受桑蠶啟發(fā)的納米纖維簡(jiǎn)便紡織技術(shù)

Nano Letters

你知道嗎，絲綢是由桑蠶吐絲制成的？目前，桑蠶通過其分泌的黏液作繭的方式幫助科學(xué)家更加輕松地制造新型生物醫(yī)用材料。在美國化學(xué)會(huì) Nano Letters 發(fā)表的一篇論文中， 作者通過模擬桑蠶看似簡(jiǎn)單的點(diǎn)頭動(dòng)作，制作出了超細(xì)纖維和納米纖維。其優(yōu)勢(shì)在于，纖維的質(zhì)地更加均勻，所需的設(shè)備更少。

在許多領(lǐng)域，納米纖維已成為頗具吸引力的熱門材料，包括傷口敷料和柔性電子設(shè)備。但納米纖維的制造難度相當(dāng)大，尤其是在生產(chǎn)納米級(jí)纖維時(shí)，后者的厚度僅為人類頭發(fā)的幾千分之一。最近開發(fā)的納米纖維紡織技術(shù)或者過于復(fù)雜，或者速度較慢，或者生產(chǎn)的纖維質(zhì)地粗糙。然而，也許桑蠶才是一種適當(dāng)?shù)摹敖鉀Q方案”。這種蠕動(dòng)的小動(dòng)物在唾液中分泌一種雙蛋白溶液，并通過其連續(xù)吐出長長的細(xì)絲。此后，桑蠶反復(fù)吐出這種單根細(xì)絲并將其粘在身上直到織成蠶繭將其包住為止。人們隨后會(huì)將蠶繭解開并織成絲綢。受桑蠶啟發(fā)，四川大學(xué)的 Yu Wang、Wei Yang、Xuewei Fu 和同事們希望開發(fā)一種納米纖維紡織技術(shù)，能夠以最少的設(shè)備，快速、簡(jiǎn)便地生產(chǎn)出連續(xù)均勻的細(xì)絲。

為制作這些細(xì)絲，研究人員將大量細(xì)小的納米針插入浸泡過環(huán)氧乙烷溶液的一塊泡沫中，然后在隨后的微粘附引導(dǎo)（MAG）紡織過程中將其拔出。通過模擬桑蠶吐絲的頭部移動(dòng)方式，能夠制作出不同類型的細(xì)絲：直拉可以造出有規(guī)律的定向纖維；搖擺或振動(dòng)可以造出交聯(lián)纖維；旋轉(zhuǎn)針頭陣列可以造出扭曲的“一體”纖維。此外，不同于此前的技術(shù)，它們所生產(chǎn)的細(xì)絲不會(huì)相互纏繞。

另一種更加簡(jiǎn)化的 MAG 紡織技術(shù)甚至不需要微型針頭。使用這種技術(shù)時(shí)，泡沫的自然粗糙質(zhì)地可以充當(dāng)微型針頭的粘附點(diǎn)。研究人員將兩塊泡沫浸入上述高分子溶液中，然后將其拿出、分開，輕松實(shí)現(xiàn)了兩條細(xì)絲的快速紡織。他們利用這種方法將細(xì)絲拉出并直接纏在人體皮膚上，得到一種快速成型的定制繃帶。這些繃帶纖維還含有一種抗生素，可抑制細(xì)菌的生長。研究人員表示，這項(xiàng)研究為納米纖維在生物醫(yī)用領(lǐng)域的未來應(yīng)用開辟了新天地。

作者感謝中國國家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中央高?；究蒲谢鸬馁Y助。

文章原題 ：

Biomimetic Microadhesion Guided Instant Spinning

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c03297

紫外線殺菌燈：殺菌消毒和空氣質(zhì)量之間的取舍

Environmental Science & Technology Letters

當(dāng)寒冬來襲，人們呆在室內(nèi)的時(shí)間更多，這為新冠病毒（SARS-CoV-2）和流感等空氣傳播病原體的肆虐提供了可乘之機(jī)。紫外線滅菌（GUV）燈可對(duì)流動(dòng)空氣殺菌，但其所含的短波紫外線（UVC）有可能將空氣傳播的化合物轉(zhuǎn)化為潛在的有害物質(zhì)。在美國化學(xué)會(huì) Environmental Science & Technology Letters 發(fā)表的一篇研究論文中， 作者對(duì)UVC滅菌燈引發(fā)的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行了建模，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，這些滅菌燈在殺滅病毒的同時(shí)會(huì)產(chǎn)生空氣污染物。

