[市场动态]：天津大学研发出DNA生物塑料，加点水就能回收

12月6日，记者从天津大学了解到，该校仰大勇教授团队联合中石油石化研究院研发出新型DNA生物塑料，有望在部分应用领域替代石油基塑料。该成果已发表于权威期刊《美国化学会志》。

“DNA的本质是一种化学结构和生物功能都能精准可控的绿色天然生物高分子，具有生物相容性好等优势，是极具发展潜力的新型功能材料，特别是面向生命健康领域的生物医用材料。”仰大勇在接受记者采访时表示，近年来其团队聚焦DNA生物功能材料化学组装与智能制造，并用于生命分析和疾病治疗，取得了突出成果。

在DNA生物塑料的开发方面，仰大勇团队提出可持续DNA生物塑料的概念，发展了生物质DNA与可再生离聚物组装的新策略，利用DNA与离聚物之间的非共价键相互作用形成复合水凝胶，并开发了一种低温加工DNA材料的新方法，进而将DNA/离聚物复合水凝胶转化为生物塑料，生产、使用和回收全过程均与生态环境友好兼容。

这种塑料原料均来源于生物可再生资源，包括天然DNA和离聚物，原料来源丰富。与石油基塑料熔融加工策略相比，这种新型DNA塑料的加工能耗仅不到5%，还可以通过无损回收策略制成新的塑料制品使用，也可以在DNA酶作用下实现可控降解。

据仰大勇介绍，现有的工业化设备可以快速地从植物、藻类和细菌中大量提取生物质DNA，利用这些设备可以实现DNA年产量达数十万吨，新型DNA塑料有巨大的量产化潜力。

在应用方面，DNA生物塑料的可折叠性和低温稳定性优异，可加工成多腔室微结构，有望在生物传感、药物递送和组织工程等生物医学领域发挥重要的作用。仰大勇团队构建了含有多种功能模块的DNA网络水凝胶，实现肿瘤浸润T细胞的高效、特异性和无损分离，取得了显著的免疫治疗效果，为分离重要生物颗粒提供了新策略，为重大疾病的免疫治疗开拓了新路径。

DNA塑料还可被加工成生物贴片，结合DNA分子独特的生物学特性，在生物医学领域发挥作用。DNA塑料优异的可折叠性和低温稳定性，在柔性电子皮肤和软机器人等领域也展现出良好应用前景。随着水溶性聚合物薄膜应用日益广泛，DNA塑料还可以应用于日常生活中。

中石油石化研究院张坤玉教授介绍说，新型功能化离聚物不仅可以用于DNA塑料合成，也可以作为其他天然高分子材料和生物基塑料的改性原料，制备高性能多元材料，拓宽聚乳酸等生物基塑料的应用范围。目前，中石油石化研究院正致力于离聚物—天然高分子—可降解树脂的新型绿色材料的开发与应用。

中石油石化研究院何盛宝院长表示，研究院目前已成立了氢能、生物化工和新材料研究所，旨在探索颠覆性的新能源新材料，以应对全球新一轮产业革命的到来和日益严峻的环境能源危机。此次与天津大学合作研发的DNA可持续生物塑料是该领域的创新性成果之一。

塑料工业是国民经济的支柱产业，我国每年进口的石油资源约1/3用于合成塑料制品，塑料加工制品的产量和消费量均居世界第一。塑料原料提取过程耗能高、污染高，产生大量温室气体和化学副产物。目前全球每年产生几千万吨塑料垃圾，且这一数字正以惊人的速度逐年增加。

大量石油基塑料的废弃是对不可再生资源的巨大浪费，同时也极大加剧能源危机。发展可循环使用的生物基塑料成为解决塑料污染、缓解碳排放问题的有效手段，特别是发展生态环境友好材料，成为目前学术界和产业界的前沿研究热点。

DNA是生命遗传物质，在大自然中广泛存在，是一种取之不尽、用之不竭的生物高分子。据统计，地球目前DNA总储量约为500亿吨。如果将其中的小部分DNA转化为DNA塑料，理论上可以有效缓解日益增长的塑料使用需求。

