在此，中国科学院过程工程研究所闫学海研究员团队开发出一种可持续、可生物降解、可生物回收的材料——高熵非共价环肽 （HECP） 玻璃，通过调节环肽（CP）簇的构象复杂性，设计了一系列具有可调玻璃化转变行为的环肽玻璃。通过加入多组分CP，可以促进高熵CP玻璃的形成，从而抑制单个CP的结晶。与单个CP玻璃相比，高熵CP玻璃表现出增强的机械性能和酶耐受性，以及传统玻璃无法达到的独特的生物回收能力。这些发现为基于天然生物分子的稳定非共价玻璃的设计和开发提供了有前途的范例，并推进了它们在药物配方和智能功能材料中的应用。相关成果以“High-entropy non-covalent cyclic peptide glass”为题发表在《Nature Nanotechnology》上，第一作者为袁成前副研究员。
闫学海研究员和袁成前副研究员
玻璃制备和表征
研究表明，环肽的过冷液体对于通过熔融淬火方法制备块状玻璃至关重要（图1a）。热重分析和差示扫描量热计揭示了两类CP的热稳定性：I型CP如cPY在熔化过程中保持稳定，适合制备玻璃；而II型CP则在熔化时分解(图 1b、c)。以cPY为例，实验结果显示其具有出色的热稳定性和玻璃化特性。cPY玻璃展现了优异的光学透过率（87.2%）和显著的机械性能，包括6.8 GPa的杨氏模量和0.32 GPa的硬度，优于某些天然材料和常见聚合物，表明CP能够稳健地形成高性能非共价玻璃。
图 1：使用单一组分（cPY）形成的 CP 玻璃的表征
玻璃形成的分子机制
通过变温偏光显微镜和荧光成像，揭示了环肽玻璃的形成机制（以cPY玻璃为例）（图 2a）。随着温度升高，cPY经历了从有序晶体到无序球形结构的转变，冷却后保持玻璃态，这表明成功形成了玻璃。荧光颜色从蓝色转变为青色，进一步证实了分子堆积的变化。变温傅里叶变换红外光谱显示(图2b)，随着温度的升高，氢键和芳香族堆积逐渐从有序转向无序，导致C=O…H–O和C=O…H–N氢键部分断裂，并在冷却过程中重新组织。全原子分子动力学（AAMD）模拟支持了这一点，表明玻璃态cPY中存在复杂的、非特异性的分子间相互作用。这些无序相互作用最终导致异质簇的形成，阻止了结晶过程，成功生成了非共价玻璃。
图 2：cPY 玻璃形成的分子机制
CP 玻璃的可调玻璃化转变行为
作者通过调节肽结构探索了环肽（CP）玻璃的玻璃化转变温度（Tg）可调节性（图 3a）。例如，在cPY中用Phe替代Tyr降低了Tg值，而用Trp替代Pro则显著提高了Tg值，说明了氢键和芳香族堆积对Tg的影响（图 3b）。CP玻璃的Tg值可以根据CP残基的类型和手性进行定制（图 3c）。所有选定的CP都表现出强大的玻璃形成能力，且通过降低温度评估的玻璃形成能力指标（Trg）超过了阈值（图3d），证明其有效的结晶抑制作用。此外，CP玻璃展现出热力学上的脆性，这与结构松弛动力学相关，并可通过调整芳香族相互作用和氨基酸类型来精确调节。这些特性使CP玻璃在高于人体温度的生物医学应用中具有广阔的潜力
图 3：可调节的玻璃化转变行为
HECP玻璃的设计和制造
研究表明，I型环肽可以通过直接熔融淬火形成稳定的玻璃，但III型环肽如cGP、cLP等在相同条件下易形成晶体。通过增加混合物中CP的种类和熵效应，可以阻止结晶，形成稳定的多组分玻璃（HECP）（图4d）。熵增策略有助于不同类型CP混合物的稳定玻璃形成，FTIR和拉曼光谱分析显示，HECP玻璃中分子排列更加无序，增加了构型熵并提高了热稳定性（图4f-h）。此外，通过调整CP的结构、组成和比例，可以定制具有不同Tg值的玻璃，为生物医学和OLED显示器等领域提供新的可能性。
图 4：HECP 玻璃的形成和表征
HECP玻璃的增强性能
为了研究高熵对环肽玻璃力学性能的影响，作者对四种玻璃进行了纳米压痕测试，发现HECP玻璃在450 mN载荷下表现出更浅的压痕深度，显示出比单独的CP玻璃更强的抗变形能力（图5a）。特别是含cGG的HECP玻璃表现出最高的杨氏模量和硬度，接近无机玻璃的值（图5b, c），这归因于其紧密堆积的网络结构和缓慢扩散特性（图5d）。此外，HECP玻璃在酶促条件下表现出增强的抗降解性，尤其是含CsAb的HECP玻璃降解率最低。这表明HECP玻璃在控制药物释放方面具有潜力。通过嵌入染料、掺杂离子导体和纳米颗粒，HECP玻璃还展现了独特的荧光、电导和磁特性，未来有望用于植入式医疗设备。
图 5：CP 玻璃的高熵增强机械性能
小结
本文通过操控环肽簇的构象复杂性，成功制备出基于天然CP的稳定非共价玻璃。通过提高过冷液体的构象熵，有效抑制了结晶，形成了稳定的CP玻璃。HECP玻璃表现出卓越的抗结晶能力和机械性能，其杨氏模量和硬度优于许多生物材料和商业聚合物，但低于传统无机玻璃。凭借其显著的生物相容性、生物降解性及药理活性，HECP玻璃在生物医学设备和可回收智能光电器件中具有革命性潜力。这项研究不仅开创了新型功能玻璃，还揭示了HECP玻璃的分子特征，成为非晶材料科学领域的重要发现。
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