Onderzoekers ontwikkelen niet-covalent cyclisch peptideglas met hoge entropie voor slimme functionele materialen

Onderzoekers van het Institute of Process Engineering (IPE) van de Chinese Academy of Sciences hebben een duurzaam, biologisch afbreekbaar, biorecyclebaar materiaal ontwikkeld: high-entropy non-covalent cyclic peptide (HECP) glas. Dit innovatieve glas heeft een verbeterde kristallisatiebestendigheid, verbeterde mechanische eigenschappen en een verhoogde enzymtolerantie, waarmee de basis is gelegd voor de toepassing ervan in farmaceutische formuleringen en slimme functionele materialen.

Deze studie werd gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie op 26 augustus.

Glasmaterialen zijn al lang een integraal onderdeel van technologische en culturele vooruitgang vanwege hun veelzijdige eigenschappen, zoals optische helderheid en chemische stabiliteit. Conventionele glasmaterialen vertrouwen echter vaak op sterke ionische en covalente bindingen, die uitdagingen met zich meebrengen met betrekking tot toxiciteit, uitputting van hulpbronnen en persistentie in het milieu. Als reactie hierop streven onderzoekers ernaar om glasmaterialen van de volgende generatie te ontwikkelen die prioriteit geven aan biologische afbreekbaarheid, biorecycleerbaarheid en duurzaamheid.

Een onderzoeksteam onder leiding van Prof. Yan Xuehai van IPE is een pionier in de ontwikkeling van biologisch afbreekbare, biorecyclebare glazen op basis van aminozuur- en peptidecomponenten. Deze innovatieve biomoleculaire niet-covalente glazen bieden een duurzaam alternatief voor de traditionele glazen en kunststoffen, en beloven zowel milieu- als ecologische voordelen. Het ontwikkelen van een stabiel niet-covalent glas dat goed presteert onder uitdagende fysiologische omstandigheden en tegelijkertijd afstoting minimaliseert, is echter een uitdaging gebleken.

Cyclische peptiden (CP’s), gekenmerkt door een cyclische ruggengraat die de amino- en carboxyluiteinden verbindt, vertonen diverse biologische activiteiten, verbeterde stabiliteit en resistentie tegen enzymatische afbraak vergeleken met hun lineaire tegenhangers. Dit maakt CP’s een veelbelovend platform voor de ontwikkeling van niet-covalent glas voor biomedische of andere hightechtoepassingen. Hun sterke neiging tot kristallisatie heeft echter hun potentieel in glastechnologie beperkt.

Om dit obstakel te overwinnen, ontwikkelde het onderzoeksteam een ​​nieuwe methode om stabiel niet-covalent glas te verkrijgen op basis van CP’s. Deze aanpak, een zogenaamde high-entropy strategy, omvatte het opnemen van een divers scala aan CP’s om een ​​high-entropy omgeving te creëren die kristallisatie effectief remde.

De CP’s ondergingen een smelt-blusproces, waarbij ze werden verhit boven hun smeltpunt en vervolgens snel werden afgekoeld om de ongeordende conformaties te behouden in een supergekoelde vloeibare toestand, wat uiteindelijk leidde tot de vorming van glas. Met name de principes die aan deze strategie ten grondslag liggen, zijn breed toepasbaar op de bereiding van niet-covalent glas met hoge entropie, samengesteld uit andere kleine organische moleculen.

Het resulterende HECP-glas vertoont verbeterde kristallisatiebestendigheid, verbeterde mechanische eigenschappen en grotere enzymtolerantie vergeleken met individuele cyclische peptide- of lineaire peptideglazen. Deze verbeteringen komen voort uit het synergetische effect van trage diffusie en hyperverbonden netwerkarchitecturen binnen het HECP-glas. Bovendien kunnen deze eigenschappen worden aangepast door middel van samenstellingsaanpassingen, waardoor HECP-glas een veelbelovende kandidaat is voor medicijnafgiftesystemen waarbij gecontroleerde afgifte essentieel is.

Bovendien heeft HECP-glas al aangetoond dat het ook andere functionele bestanddelen kan bevatten, zoals kleurstoffen en nanodeeltjes. Zo draagt ​​het bij aan het ontwerp en de ontwikkeling van multifunctionele, duurzame, niet-covalente glazen.

“De strategie met hoge entropie heeft zich bewezen als een effectieve methode voor het verkrijgen van stabiele niet-covalente glazen, hoewel deze in dit stadium nog beperkt is tot laboratoriumomstandigheden”, aldus Prof. Yan.

Vooruitkijkend is er meer onderzoek nodig om het volledige potentieel van HECP-glas in verschillende toepassingen te benutten. Denk hierbij aan de ontwikkeling van HECP-glas met een nog hogere thermische stabiliteit, de toevoeging van extra functionele groepen om de opto-elektronische eigenschappen te verbeteren en de verkenning van alternatieve synthesemethoden die het gebruik van organische oplosmiddelen of hoge temperaturen vermijden.