基于二肽盐形成的手性玻璃:生物材料创新与多功能应用探索

《Biomacromolecules》:Chiral Glass Formation by Dipeptide Salts

【字体: 时间:2026年02月15日 来源:Biomacromolecules 5.4

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  本综述系统阐述色氨酸-精氨酸(WR)二肽与有机酸(如酒石酸、巴豆酸)通过温和水溶液蒸发形成手性玻璃的创新研究,其兼具高透明度、荧光、自愈合、粘合性及可调控玻璃化转变温度(Tg)等特性,为生物相容性材料开发与生物医学应用提供新范式(SAXS/WAXS/SEM证实无定形结构,CD光谱验证手性)。

  
引言:玻璃材料的历史与肽类玻璃的研究价值
玻璃作为人类使用数千年的无定形固体,传统以硅酸盐等无机氧化物为主,近年来聚合物玻璃拓展了应用领域。肽类材料因生物相容性、可编程合成(如固相肽合成SPPS)及丰富二级结构(α-螺旋、β-折叠)备受关注,但肽基玻璃研究仍较少。此前酪氨酸三肽(YYY)脱水形成玻璃的报道揭示了氢键网络的关键作用,而本研究表明WR二肽盐可通过温和水溶液蒸发形成多功能手性玻璃,为生物材料创新提供新思路。
材料与方法:实验设计与技术路线
研究采用色氨酸-精氨酸(WR)二肽与酒石酸/巴豆酸形成的盐(纯度>95%),通过10 wt%水溶液蒸发制备玻璃。技术手段涵盖扫描电子显微镜(SEM)、差示扫描量热法(DSC)、热重分析(TGA)、傅里叶变换红外光谱(FTIR)、紫外-可见吸收(UV-vis)、圆二色谱(CD)、荧光光谱、小角/广角X射线散射(SAXS/WAXS)等。玻璃制备中通过调控基底(硅胶/载玻片)获得不同形貌,自愈合实验采用75℃湿热环境处理裂纹样品。
结果:玻璃的多功能特性与结构表征
形态学与结构分析显示,WR二肽盐玻璃呈无定形结构(SAXS/WAXS特征曲线平坦,SEM无晶体特征),仅酒石酸盐玻璃含微量酒石酸结晶。热学性能方面,玻璃化转变温度(Tg)接近体温(酒石酸盐32.3℃,巴豆酸盐35.6℃),热稳定性达200℃以上。FTIR光谱证实玻璃中肽链无有序二级结构,氢键网络(如1660 cm-1处特征峰)是玻璃形成关键。光学性能突出:300-800 nm波长透光率>75%(巴豆酸盐近100%),具荧光特性(色氨酸激发),CD光谱明确手性结构(λ=233-239 nm处特征峰)。功能应用方面,玻璃可实现200g负载粘合(水溶性粘合剂)、湿热环境自愈合(10分钟内裂纹消失),静电特性使玻璃颗粒可被排斥。
讨论:玻璃形成机制与潜在应用
玻璃形成归因于肽链与有机酸间的氢键网络(羧基/羟基与肽链氨基/酰胺基作用)及静电相互作用(如精氨酸阳离子与有机酸羧基)。手性源于肽分子局部固定构型,非超分子组装。可调控Tg(近体温)支持体内药物递送应用,高透光率与荧光特性适用于光学标签,自愈合与粘合性拓展可降解材料场景。未来可探索金属离子掺杂增强稳定性、3D打印/纤维拉丝等加工技术,以及长期储存中结晶动力学(酒石酸盐需关注20分钟内结晶现象)。
结论:生物材料创新的新范式
WR二肽盐玻璃通过温和工艺实现了生物相容性、多功能性与手性结构的统一,其无定形特征(SAXS/WAXS/SEM验证)与局部手性环境(CD证实)为肽基材料设计提供新路径。氢键网络与静电协同作用机制、可调控物化性能(Tg/透光率/荧光)及自愈合/粘合功能,使其在生物医学、光学材料、可降解粘合剂等领域具广阔应用前景。后续需优化盐组分抑制结晶、探索长程稳定性,并拓展至其他氢键型有机盐体系。
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