《Nature Chem. Biol.》哈佛大学：从工程生物膜水处理，生物降解和涂覆的水塑料|nature chem. biol.|塑料|材料|水处理|纳米

【科研摘要】

基于石油化学的塑料不仅污染了全球各地，而且由于其不可生物降解性，还对生态系统造成了潜在的不可逆转的破坏。由于生物塑料的数量有限，迫切需要设计和开发更多可生物降解的替代品以减轻塑料的威胁。最近，哈佛大学 Neel S. Joshi教授团队报告了水塑塑料，这是一类新型的基于微生物生物膜的可生物降解生物塑料，可水处理，坚固，可模板化和可涂覆。相关论文以题为Water-processable, biodegradable and coatable aquaplastic from engineered biofilms发表在《Nature Chemical Biology》上。

在此，对大肠杆菌进行了基因工程改造，以生产基于蛋白质的水凝胶，然后在环境条件下将其浇铸和干燥，以生产可耐受强酸/碱和有机溶剂的水塑料。此外，可以使用水对水塑塑料进行修复和焊接，以形成三维结构。直接的微生物制造，水加工性和生物降解性相结合，使水塑料成为一种独特的材料，值得在包装和涂料应用中进一步探索。

【图文解析】

作者证明了水塑料是一种新型的可水处理的生物塑料，它是从细菌培养物中直接纯化而来，只需很少的纯化，就可以很容易地从水凝胶状态加工成大块材料（图 1a–c）。水塑料的机械性能可与石化塑料和其他生物塑料相媲美。此外，水塑料具有独特的水可加工特性，称其为水塑，水焊和水修复。

图 1：直接从工程微生物生物膜中制备水生塑料。 a–c，通过基因工程细菌的水生塑料制造原理图，这些细菌经过编程可生产基于卷曲纤维的功能性水凝胶，该水凝胶可模制成二维（2D）和三维（3D）结构（a），并进行水模焊接（b）和水上修复（c）。SDS，十二烷基硫酸钠；GdmCl，氯化胍。d，生物膜水生塑料的图像（左），curli水生塑料（中间）和生物膜水生塑料的柔韧性（右）。比例尺，0.5 cm。e，3D模制的水生塑料的图像：碗，圆锥，球体和圆柱体。比例尺，1 cm。

水塑料的理化特性

热重分析（ TGA）表明，高于200 aC时，生物膜水生塑料和卷曲水塑料都开始降解（图2a）。对水族塑料的差示扫描量热法（DSC）分析显示，在冷却周期中，分别在150°C和145°C下生物膜水塑料和卷曲水塑料的玻璃化转变（图2b）。生物膜水塑料和卷曲水生塑料的广角X射线散射分析（WAXS）揭示了CsgA的交叉β二级结构的特征特征，d间距（晶面间距）值为0.98 nm和0.46 nm（图2c）。分别对应于β-折叠之间和β-折叠内部的距离，并表示通过水生塑料加工步骤可保持卷曲的淀粉样蛋白结构20。首先通过纳米压痕研究了水塑料的力学性能，其杨氏模量值（ E）分别为2.2±0.7 GPa（生物膜水塑料）和4.3±0.9 GPa（卷曲水生塑料）（图2d-g）。发现最大载荷下相应的硬度（H）值为167±109 MPa和252±140 MPa，而屈服强度（σ y ）值（使用关系σ y = H/3估算）为55±36 MPa和84分别为±47 MPa 22。在水塑薄膜上进行的拉伸试验清楚地表明了材料的塑性变形（图2h）。生物膜水族塑料表现出E = 1±0.2 GPa（图2i），极限抗张强度（σ）为18±5 MPa（图2j），抗张韧性（UT）为102±57 MJ m -3 。

图 2：水塑料的物理和化学性质。 a–c，TGA温度曲线图（a），DSC温度曲线图（b；加热周期，实线；冷却周期，虚线）和生物膜水生塑料和卷曲生水塑料的WAXS强度分布图（c）。d–g，通过纳米压痕测试获得的生物膜水塑料和卷曲水塑料的力学性能：在单个压痕周期（d），最大杨氏模量（e），硬度（f）和屈服下最大压痕载荷为1 mN时的载荷-位移曲线强度（克）。对于生物膜水生塑料，n＝128，对于卷曲水塑料，n ＝ 82。h–j，通过拉伸试验获得的生物膜水塑料和卷曲水塑料的力学性能：应力-应变曲线（h），杨氏模量（i）和极限抗拉强度（ j）。k，基于暴露于废水来源的微生物财团后的质量损失，与纳米纤维素相比，生物膜水塑料和卷曲水塑料的生物降解分析。

模板化和可涂覆的水塑料

水塑料制造的另一个特征是能够在干燥过程中将图案模板化到其表面上。对于这两种类型的水塑塑料，在由30至35μm宽的纤维组成的尼龙网片上干燥凝胶前驱体会导致网状图案以高保真度转移到干燥的薄膜上（图3b）。

图 3：耐化学腐蚀的水族塑料及其模板化的表面结构特性。 a，图像显示了在有机溶剂（正己烷，氯仿），强酸（98％的硫酸）和强碱（18 M的氢氧化钠）中暴露2分钟或24小时后1平方厘米水生塑料样品的稳定性。比例尺，1 cm。b，场发射扫描电子显微镜（FESEM）图像显示了通过环境干燥在各种表面（上排）上对生物膜水凝胶进行模板化而在生物膜水上塑料上转移的图案（下排）。

可水处理的水塑料

尽管水塑料在暴露于水后会重新水化的趋势阻碍了它们在某些应用中与石化塑料的直接比较，但这确实导致了不寻常的并且可能是有益的材料性能特征。将少量微升的水倒在划痕上，使其风干2分钟（图4a）。在横向水焊接膜上进行的拉伸试验表明，E=605±206 MPa，表明水塑塑料可以有效地与水焊接（图4c，d）。可以利用这种策略来创建自立式3D结构，例如占地4 cm×4 cm的微型房屋，该房屋由10个水焊板组成（图4e）。

图 4：水塑料的水生修复和水生焊接。 a，通过在磨损部位加水使水生生物膜的划痕和划痕愈合。比例尺，20μm。b，以平行和垂直方向对两个生物膜水塑板进行水焊。比例尺为5毫米（光学图像）和20微米（FESEM图像）。c，水熔生物膜水塑塑料的应力-应变曲线。d，通过水焊生物膜水族塑料的拉伸试验获得的杨氏模量（n = 5）。条形图显示平均值。误差棒代表标准偏差。e，一种3D架构，一种由塑料焊接2D面板构成的塑料房屋。比例尺，1 cm。

参考文献： doi.org/10.1038/s41589-021-00773-y