INTRODUCTION
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研究介绍
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研究背景
Background
玻璃因其独特的光学、化学和机械性能，以及耐用性、多功能性和环境可持续性，成为材料科学各领域的基础材料。
然而，很少能同时找到既具有优异的机械性能，又能在室温条件下自我修复的玻璃材料。这种特性的权衡体现了材料设计中的挑战。
据报道，来自以色列特拉维夫大学Ehud Gazit 教授团队在2024年6月12日发表的最新研究成果中，报告了一种新型的超分子无定形玻璃材料。这种材料是由多个重复酪氨酸单元构成的短肽自组装而成的，展现出罕见的综合特性。
研究意义
Significance
研究人员发现，由多个重复酪氨酸单元构成的短肽YYY易溶于水，并能通过水溶液蒸发而自发组装成无定形刚性玻璃。因为水在其结构中扮演着关键作用，这种特殊的肽玻璃从基础的肽科学角度来说非常引人入胜。
此外，这种由天然氨基酸组成的简单生物有机肽玻璃材料，展现出出色的机械性能和自愈能力，对材料工程领域尤为有利。其广泛的光学透明度和折射率特性，也使其在光学和光电制造领域有广泛应用前景，可用作多层光学元件的粘合剂，或制造光学浸没胶和透镜。
总的来说，这种简单生物有机肽玻璃材料展现出非凡的多功能特性。
METHODS
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研究方法
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研究亮点
1 | 酪氨酸三肽可形成无定形生物玻璃，具有优异的光学性能和可逆机械调控能力。 |
2 | 可制备高性能光学元件，为生物分子自组装光学应用提供新途径。 |
3 4 | 水含量调控是实现多肽玻璃从脆性到延展性转变的关键，这一现象首次在简单肽中被观察到。 在不同pH下均能形成玻璃状粘附材料，展现出天然胶粘剂应用前景。 |
FINDINGS
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研究发现
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1
光学特性与应用
研究发现，由酪氨酸三肽(YYY)组成的无定形玻璃状物质呈现出类似于硅酸盐玻璃的独特特性。粉末X射线衍射和拉曼光谱分析表明其为无定形结构，没有典型的晶体结构。差示扫描量热分析显示该玻璃状物质在37 ℃附近有玻璃化转变，表明其为常温下的固体玻璃相。更为特殊的是，该玻璃状物质在可见到红外波段具有较高的光透过率，折射率为1.52，接近常用光学玻璃。利用该玻璃状物质的自发形成曲面的特性，研究者还成功制备出具有可调焦距的凸透镜，展现出其作为光学元件的应用潜力。（图1）
图1
2
结构稳定性
通过核磁共振波谱分析，证实水分子通过与肽分子间的氢键作用在该无定形结构中扮演着关键角色。更为重要的是，即使在不同pH条件下，这种多肽玻璃材料仍能自发形成，显示出优异的的结构稳定性。值得一提的是，该材料具有出色的粘附性，可用作轻质环境下的天然粘合剂，无需高温或高压即可实现。（图2）
图2
3
水含量调控下的机械性能
这种多肽玻璃在干燥环境中表现为硬脆，但在潮湿环境中则表现出高度可塑性。这种对水分含量敏感的调控特性在复杂的生物材料中广泛存在，但通常只发现于由复杂的生物大分子组成的系统中。将这一特性应用于由简单结构单元如短肽组成的材料系统，还是首次报道。
通过热重分析和玻璃化转温测试，证实了水分子的脱除会造成该材料的热力学性质改变，表现出类似聚合物的行为。在干燥状态下，材料表现出脆性断裂; 而在湿润状态下，在纳米尺度上可观察到明显的可塑性变形，说明水分子的存在增强了分子间的相互作用力。
进一步研究发现，在120 °C下恒温7 h后，该多肽玻璃材料的热力学性质不再受加热循环的影响，表现出最大硬度。纳米压痕测试显示其硬度达747±120 MPa，与已知的聚合物玻璃材料相当，充分体现了这种新型生物基玻璃材料的优异性能。（图3）
图3
4
水分驱动自愈特性
这种多肽玻璃材料表现出独特的对水分敏感的机械性能调控特性。在干燥条件下，突然脱水会导致材料迅速出现裂纹，类似于玻璃的热冲击行为。而暴露在潮湿环境中，水分子的扩散和重新亲和可以使材料自发实现自愈，消除裂纹痕迹，这归因于水分子与肽分子间氢键相互作用。此外，与亲水表面结合不同，该材料遇到疏水表面会容易脱落，并在持续机械应力作用下表现出流变行为，能自愈表面压痕。（图4）
图4
DISCUSSION
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研究讨论
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这项研究开发了一种基于酪氨酸三肽(YYY)的新型生物玻璃材料，其独特的无定形超分子结构受水分子含量调控。在干燥时呈现脆性玻璃状态，遇水则形成动态交联网络，可逆实现从脆到韧的机械性能调控。
该玻璃材料表现出优异的光学特性、自愈能力和可回收利用性，展现出多样化的应用前景，如光学器件制造、粘接剂等。这一发现不仅丰富了对短肽自组装形成玻璃态的基础认知，也为开发新型可控生物基功能材料提供了新思路。
研究局限性
1 | 仅局限于单一的三肽分子，是否可推广至其他肽序列尚不清楚。 |
2 | 对材料的长期稳定性和耐久性未进行深入评估，限制了其实际应用前景。 |
3 | 未对材料的生物相容性、生物降解性等生物学性能进行深入研究，难以评估其生物医学应用的可行性。 |
参考文献
[1] Finkelstein-Zuta G, Arnon Z A, Vijayakanth T, et al. A self-healing multispectral transparent adhesive peptide glass [J]. Nature, 2024, 630(8016): 368-74.
PROFILE
Ehud Gazit
以色列特拉维夫大学Blavatnik药物研发中心主任，Laura Schwratz-Kipp生物技术研究所主任，神经衰退性疾病生物技术研究中心主任，特拉维夫大学生命科学系、材料科学与工程系教授。
Ehud Gazit教授是以色列特拉维夫大学的著名生物化学家，长期从事生物有机材料的自组装过程及其应用研究。他在多肽纳米技术、肽核酸技术和生物代谢底物等领域做出了卓越贡献，开发了可应用于各领域的智能生物材料。具体包括: 研究淀粉样蛋白聚集与神经系统疾病的关系；探索多肽分子的纳米尺度自组装及其应用；揭示蛋白质折叠与稳定的分子机制；基于生物分子设计具有特殊功能的自组装体系。
END
文案 | 胡宇博
排版 | 胡宇博
审核 | 胡宇博
发布｜姜笑南
世界生命科学大会
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