微塑料污染是一場日益嚴(yán)重的全球環(huán)境危機(jī)。最近的估計(jì)表明，每年有50萬至800萬公噸的塑料排放到海洋中，增長率為4%，其中微塑料占49-53千噸。微塑料被定義為1μm至5mm的合成固體顆粒，具有抗降解性，在整個(gè)食物鏈中無處不在，對環(huán)境和健康構(gòu)成風(fēng)險(xiǎn)。研究表明，頸動脈斑塊中含有微塑料的患者面臨心臟病發(fā)作、中風(fēng)或死亡的風(fēng)險(xiǎn)增加。微塑料也會將有毒化學(xué)物質(zhì)帶入血液，帶來額外的健康問題。因此，在美國和其他地區(qū)，微塑料已被禁止用于沖洗消費(fèi)品，歐盟委員會也提出了更嚴(yán)格的規(guī)定。緩解策略包括廢水處理中的微米級過濾，由于基礎(chǔ)設(shè)施的挑戰(zhàn)，其成功率有限，以及塑料廢物催化轉(zhuǎn)化為其他產(chǎn)品。然而，用可降解的替代品代替不可降解的微塑料提供了一種潛在的更可持續(xù)的方法。鑒于此，麻省理工學(xué)院Ana Jaklenec、Robert Langer等研究人員評估了可降解聚合物微粒（MP）平臺在兩個(gè)應(yīng)用中作為不可降解微塑料替代品的潛力：（1）個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品中的微珠添加劑和（2）用于食品強(qiáng)化的微量營養(yǎng)素口服膠囊。這兩種應(yīng)用都依賴于微尺度聚合物顆粒，這些顆粒大多由不可降解的材料制成。MP在個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品中用作微珠，在食品強(qiáng)化中用作營養(yǎng)釋放的穩(wěn)定劑。這些應(yīng)用為替代微塑料的多功能MP平臺提供了概念驗(yàn)證。盡管可降解聚合物已被廣泛探索，但作為微塑料替代品的實(shí)施仍然具有挑戰(zhàn)性。微塑料通常被有意添加到消費(fèi)品中，對微塑料的排放有重大影響。用可降解聚合物代替這些材料需要滿足幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：局部和口服使用的安全性、多功能材料特性（例如可調(diào)疏水性和pH敏感性）、可擴(kuò)展性和成本效益。聚合物還必須在生物或非生物因素下有效降解。與天然聚合物相比，合成聚合物在可擴(kuò)展性、一致性和多功能性方面具有優(yōu)勢。通過改變單體組成，可以微調(diào)熱穩(wěn)定性和疏水性等性能，以滿足特定的應(yīng)用需求，例如消化系統(tǒng)中口服遞送的快速營養(yǎng)釋放。之前的研究已經(jīng)探索了各種可降解聚合物作為不可降解塑料的替代品。然而，由于不同應(yīng)用對材料的不同要求，成功受到了限制。為了滿足這些需求，研究人員設(shè)計(jì)了一系列受天然產(chǎn)物啟發(fā)的聚（β-氨基酯）（PAE）聚合物，這些聚合物可以通過水解降解，并提供廣泛的單體變化。PAE聚合物可以通過分步經(jīng)濟(jì)的方法合成，為大規(guī)模制造提供了實(shí)用基礎(chǔ)。研究人員配制了物理性質(zhì)可控的PAE MP，并證明了它們在個(gè)人護(hù)理產(chǎn)品和食品強(qiáng)化中作為微塑料替代品的成功應(yīng)用。這些MP可降解為小糖和氨基酸衍生物，進(jìn)一步突顯了它們潛在的環(huán)保特性。研究人員用三種特殊的化學(xué)物質(zhì)（哌嗪、TDP和一種改性的糖）制作了一種新型的塑料（PAE聚合物）。研究人員調(diào)整了這些成分的比例，制造了五種不同的塑料，并測試了它們是否適合用來制作微塑料顆粒（MPs）。其中，P3、P4和P5這三種塑料可以成功地制作成需要的微塑料顆粒，而P1和P2則不行。特別地，P5塑料因其完美的球形和光滑表面而被選中進(jìn)行更深入的研究。這種形狀和表面對于清潔產(chǎn)品和食品添加劑的應(yīng)用非常重要。P5塑料在水中可以快速降解，變成更小的分子，這對于環(huán)保來說是個(gè)好消息。此外，P5塑料在室溫下穩(wěn)定，但在酸性條件下會溶解，這使得它在食品工業(yè)中很有用，比如可以在胃中釋放包裹的物質(zhì)。總的來說，P5塑料是一種有潛力替代傳統(tǒng)微塑料的環(huán)保材料。研究人員測試了P5塑料顆粒在肥皂泡沫中去除筆跡和眼線的效果，這些測試是在豬皮上進(jìn)行的，豬皮用來模擬人的皮膚。研究人員把P5顆粒加到肥皂泡沫里，然后用來擦掉豬皮上的筆跡。結(jié)果顯示，加了P5顆粒的肥皂泡沫清潔效果更好，比只用肥皂擦的效果好很多。研究人員還比較了P5顆粒和其他可降解材料的清潔效果，發(fā)現(xiàn)P5顆粒的清潔效果最好。此外，P5顆粒還能很好地吸收可能有害的重金屬，比如銅，這比聚乙烯顆粒和其他去角質(zhì)劑的效果好。