DNA生物塑料原料中的DNA来自废物生物质分离提取，离聚物来源于生物柴油副产品甘油。而且采用低温加工方法将DNA、离聚物复合水凝胶转化为生物塑料，过程无副产物产生和有机溶剂的使用。DNA塑料回收不涉及高分子链断裂，是一种无损、低能耗的简易塑料回收策略。

天津大学科学家研发可持续DNA生物塑料，生产全流程绿色环保，废弃后加点水就能回收

很多人都知道DNA是生命的遗传物质，而在科学家眼里，DNA还能做成塑料。

日前，天津大学化工学院仰大勇教授团队制备出一种DNA生物塑料，并做出一只塑料杯子作为展示。

由于原料和DNA有关，他们还用该塑料做出两个DNA双螺旋结构的展示品。

此外，DNA塑料可以加工成任意形状，如长方体、三角形棱柱和圆柱体。

11月14日，相关论文以《Sustainable Bioplastic Made fromBiomass DNA and Ionomers》（由生物质DNA和离聚物制成的可持续生物塑料）为题发表在JACS上[1]。

天津大学化工学院博士&现浙江大学博士后韩金鹏为第一作者，仰大勇教授担任通讯作者，中石油石化研究院教授张坤玉参与合作。

什么样的生物材料，才能真正“治本”？

目前，全世界每年都有5100-8800万吨塑料垃圾，增长速度亦很惊人。不少科学家都在研发生物塑料，它们一般由多种生物质制成，比如纤维素、壳聚糖、植物油、蛋白质和淀粉。

尽管比石油基塑料更环保，但一些生物塑料的生产、使用和报废，并未严格遵循绿色方法。其次，不少原料来自农作物，因此会和人口粮食产生竞争。

另外在回收工艺上，主要利用高温、强酸、强碱条件，以及使用可产生活性物质的催化剂，这会降低回收后塑料的机械性能。

如何从根源上缓解石油基塑料带来的问题？仰大勇教授团队认为，只有原料来源丰富、加工过程绿色、可降解且可循环使用的新材料，才可真正做到“治本”。由于该小组一直专注DNA研究，为此他们打算制备DNA塑料。

地球蕴含500亿公吨DNA，可很好满足塑料使用需求

DNA是一种携带遗传密码、并可在活细胞内形成扭曲的双螺旋结构，近年来它已成为一类功能性纳米材料，并被用于合成聚合物材料如DNA纳米颗粒、水凝胶和树枝状DNA结构等。

作为一种取之不尽、用之不竭的生物高分子，DNA可从动植物和微生物等生物体内提取。当前地球的DNA总储量大约在500亿公吨，只需把一小部分转为DNA塑料，即可让塑料使用需求得到更好的满足。

此次制备出的DNA塑料由鲑鱼精DNA和离聚物制成。这些DNA长链与源自生物甘油的离聚物相互作用，将这些链结合在一起，就会产生一种柔软且具有延展性的水凝胶，这时使用模具，即可塑造成不同的形状，再进行冷冻和干燥，即可去除水分并使其固化。

除了DNA，塑料的另一主要成分是离聚物，它也是一种生物可再生资源。作为一类分子链结构中具备阴阳离子基团的聚合物，离聚物同时具备高分子和离子液体等优点，其在智能响应材料和自修复材料等领域的应用潜力也得到验证。

一般来说，聚合物被热压入塑料中，需要高温才能熔化和加工聚合物，这等于是一个高能量消耗的过程，包括聚合物链的断裂和塑料质量的下降。

为改善上述情况，仰大勇教授和团队提出一种完全不同的冷冻干燥过程，将物理交联的DNA水凝胶转化为可持续的DNA塑料，即可实现较低能量的消耗。

用冷冻干燥法处理DNA塑料的流程如下：首先，制备超软DNA凝胶，并符合模具的形状。然后应用冷冻干燥，通过在真空条件下去除剩余的水，将DNA凝胶转化为形状塑料。

作为演示，他们制备了一种具有DNA双螺旋结构形状的DNA塑料。在紫外线下，用DNA特异性染料(GelRed)染色的DNA塑料显示出亮红色荧光，这表明整个塑料都是由DNA组成的。

