天大研发新型DNA生物塑料 

有望在部分应用领域替代石油基塑料

  中化新网讯 12月6日,记者从天津大学了解到,该校仰大勇教授团队联合中石油石化研究院研发出新型DNA生物塑料,有望在部分应用领域替代石油基塑料。该成果已发表于权威期刊《美国化学会志》。

  “DNA的本质是一种化学结构和生物功能都能精准可控的绿色天然生物高分子,具有生物相容性好等优势,是极具发展潜力的新型功能材料,特别是面向生命健康领域的生物医用材料。”仰大勇在接受记者采访时表示,近年来其团队聚焦DNA生物功能材料化学组装与智能制造,并用于生命分析和疾病治疗,取得了突出成果。

  在DNA生物塑料的开发方面,仰大勇团队提出可持续DNA生物塑料的概念,发展了生物质DNA与可再生离聚物组装的新策略,利用DNA与离聚物之间的非共价键相互作用形成复合水凝胶,并开发了一种低温加工DNA材料的新方法,进而将DNA/离聚物复合水凝胶转化为生物塑料,生产、使用和回收全过程均与生态环境友好兼容。

  这种塑料原料均来源于生物可再生资源,包括天然DNA和离聚物,原料来源丰富。与石油基塑料熔融加工策略相比,这种新型DNA塑料的加工能耗仅不到5%,还可以通过无损回收策略制成新的塑料制品使用,也可以在DNA酶作用下实现可控降解。

  据仰大勇介绍,现有的工业化设备可以快速地从植物、藻类和细菌中大量提取生物质DNA,利用这些设备可以实现DNA年产量达数十万吨,新型DNA塑料有巨大的量产化潜力。

  在应用方面,DNA生物塑料的可折叠性和低温稳定性优异,可加工成多腔室微结构,有望在生物传感、药物递送和组织工程等生物医学领域发挥重要的作用。仰大勇团队构建了含有多种功能模块的DNA网络水凝胶,实现肿瘤浸润T细胞的高效、特异性和无损分离,取得了显著的免疫治疗效果,为分离重要生物颗粒提供了新策略,为重大疾病的免疫治疗开拓了新路径。

  DNA塑料还可被加工成生物贴片,结合DNA分子独特的生物学特性,在生物医学领域发挥作用。DNA塑料优异的可折叠性和低温稳定性,在柔性电子皮肤和软机器人等领域也展现出良好应用前景。随着水溶性聚合物薄膜应用日益广泛,DNA塑料还可以应用于日常生活中。

  中石油石化研究院张坤玉教授介绍说,新型功能化离聚物不仅可以用于DNA塑料合成,也可以作为其他天然高分子材料和生物基塑料的改性原料,制备高性能多元材料,拓宽聚乳酸等生物基塑料的应用范围。目前,中石油石化研究院正致力于离聚物—天然高分子—可降解树脂的新型绿色材料的开发与应用。

  中石油石化研究院何盛宝院长表示,研究院目前已成立了氢能、生物化工和新材料研究所,旨在探索颠覆性的新能源新材料,以应对全球新一轮产业革命的到来和日益严峻的环境能源危机。此次与天津大学合作研发的DNA可持续生物塑料是该领域的创新性成果之一。

  塑料工业是国民经济的支柱产业,我国每年进口的石油资源约1/3用于合成塑料制品,塑料加工制品的产量和消费量均居世界第一。塑料原料提取过程耗能高、污染高,产生大量温室气体和化学副产物。目前全球每年产生几千万吨塑料垃圾,且这一数字正以惊人的速度逐年增加。

  大量石油基塑料的废弃是对不可再生资源的巨大浪费,同时也极大加剧能源危机。发展可循环使用的生物基塑料成为解决塑料污染、缓解碳排放问题的有效手段,特别是发展生态环境友好材料,成为目前学术界和产业界的前沿研究热点。

  DNA是生命遗传物质,在大自然中广泛存在,是一种取之不尽、用之不竭的生物高分子。据统计,地球目前DNA总储量约为500亿吨。如果将其中的小部分DNA转化为DNA塑料,理论上可以有效缓解日益增长的塑料使用需求。

  DNA生物塑料原料中的DNA来自废物生物质分离提取,离聚物来源于生物柴油副产品甘油。而且采用低温加工方法将DNA、离聚物复合水凝胶转化为生物塑料,过程无副产物产生和有机溶剂的使用。DNA塑料回收不涉及高分子链断裂,是一种无损、低能耗的简易塑料回收策略。

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