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用可生物降解“蜘蛛丝”代替价值数十亿美元的产业——传统的胶水

小将 生物降解材料研究院 2022-04-23

生物降解材料研究院原创报道:
一、合成粘合剂代替天然天然蛋白粘合剂




发表在国际期刊《Materials Today Bio》上的一项研究表明,蜘蛛丝胶可用于将玻璃粘在一起,这种蜘蛛丝胶初始粘附强度等级为6.28,相比于商业专用玻璃胶,后者强度为11.9。这项新突破为这个每年价值数十亿美元的产业(合成粘合剂)提供了一系列可持续的替代品。


在合成粘合剂出现之前,天然蛋白如:胶原蛋白(来源于动物蹄),酪蛋白(来源于奶酪)和面筋(来源于谷物)被广泛用作粘合剂直到我们发明了化学合成方法,从原油中制造粘合剂。
如今,以蛋白质为基础的胶体几乎已经完全被合成替代品所取代,合成替代品的生产规模巨大,2010年全球市场总额达410亿美元。这种从石油中提取的工业过程大大增加了全球温室气体和挥发性有机化合物(VOCs)的排放,因此需要替代品。
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二、“蜘蛛丝质”绿色粘合剂



曼彻斯特大学的研究人员发现,他们自制的合成蜘蛛丝胶和商用粘合剂一样有效,而且对环境无害。

这种胶水是通过诱导无害细菌产生蛛丝来制造的,此外还有它们的正常蛋白质。然后给细菌喂食糖和营养物质,通过发酵产生蜘蛛丝胶。这个过程类似于发酵啤酒,但用蜘蛛丝胶代替酒精。
负责这项研究的曼彻斯特生物技术研究所的埃尔德·罗伯茨博士说:“我们发现,粘附的机制是由于蛋白质的展开和重组,形成了一种富含β-Sheet密集氢键结构。(注:β-折叠(β-sheet)是蛋白质中的常见的二级结构,是由伸展的多肽链组成的。这很有趣,因为天然蜘蛛丝在蜘蛛吐丝的过程中也经历了类似的转变,变成了丰富的β-Sheet结构——这也被认为是蜘蛛丝如此坚韧的原因。Kevlar凯夫拉尔纤维的强度来自于这种密集的氢键网络。
这些发现将有助于其他蛋白质粘合剂的设计和配方,经过进一步优化,可以与商业原油粘合剂竞争,并像过去一样为我们提供可再生、可生物降解的绿色粘合剂。

许多生物体产生专门的蛋白质,专门用于粘附。

如:贻贝能产生一种强蛋白质粘合剂,使它们能在粗糙的潮间带粘住光滑的岩石。


注:“粘人”的贻贝

蜘蛛还能产生坚韧的丝质胶,用来捕捉蛛网上快速移动的昆虫。


世界正在从化石燃料转向可再生能源的未来越来越需要用更环保的替代品来取代二氧化碳密集的原油衍生粘合剂。一种选择可能是回归到以蛋白质为基础的胶,它的特性可以利用合成生物学的工具来设计和优化。
与合成的原油粘合剂不同,这些蛋白质粘合剂是水性的、无毒的、可降解的、对环境不持久的。它们还可以在温和的条件(环境温度和压力)下生长,并可以通过无化石燃料的绿色合成路线——类似于啤酒发酵的过程来生产。
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