MIT 团队开发新型可生物降解材料，应用于清洁品、食品封装等方面

在我们的日常生活中，微塑料污染已成为一个极为严峻的全球环境危机。它们不仅来源于轮胎、衣物和塑料包装的分解，一些清洁剂、化妆品和美容产品中添加的微珠也是微塑料的重要来源。

目前，这些微塑料已经几乎遍布地球的各个角落，对生态环境造成了严重威胁。微塑料还可能对人体健康造成诸多危害，如增加心血管疾病风险、携带有毒化学物质进入人体等。因此，寻找一种新型可降解材料替代传统微塑料，已成为当下急需解决的问题。

近日，麻省理工学院 Robert Langer 及 Ana Jaklenec 课题组开发了一种基于聚（β-氨基酯）（PAE）的可降解微粒（MP）平台，这种材料在清洁产品和营养食品封装领域展现出了巨大的潜力，有望替代传统不可降解塑料产物。这项研究的第一作者 Linzixuan (Rhoda) Zhang 是麻省理工学院化学工程系博士生。

不仅如此，PAE MP 够能分解为糖和氨基酸衍生物，有效避免了传统塑料在环境中难以降解而产生的微塑料污染问题。该研究成果以题为“Degradable poly (β-amino ester) microparticles for cleansing products and food fortification”发表在 Nature Chemical Engineering 期刊。

2019 年，Jaklenec 和 Langer 等人就报告了一种名为 BMC 的聚合物材料，他们表明这种材料可用于封装维生素 A 和其他必需营养素。然而，欧盟后来将 BMC 归类为微塑料，并将其纳入 2023 年生效的禁令中。

为了设计一种更加环保的替代品，Zhang 带队开始聚焦于 Langer 实验室之前开发的一种聚合物，即 PAE。

首先，研究人员选择了三种双功能单体，哌嗪、4,4’-三亚甲基二哌啶 (TDP) 和二丙烯酸酯官能化的异山梨醇，来构建 PAE 聚合物支架。通过改变材料组成成分，研究人员可以调整疏水性、机械强度和 pH 敏感性等特性，在创建了 5 种不同的候选材料后，最终筛选出适用于制备微粒的 P3、P4、P5 聚合物。其中，P5 聚合物在沸水中仅需 2 小时，剩余量就仅为 5.5%，其在酶的参与下还可显著提高降解速度，能更快地转化为无害的小分子物质。

除此之外，得益于其良好的疏水性，球形结构和光滑表面，P5 MP在清洁产品领域也表现出了巨大的应用潜力，研究人员探索使用可降解的 P5 MP 替代微塑料作为个人护理产品中的去角质微珠。

实验中，研究人员将 P5 MP 添加到肥皂泡沫里，然后用其来清洁猪皮（适合作为人体皮肤的模型）上的记号和眼线。结果显示，在清洁永久性记号笔污渍的实验中，当使用添加了 P5 MP 的肥皂泡沫擦拭 50 次后，猪皮上污渍的颜色保留率为 25.8%，对比使用普通肥皂擦拭时，颜色保留率为 61.8%；在去除眼线实验中，添加 P5 MP 的肥皂泡沫擦拭五次和十次，颜色保留率分别为 34% 和 12%，对比仅使用肥皂清洁，擦拭五次和十次的保留率分别为 88% 和 54%。

研究人员还将 P5 MP 与其他正在被研究作为不可降解微珠的可持续替代品进行了比较，如聚（丁二酸丁二醇酯）（PBS）和聚己内酯 (PCL)，结果发现 P5 MP 表现出更好的清洁效果。

这意味着 P5 MP 能够更加有效地去除污渍，大大提高了清洁效率，可在洗面奶、磨砂膏等美容产品中得到良好的应用。

图｜P5 MP 表现出色的清洁性能

清洁效果的另一个考虑因素是清洁产品如何有效吸收潜在有毒元素。研究人员选择铜作为潜在有毒元素的代表进行实验，发现 P5 MP 对铜的吸收能力非常强。在含有硫酸铜的水溶液中，经过孵育后，P5 MP 能够吸收高达每克 135.8 毫克的铜；此外，菲被用作海水中持久性有机污染物的模型，研究表明，P5 MP 吸收了溶液中 28% 的菲，其性能与聚乙烯 MP 相比毫不逊色。

不仅如此，P5 MP 还可以很好的应用于营养食品的封存。一些对人体十分关键的微量营养素，如维生素 A，对热和光极为敏感，在烹饪和储存过程中极易发生降解，从而失去营养价值。因此，研究人员巧妙地将维生素 A 封装在 P5 MP 中制成 P5-VA MP ，并进行了一系列稳定性和释放性能的测试。

图｜P5-VA MP 可稳定保存并释放维生素 A

实验结果显示，P5-VA MP 对维生素 A 的保护效果显著。在经过 2 小时的水煮后，P5-VA MP 中维生素 A 的回收率高达 83%，而游离的维生素 A 在相同条件下的回收率仅为 6%。这表明 P5 MP 能够有效地保护维生素 A 免受高温的破坏。进一步研究发现，P5 聚合物与维生素 A 之间存在着强烈的疏水相互作用，这种相互作用使得维生素 A 能够稳定地存在于 P5 MP 内部，防止其在外界环境中受到破坏。

在维生素 A 的释放性能方面，P5 MP 同样表现优异。研究人员分别在室温水、沸水和模拟胃液（SGF）中对 P5-VA MP 进行测试，发现其在不同环境下的释放行为具有明显的选择性。在室温和沸水中，P5-VA MP 几乎不释放维生素 A，即使经过 2 小时的处理，维生素 A 的释放量也极少。而在模拟胃液中，情况则截然不同，P5-VA MP 能够迅速释放维生素 A，在 10 分钟内，释放率就可达到 90%。这种在特定环境下的快速释放能力，使得维生素 A 能够在人体胃部的酸性环境中有效地被释放出来，从而提高其生物利用度，确保人体能够更好地吸收维生素 A。除此之外，实验表明 P5 MP 对其他营养元素如维生素 D、E、C 以及铁和锌等矿物质也具有良好的封装、稳定和释放效果。

目前，在雅诗兰黛资助下，研究人员进一步测试其作为清洁剂的功效及其他潜在用途，并筹备今年晚些时候开展小型人体试验，同时积极收集安全数据，向美国食品和药物管理局申请 GRAS 认证，且计划对添加了这些微珠的食品展开临床试验。

除此之外，这种 PAE MP 材料或还有更多的应用空间。如在药物递送领域，依据体内不同部位的生理环境差异实现药物的定点、定时、定量释放，提高疗效。PAE MP 也可应用于大气污染治理，吸附并降解有害气体等。总之，相信通过该材料的不断的创新优化，研究人员将挖掘出 PAE MP 材料的更多潜力！

参考文献：

1https://news.mit.edu/2024/new-biodegradable-material-could-replace-certain-microplastics-1206

2、https://www.nature.com/articles/s44286-024-00151-0

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