Forscher entwickeln hochentropisches nichtkovalentes zyklisches Peptidglas für intelligente Funktionsmaterialien

Forscher vom Institut für Verfahrenstechnik (IPE) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften haben ein nachhaltiges, biologisch abbaubares und biologisch recyclebares Material entwickelt: Glas mit hochentropischen nichtkovalenten zyklischen Peptiden (HECP). Dieses innovative Glas zeichnet sich durch eine verbesserte Kristallisationsbeständigkeit, verbesserte mechanische Eigenschaften und eine erhöhte Enzymtoleranz aus und bildet damit die Grundlage für seine Anwendung in pharmazeutischen Formulierungen und intelligenten Funktionsmaterialien.

Diese Studie wurde veröffentlicht in Natur Nanotechnologie am 26. August.

Glasmaterialien sind aufgrund ihrer vielseitigen Eigenschaften wie optischer Klarheit und chemischer Stabilität seit langem ein wesentlicher Bestandteil des technologischen und kulturellen Fortschritts. Herkömmliche Glasmaterialien basieren jedoch häufig auf starken ionischen und kovalenten Bindungen, was Probleme in Bezug auf Toxizität, Ressourcenerschöpfung und Umweltbeständigkeit mit sich bringt. Als Reaktion darauf bemühen sich Forscher, Glasmaterialien der nächsten Generation zu entwickeln, bei denen biologische Abbaubarkeit, biologische Recyclingfähigkeit und Nachhaltigkeit im Vordergrund stehen.

Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Yan Xuehai vom IPE hat die Entwicklung biologisch abbaubarer, biologisch recyclebarer Gläser auf Basis von Aminosäure- und Peptidkomponenten vorangetrieben. Diese innovativen biomolekularen nichtkovalenten Gläser bieten eine nachhaltige Alternative zu herkömmlichen Gläsern und Kunststoffen und versprechen sowohl ökologische als auch ökologische Vorteile. Die Entwicklung eines stabilen nichtkovalenten Glases, das unter schwierigen physiologischen Bedingungen gut funktioniert und gleichzeitig die Abstoßung minimiert, war jedoch eine Herausforderung.

Zyklische Peptide (CPs), die durch ein zyklisches Rückgrat gekennzeichnet sind, das die Amino- und Carboxylenden verbindet, weisen im Vergleich zu ihren linearen Gegenstücken vielfältige biologische Aktivitäten, eine verbesserte Stabilität und Resistenz gegen enzymatischen Abbau auf. Dies macht CPs zu einer vielversprechenden Plattform für die Entwicklung von nichtkovalentem Glas für biomedizinische oder andere Hightech-Anwendungen. Ihre starke Tendenz zur Kristallisation hat ihr Potenzial in der Glastechnologie jedoch begrenzt.

Um dieses Hindernis zu überwinden, entwickelte das Forschungsteam eine neuartige Methode zur Herstellung von stabilem nichtkovalentem Glas auf CP-Basis. Bei diesem Ansatz, der als Hochentropiestrategie bezeichnet wird, wurde eine Vielzahl von CPs integriert, um eine Umgebung mit hoher Entropie zu schaffen, die die Kristallisation wirksam verhindert.

Die CPs wurden einem Schmelz-Abschreck-Prozess unterzogen, bei dem sie über ihren Schmelzpunkt hinaus erhitzt und dann schnell abgekühlt wurden, um die ungeordneten Konformationen in einem unterkühlten flüssigen Zustand zu erhalten, was letztlich zur Bildung von Glas führte. Insbesondere sind die dieser Strategie zugrunde liegenden Prinzipien allgemein auf die Herstellung von hochentropischem nichtkovalentem Glas anwendbar, das aus anderen kleinen organischen Molekülen besteht.

Das resultierende HECP-Glas weist im Vergleich zu einzelnen zyklischen oder linearen Peptidgläsern eine verbesserte Kristallisationsbeständigkeit, verbesserte mechanische Eigenschaften und eine höhere Enzymtoleranz auf. Diese Verbesserungen resultieren aus dem synergistischen Effekt der trägen Diffusion und der hypervernetzten Netzwerkarchitekturen innerhalb des HECP-Glases. Darüber hinaus können diese Eigenschaften durch Anpassungen der Zusammensetzung maßgeschneidert werden, was HECP-Glas zu einem vielversprechenden Kandidaten für Arzneimittelverabreichungssysteme macht, bei denen eine kontrollierte Freisetzung unerlässlich ist.

Darüber hinaus hat HECP-Glas bereits das Potenzial zur Einbindung anderer funktioneller Gruppen wie Farbstoffe und Nanopartikel gezeigt und trägt so zur Gestaltung und Entwicklung multifunktionaler, nachhaltiger, nichtkovalenter Gläser bei.

„Die Hochentropiestrategie hat sich als wirksame Methode zur Herstellung stabiler nichtkovalenter Gläser erwiesen, obwohl sie in diesem Stadium noch auf Laborumgebungen beschränkt ist“, sagte Prof. Yan.

Mit Blick auf die Zukunft sind weitere Forschungsarbeiten erforderlich, um das volle Potenzial von HECP-Glas in verschiedenen Anwendungen auszuschöpfen. Dazu gehören die Entwicklung von HECP-Gläsern mit noch höherer thermischer Stabilität, die Einbindung zusätzlicher funktioneller Gruppen zur Verbesserung ihrer optoelektronischen Eigenschaften und die Erforschung alternativer Synthesemethoden, bei denen der Einsatz organischer Lösungsmittel oder hoher Temperaturen vermieden wird.