近日，麻省理工学院研究人员在Nature子刊《Nature Chemical Engineering》发表了题为“Degradable poly(β-amino ester) microparticles for cleansing products and food fortification”的研究性论文。文章探讨了微塑料的环境危机及麻省理工学院（MIT）开发的新型可生物降解材料的潜力。MIT的可生物降解材料由聚（β-氨基酯）构成，能够有效封装营养素并在使用后自然分解，减少微塑料产生。此材料在食品强化和清洁产品中展现了广泛应用前景，尤其对营养缺乏地区具有重要意义。

研究背景

微塑料污染是一场日益严重的全球环境危机。近期的估算表明，每年有 50 万至 800 万吨塑料被排入海洋，且增长率为 4%，其中微塑料的量达 4.9 万至 5.3 万吨。微塑料被定义为粒径从 1 微米到 5 毫米的合成固体颗粒，它们难以降解，在整个食物链中无处不在，对环境和健康构成风险。研究表明，颈动脉斑块中存在微塑料的患者面临着更高的心脏病发作、中风或死亡风险。微塑料还能将有毒化学物质带入血液，引发更多健康问题。因此，美国及其他一些地区已禁止在可冲洗型消费品中使用微塑料，欧盟委员会也提议出台更严格的监管规定。

 

缓解策略包括在废水处理中采用微米级过滤，不过由于基础设施方面的难题，该方法收效有限；还包括将塑料废弃物催化转化为其他产品。然而，用可降解的替代品取代不可降解的微塑料提供了一种可能更具可持续性的方法。在这项研究中，我们评估了一种可降解聚合物微粒（MP）平台在两种应用中作为不可降解微塑料替代品的潜力：（1）个人护理产品中的微珠添加剂；（2）用于食品强化中微量营养素口服递送的包封材料。这两种应用都依赖于微米级聚合物颗粒，且这些颗粒大多是由不可降解材料制成的。聚合物微粒在个人护理产品中被用作微珠，在食品强化中被用作控制营养物质释放的稳定剂。这些应用为多功能聚合物微粒平台替代微塑料提供了概念验证。

 

尽管可降解聚合物已得到广泛研究，但将其用作微塑料的替代品这一实施过程仍然颇具挑战性。微塑料常被有意添加到消费品中，这在很大程度上造成了微塑料的排放。用可降解聚合物来替代这些材料需要满足若干标准：外用和口服的安全性、多样的材料特性（例如，可调节的疏水性和 pH 敏感性）、可规模化生产以及成本效益。该聚合物还必须能在生物或非生物因素作用下高效降解。与天然聚合物相比，合成聚合物在可规模化生产、一致性和通用性方面具有优势。通过改变单体组成，可以对热稳定性、疏水性等特性进行微调，以满足特定应用需求，比如在口服给药时实现消化系统中的营养物质快速释放。

 

此前的研究已探索了多种可降解聚合物，将其作为不可降解塑料的替代品。然而，由于不同应用对材料有着多样化的要求，取得的成果较为有限。为满足这些需求，我们设计了一系列受天然产物启发的聚（β- 氨基酯）（PAE）聚合物，它们可通过水解作用降解，并且单体种类丰富多变。PAE 聚合物能够通过一种步骤经济的工艺合成，为大规模制造提供了切实可行的基础。我们制备出了具有可控物理性质的聚（β- 氨基酯）聚合物微粒，并证实了它们能成功作为个人护理产品和食品强化中微塑料的替代品来应用。这些微粒可降解为小分子糖类和氨基酸衍生物，这进一步凸显了它们潜在的对环境有益的特性。

 

研究结论

 

这种PAE MP平台展现出了对清洁产品及食品强化中所使用的不可降解微塑料的功能性替代作用。在清洁产品方面，作为传统不可降解微珠的替代品，PAE MPs有效提高了一种具有代表性的可冲洗型产品的清洁效率和能有效去除潜在有毒成分。在食品强化方面，PAE MPs能为多种必需的维生素和矿物质提供可靠保护，使其免受长时间烹饪及储存条件的影响，同时还能在模拟人体消化系统中实现营养物质的快速释放。总体而言，这些聚（β- 氨基酯）聚合物微粒提供了一个潜在平台，有望在全球范围内的众多应用中替代微塑料的使用。

 

图文赏析

 

 

图文摘要

 

Fig. 1: Polymer synthesis and MP fabrication with PAE.

 

Fig. 2: Degradation profile of P5 polymer and MPs.

 

Fig. 3: Use of P5 MPs as an alternative to microbeads in cleansing products.

 

Fig. 4: Stabilization and controlled release of micronutrients by P5 MPs.

 

Fig. 5: MD simulations for mechanistic study of P5-VA MPs.

 

原文链接

https://doi.org/10.1038/s44286-024-00151-0