總的來說，P5顆粒在清潔和安全性方面都表現(xiàn)得更好。圖|在清潔產(chǎn)品中使用P5 MP作為微珠的替代品P5 MP的微量營養(yǎng)素穩(wěn)定和口服給藥P5塑料顆粒可以幫助在食品中添加和保護(hù)微量營養(yǎng)素，這對全球約20億缺乏這些營養(yǎng)素的人很重要。研究人員用維生素A（VA）來做實(shí)驗(yàn)，因?yàn)樗菀自谂腼兒蛢Υ鏁r(shí)被破壞，而且對兒童健康很重要。研究人員發(fā)現(xiàn)P5顆粒能很好地保護(hù)VA，即使在高溫下煮2小時(shí)，也能保留大部分VA。這比沒有用顆粒保護(hù)的VA效果好很多。P5顆粒還能在模擬胃液中快速釋放VA，這有助于人體吸收。研究人員還測試了P5顆粒在不同條件下保護(hù)VA的能力，包括沒有冷藏的情況下長時(shí)間儲存。結(jié)果表明，P5顆粒能顯著提高VA的穩(wěn)定性，即使在室溫下存放6個(gè)月，也能保留大部分VA。此外，P5顆粒不僅能保護(hù)VA，還能保護(hù)其他重要的營養(yǎng)素，如維生素D、E和C，以及鐵和鋅等礦物質(zhì)。這對于在家庭環(huán)境中長期儲存和烹飪條件下保持食品中的營養(yǎng)素非常有幫助。總的來說，P5塑料顆粒在食品強(qiáng)化和營養(yǎng)素保護(hù)方面顯示出了很大的潛力。圖|P5 MP對微量營養(yǎng)素的穩(wěn)定和控制釋放P5聚合物的合成可擴(kuò)展性和安全性評價(jià)研究人員檢查了P5聚合物大量制作和制造微塑料顆粒的能力，這對商業(yè)用途很重要。確保了P5聚合物的質(zhì)量符合FDA的標(biāo)準(zhǔn)，包括它的分子量和雜質(zhì)含量。他們還計(jì)算了人們每天需要吃多少P5聚合物來幫助維生素A的吸收，并確認(rèn)這個(gè)量是安全的。研究人員成功地制作了不同批量的P5聚合物，包括10克和100克的批次，質(zhì)量都很穩(wěn)定。我們還證明了可以用常見的方法大量制造P5微塑料顆粒。此外，測試了P5聚合物的安全性，發(fā)現(xiàn)它在可能被吃下的劑量范圍內(nèi)是安全的，不會傷害細(xì)胞。即使在更高劑量下，P5聚合物及其分解產(chǎn)物對細(xì)胞也是安全的。這些測試結(jié)果可以相信P5聚合物可以用在食品強(qiáng)化中，是安全的。研究人員用電腦模擬來研究P5聚合物的性質(zhì)，看看它和別的塑料比怎么樣。發(fā)現(xiàn)P5聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，適合加工和使用。還研究了P5聚合物怎么保護(hù)維生素A（VA）。電腦模擬顯示，VA分子能被P5聚合物很好地包裹在里面，即使聚合物降解了，也能保護(hù)VA。這個(gè)發(fā)現(xiàn)說明P5聚合物即使在降解后也能在一定程度上保護(hù)VA，這和實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。研究人員還比較了P5和P1聚合物，發(fā)現(xiàn)P5的分子穩(wěn)定性更好，更適合用來做微塑料顆粒和保護(hù)VA。這些研究結(jié)果幫助我們更好地理解了P5聚合物的能力，并為將來改進(jìn)提供了方向。圖|用于P5-VA MP機(jī)理研究的MD模擬微塑料污染是一個(gè)迫切的環(huán)境和健康問題，引起了全球的關(guān)注。歐盟和包括美國和英國在內(nèi)的多個(gè)國家對大量故意使用微塑料材料的產(chǎn)品實(shí)施了嚴(yán)格的規(guī)定，包括禁止在個(gè)人護(hù)理沖洗產(chǎn)品和食品強(qiáng)化劑中使用微塑料。由于末端策略（如廢水處理過程中的過濾）取得的成功有限，用環(huán)保的可降解材料代替不可降解的微塑料為減輕微塑料污染提供了一種潛在的更可持續(xù)和有效的方法。在這項(xiàng)研究中，研究人員提出了一種潛在的可持續(xù)方法來對抗全球微塑料污染：一種受天然產(chǎn)品啟發(fā)的可降解PAE MP平臺，有可能取代化妝品中的微塑料和口服微量營養(yǎng)素輸送。PAE聚合物具有高降解性和令人滿意的材料性能，包括疏水性和pH敏感性，以滿足兩種不同應(yīng)用的需求。已建立的聚合物合成和MP制造的潛在可擴(kuò)展性進(jìn)一步將這類聚合物作為全球使用的潛在材料，作為不可降解微塑料材料的替代品。Zhang, L., Xiao, R., Jin, T. et al. Degradable poly(β-amino ester) microparticles for cleansing products and food fortification. Nat Chem Eng (2024).https://doi.org/10.1038/s44286-024-00151-0