Computer models suggestthat germicidal UVC lamps could have benefits in environments at high risk ofairborne pathogen transmission.  Credit: KorayCakir/Shutterstock.com

長期以來，消毒 UVC（滅菌UV）燈一直都是快速殺滅室內(nèi)空氣傳播病原體的有效方法，成本效益明顯。其中一種方案使用的是254 nm波長燈管，有可能對(duì)人眼和皮膚造成損傷。這種設(shè)備需要安裝在吊頂附近或通風(fēng)管道內(nèi)。最近，科學(xué)家提倡采用222 nm波長滅菌燈進(jìn)行全屋消毒，因?yàn)橛袌?bào)道稱，該波長對(duì)人體更加安全。

然而，UVC 燈有可能引發(fā)許多化學(xué)反應(yīng)。例如，這種燈會(huì)導(dǎo)致空氣中的分子分解形成羥自由基和臭氧等強(qiáng)氧化劑。這些氧化劑可能將空氣中存在的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）轉(zhuǎn)化為過氧化物和羰基化合物，它們會(huì)被 UVC 等進(jìn)一步分解成有機(jī)自由基。這些強(qiáng)氧化劑和有機(jī)自由基通過二次反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生額外的 VOC 和顆粒物，其中一些產(chǎn)物有可能對(duì)人體健康產(chǎn)生不利影響。然而，GUV 系統(tǒng)中通過這些二次反應(yīng)產(chǎn)生的潛在化合物含量目前尚未得到研究。因此， Zhe Peng、Shelly Miller 和 Jose Jimenez 希望利用計(jì)算機(jī)模型，評(píng)估這兩種UVC空氣清潔系統(tǒng)在一般室內(nèi)條件下對(duì)消毒效果和空氣質(zhì)量所產(chǎn)生的潛在影響。

通過計(jì)算機(jī)模擬，研究人員估算了三種室內(nèi)情景下的新冠病毒（SARS-CoV-2）清除率和產(chǎn)生的二次 VOC。這三種情景分別對(duì)應(yīng)不同室內(nèi)通風(fēng)率。最初結(jié)果顯示，與僅采取通風(fēng)措施相比，這兩種 UVC 波長可以顯著降低新冠病毒（SARS-CoV-2）感染風(fēng)險(xiǎn)。模型還預(yù)測(cè)這兩種系統(tǒng)會(huì)與室內(nèi)空氣中存在的 VOC 發(fā)生二次反應(yīng)。盡管可能產(chǎn)生的 VOC、臭氧和顆粒物數(shù)量很少，但模型估算的含量卻不容忽視。

根據(jù)這些結(jié)果，研究團(tuán)隊(duì)建議在空氣傳播病原體傳播風(fēng)險(xiǎn)高的環(huán)境中使用 GUV 系統(tǒng)，因?yàn)槌氖找婵梢詮浹a(bǔ)額外空氣污染物所產(chǎn)生的影響。然而研究員指出，這項(xiàng)研究得到的結(jié)果僅限于專為計(jì)算機(jī)模型挑選的環(huán)境，可能與真實(shí)環(huán)境存在差別。

作者感謝美國科羅拉多大學(xué)博爾德分校環(huán)境科學(xué)合作研究所（CIRES）創(chuàng)新研究項(xiàng)目和 Balvi Filantropic 基金的資助。

