。
本文通过调节环形肽集群的构象复杂性，设计了一系列具有可调玻璃转变行为的CP玻璃。通过引入多组分CPs，促进了高熵CP玻璃的形成，抑制了单一CPs的结晶。高熵CP玻璃展现出比单一CPs玻璃更强的机械性能和耐酶性，并具备传统玻璃无法实现的独特生物循环能力。这为基于天然衍生生物分子的稳定非共价玻璃设计与开发提供了前景广阔的范例，并推动了其在药物制剂和智能功能材料中的应用。
图1 | 单一成分CP玻璃的表征
要点1：CPs的过冷液体对通过熔融–淬火法制备体块玻璃至关重要（图1a）。通过热重分析（TgA）和差示扫描量热仪（DSC）确定CPs的熔点（Tm）（图1b、c）。CPs分为两类：一类在Tm附近无热分解现象，如cFP、cPY、cWY、cWW；另一类在熔化过程中发生分解，如cAA、cGG、cFF、cLF。
要点2：以cPY为例，展示CP玻璃的制备（图1b）。cPY在熔化过程中展示了优良的热稳定性，并形成非晶产物（图1c-e）。其光学透射率高达87.2%（图1h），优于典型商用照明玻璃。
图2 | cPY玻璃形成的分子机制
要点1：cPY玻璃形成机制通过温度升高引起的形态变化（从晶体到球形结构）以及荧光颜色的变化得到阐明（图2a）。
要点2：cPY晶体的变温傅里叶变换红外（FTIR）光谱分析揭示了主要的氢键作用和芳香实体的有序排列（图2b-c）。
图3 | 可调玻璃转变行为
要点1：Tg与CP玻璃中CPs相互作用能量之间的关系被研究，较大的相互作用能量值与较高的Tg相关（图3b）。通过调节CP残基的类型和手性可以定制玻璃的Tg值（图3c）。
图4 | HECP玻璃的形成与表征
要点1：I型CPs可通过熔融-淬火形成稳定玻璃，而III型CPs难以形成稳定玻璃。混合不同类型的CPs可以增加系统熵，最终实现稳定的多组分CP玻璃（图4a-e）。
图5 | 高熵增强的CP玻璃机械性能
要点1：HECP玻璃显示出较单一CP玻璃更强的抗变形能力，其杨氏模量和硬度超越了许多生物材料和商业聚合物（图5a-c）。HECP玻璃的密集结构和高度连接的网络显著提升了机械性能（图5d）。
本文提出了一种基于天然衍生的CPs通过调节集群构象复杂性来制造稳定非共价玻璃的方法。通过提高过冷液体的构象熵，有效抑制了结晶，形成了具有显著机械性能的HECP玻璃。这种新型玻璃展现了优异的生物相容性、可生物降解性以及强大的热稳定性，预示着其在生物医学设备和智能光电设备中的广泛应用潜力。未来研究将着重于探索如何在不依赖加热处理或有机溶剂的情况下实现具有强生物活性的HECP玻璃。
原文地址：DOI：10.1038/s41565-024-01766-3
