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    西安吳文塑料瓶轉-哈佛大學《Nature子刊》工程生物膜水處理,生物降解和涂覆水塑料

    轉載注明:西安塑料瓶  www.celcesl.com 發布時間: 2021-03-20 10:30:36 點擊次數: 538

     西安塑料瓶轉載網絡:基于石油化學的塑料不僅污染了全球各地,而且由于其不可生物降解性,還對生態系統造成了潛在的不可逆轉的破壞。由于生物塑料的數量有限,迫切需要設計和開發更多可生物降解的替代品以減輕塑料的威脅。最近,哈佛大學Neel S. Joshi教授團隊報告了水塑塑料,這是一類新型的基于微生物生物膜的可生物降解生物塑料,可水處理,堅固,可模板化和可涂覆。相關論文以題為Water-processable, biodegradable and coatable aquaplastic from engineered biofilms發表在《Nature Chemical Biology》上。

    在此,對大腸桿菌進行了基因工程改造,以生產基于蛋白質的水凝膠,然后在環境條件下將其澆鑄和干燥,以生產可耐受強酸/堿和有機溶劑的水塑料。此外,可以使用水對水塑塑料進行修復和焊接,以形成三維結構。直接的微生物制造,水加工性和生物降解性相結合,使水塑料成為一種獨特的材料,值得在包裝和涂料應用中進一步探索。

    【圖文解析】

    作者證明了水塑料是一種新型的可水處理的生物塑料,它是從細菌培養物中直接純化而來,只需很少的純化,就可以很容易地從水凝膠狀態加工成大塊材料(圖1a–c)。水塑料的機械性能可與石化塑料和其他生物塑料相媲美。此外,水塑料具有獨特的水可加工特性,稱其為水塑,水焊和水修復。

    圖1:直接從工程微生物生物膜中制備水生塑料。a–c,通過基因工程細菌的水生塑料制造原理圖,這些細菌經過編程可生產基于卷曲纖維的功能性水凝膠,該水凝膠可模制成二維(2D)和三維(3D)結構(a),并進行水模焊接(b)和水上修復(c)。SDS,十二烷基硫酸鈉;GdmCl,氯化胍。d,生物膜水生塑料的圖像(左),curli水生塑料(中間)和生物膜水生塑料的柔韌性(右)。比例尺,0.5 cm。e,3D模制的水生塑料的圖像:碗,圓錐,球體和圓柱體。比例尺,1 cm。

    水塑料的理化特性

    熱重分析(TGA)表明,高于200 aC時,生物膜水生塑料和卷曲水塑料都開始降解(圖2a)。對水族塑料的差示掃描量熱法(DSC)分析顯示,在冷卻周期中,分別在150°C和145°C下生物膜水塑料和卷曲水塑料的玻璃化轉變(圖2b)。生物膜水塑料和卷曲水生塑料的廣角X射線散射分析(WAXS)揭示了CsgA的交叉β二級結構的特征特征,d間距(晶面間距)值為0.98 nm和0.46 nm(圖2c)。分別對應于β-折疊之間和β-折疊內部的距離,并表示通過水生塑料加工步驟可保持卷曲的淀粉樣蛋白結構20。首先通過納米壓痕研究了水塑料的力學性能,其楊氏模量值(E)分別為2.2±0.7 GPa(生物膜水塑料)和4.3±0.9 GPa(卷曲水生塑料)(圖2d-g)。發現最大載荷下相應的硬度(H)值為167±109 MPa和252±140 MPa,而屈服強度(σy)值(使用關系σy= H/3估算)為55±36 MPa和84分別為±47 MPa 22。在水塑薄膜上進行的拉伸試驗清楚地表明了材料的塑性變形(圖2h)。生物膜水族塑料表現出E = 1±0.2 GPa(圖2i),極限抗張強度(σ)為18±5 MPa(圖2j),抗張韌性(UT)為102±57 MJ m-3。

    圖2:水塑料的物理和化學性質。a–c,TGA溫度曲線圖(a),DSC溫度曲線圖(b;加熱周期,實線;冷卻周期,虛線)和生物膜水生塑料和卷曲生水塑料的WAXS強度分布圖(c)。d–g,通過納米壓痕測試獲得的生物膜水塑料和卷曲水塑料的力學性能:在單個壓痕周期(d),最大楊氏模量(e),硬度(f)和屈服下最大壓痕載荷為1 mN時的載荷-位移曲線 強度(克)。對于生物膜水生塑料,n=128,對于卷曲水塑料,n = 82。h–j,通過拉伸試驗獲得的生物膜水塑料和卷曲水塑料的力學性能:應力-應變曲線(h),楊氏模量(i)和極限抗拉強度(j)。k,基于暴露于廢水來源的微生物財團后的質量損失,與納米纖維素相比,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

    水塑料制造的另一個特征是能夠在干燥過程中將圖案模板化到其表面上。 對于這兩種類型的水塑塑料,在由30至35μm寬的纖維組成的尼龍網片上干燥凝膠前驅體會導致網狀圖案以高保真度轉移到干燥的薄膜上(圖3b)。

    圖3:耐化學腐蝕的水族塑料及其模板化的表面結構特性。a,圖像顯示了在有機溶劑(正己烷,氯仿),強酸(98%的硫酸)和強堿(18 M的氫氧化鈉)中暴露2分鐘或24小時后1平方厘米水生塑料樣品的穩定性 。比例尺,1 cm。b,場發射掃描電子顯微鏡(FESEM)圖像顯示了通過環境干燥在各種表面(上排)上對生物膜水凝膠進行模板化而在生物膜水上塑料上轉移的圖案(下排)。

    可水處理的水塑料

    盡管水塑料在暴露于水后會重新水化的趨勢阻礙了它們在某些應用中與石化塑料的直接比較,但這確實導致了不尋常的并且可能是有益的材料性能特征。將少量微升的水倒在劃痕上,使其風干2分鐘(圖4a)。在橫向水焊接膜上進行的拉伸試驗表明,E=605±206 MPa,表明水塑塑料可以有效地與水焊接(圖4c,d)?梢岳眠@種策略來創建自立式3D結構,例如占地4 cm×4 cm的微型房屋,該房屋由10個水焊板組成(圖4e)。

    圖4:水塑料的水生修復和水生焊接。a,通過在磨損部位加水使水生生物膜的劃痕和劃痕愈合。比例尺,20μm。b,以平行和垂直方向對兩個生物膜水塑板進行水焊。比例尺為5毫米(光學圖像)和20微米(FESEM圖像)。c,水熔生物膜水塑塑料的應力-應變曲線。d,通過水焊生物膜水族塑料的拉伸試驗獲得的楊氏模量(n = 5)。條形圖顯示平均值。誤差棒代表標準偏差。e,一種3D架構,一種由塑料焊接2D面板構成的塑料房屋。比例尺,1 cm。

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