在实际应用中，塑料的变形、损坏、老化不可避免，严重缩短了塑料的使用寿命。因此，迫切需要可回收和无损地使用塑料。

值得注意的是，而DNA塑料可以实现这个目标。该团队用最绿色的溶剂水来软化DNA塑料，即可形成不成形的凝胶。为了将DNA塑料加工成3D结构，该团队开发了一种水触发的分子组装过程，并使用这种工艺制备出文章开头的塑料杯。

塑料杯的制备流程如下：首先，一个塑料杯的三个结构部分，包括手柄、底座和机身，分别通过冷冻干燥进行处理。之后，在这些部件的接头处涂上一点水，以软化塑料，使接头处的DNA网络显示出类似液体的性质，以促进组装过程。将塑料杯风干2min后，制备一个独立、稳定的DNA塑料杯。

使用低温加工方法，DNA和离聚物之间的非共价键相互作用可得到巧妙利用，这时DNA和离聚物的复合水凝胶，即可转为生物塑料，期间无需使用有机溶剂，也不会产生化学副产物。相比石油基塑料的熔融加工法，DNA塑料在常温加工中仅产生不到5%的能耗。

为了验证尺寸的稳定性，他们将一个圆柱形的DNA塑料在室温下孵育2个月。结果表明，该塑料在2个月内保持了原来的形状且没有降解。考虑到DNA在干燥状态下的良好稳定性，其认为DNA塑料可以在较长的时间内保持尺寸稳定性。

为了验证紫外线辐射对DNA塑料稳定性和可回收性的影响，将GelRed染色的三角形棱柱形DNA塑料在封闭室中进行紫外线辐射40min。辐射强度是来自阳光的1万倍。43在40min范围内，未观察到形状变形和刚度的变化，这表明DNA塑料在紫外线辐射下具有良好的耐久性。

而为了验证DNA塑料的生物相容性，该团队进行了细胞毒性试验。结果证实了DNA塑料具有较高的生物相容性。此外，DNA塑料可以用作细胞生长的细胞培养基质。

废弃DNA塑料的处理有两种办法：其一，可使用无损回收策略，将其重新制成塑料，回收时高分子链不会断裂，具备简易、无损、低能耗等优势；其二，可借助DNA酶的作用，实现可控降解。即在使用寿命结束时，通过受控酶促过程，就能在温和条件下实现回收或降解处理；其三，通过可再生和非破坏性使用，还可延长DNA衍生生物塑料的使用寿命。

有望同时应用于生医领域和日常生活

尽管DNA的大规模生产仍然是一个挑战，但该团队已经发现了几种实现吨级DNA生产的潜在方法。

比如，在食品工业中，水果产量每年产生2.66亿吨浮渣废弃物，可用于提取27万吨DNA。

在生物制药行业，抗生素生产期间每年产生的微生物残留量为1400万吨，每年提供14万吨DNA。

在生物乙醇行业，数据显示商业市场每年可提供200万吨干酵母，提取6000吨DNA。

在开花的藻类工业中，干藻类的商业产量为每年1.5万吨，每年提取DNA450吨。

为了在工业环境中快速生产DNA，从藻类和细菌中提取DNA更加成熟和容易，一般生产周期约为3天。

鉴于DNA的高度生物相容性，再加上DNA分子本身的独特生物学特性，因此可用于生物医学领域。比如，DNA塑料可被做成生物贴片和多腔室微结构，进而在生物传感、药物释放上发挥重要作用。

DNA塑料即使在−80°的低温下也表现出良好的折叠回收性，因此在极寒冷天气条件下的电子皮肤和软机器人中具有很大的应用潜力。

而它的低温稳定性和可折叠性，也是用于柔性电子皮肤和软机器人等领域的“材料种子选手”。此外，在水溶性聚合物薄膜的应用前景激励之下，若干年内老百姓也有望用上DNA塑料。

仰大勇教授表示，未来通过进一步研究开发，有望在部分应用领域替代石油基塑料，从而缓解当前石油基塑料使用所引起的环境和社会问题。