文章原題：

Model Evaluation of Secondary Chemistry due to Disinfection of Indoor Air with Germicidal Ultraviolet Lamps

https://doi.org/10.1021/acs.estlett.2c00599

胰島素片研發(fā)的一大突破

ACS Nano

對(duì)于數(shù)百萬糖尿病患者而言，胰島素是一種救命藥。然而與許多其他藥物不同的是，胰島素不能直接通過服用藥丸進(jìn)行輸送，需要采用注射器或皮下泵進(jìn)行注射。長期以來，研究人員一直在研制胰島素片。目前，有研究團(tuán)隊(duì)在 ACS Nano 上報(bào)告稱， 他們用一種由化學(xué)“微型電機(jī)”驅(qū)動(dòng)的口服藥片將胰島素成功輸送至大鼠結(jié)腸。

Chemical “micromotors,” as illustrated here, can effectively deliver insulin in rats without an injection.

Adapted from ACS Nano, 2022, DOI: 10.1021/acsnano.2c07953

糖尿病患者很難調(diào)節(jié)自身血糖水平，因?yàn)槠潴w內(nèi)只能合成少量或無法合成胰島素。合成胰島素已問世一百多年，但其通常是通過注射或植入泵進(jìn)行給藥的。糖尿病患者一天之內(nèi)通常需要多次注射胰島素。頻繁注射帶來的痛苦，導(dǎo)致一些患者無法在正確的時(shí)間服用推薦劑量。

這種藥物采用口服形式比較理想，但在它被腸道吸收并進(jìn)入血液之前，胃部的惡劣環(huán)境會(huì)分解并中和這種激素。以往的嘗試是通過口服微型或納米載體來保護(hù)胰島素免受胃酸的影響，但前提是，胰島素需要被動(dòng)擴(kuò)散至結(jié)腸內(nèi)膜細(xì)胞中，但這種方式的效果并不理想。一種更好的方法是，在體內(nèi)主動(dòng)移動(dòng)藥物，比如最近報(bào)告的一種機(jī)器人膠囊，后者可以鉆進(jìn)小腸的厚粘膜層來輸送藥物。南方醫(yī)科大學(xué)的  Yingfeng Tu 、中山大學(xué)的  Fei Peng、Kun Liu 和同事希望通過他們制作的裝有胰島素的迷你藥片實(shí)現(xiàn)類似的效果。這種迷你藥片裝有尺寸非常小的化學(xué)“微型電機(jī)”，可以安全有效地將胰島素輸送到結(jié)腸。

為了制造這些藥片，研究人員在鎂微粒上覆蓋了一層含胰島素的溶液和一層脂質(zhì)體。然后，他們將這些顆粒與小蘇打混合，將其壓成大約3 mm長的微型片劑，然后用酯化淀粉溶液覆蓋。淀粉可以保護(hù)藥片不受胃酸的影響，使它們完好無缺地到達(dá)結(jié)腸。當(dāng)它們分解時(shí)，鎂微粒與水反應(yīng)產(chǎn)生一股氫氣氣泡，這些氣泡就像微型電機(jī)一樣，將胰島素推向結(jié)腸粘膜并被吸收。研究小組還使用大鼠測(cè)試了他們的迷你片劑，發(fā)現(xiàn)其可以顯著降低動(dòng)物血糖水平，時(shí)間可持續(xù)五個(gè)多小時(shí)。實(shí)際上，這些片劑的血糖維持效果可與注射式胰島素相媲美。雖然仍有許多工作要做，但研究人員表示，他們的研究為開發(fā)更多傳統(tǒng)注射藥物的口服配方邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。

作者感謝中國國家自然科學(xué)基金委員會(huì)、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金委員會(huì)和麗水市重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目的資助。

文章原題 ：

Micromotor Based Mini-Tablet for Oral Delivery of Insulin

隕石和伽馬射線可能為地球提供了生命基石

ACS Central Science

詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡為科學(xué)家提供了遙遠(yuǎn)銀河系的精細(xì)圖像，展示了更加遼闊的宇宙景象。然而，科學(xué)家至今仍對(duì)地球的生命起源存在爭(zhēng)議。其中一種假說認(rèn)為隕石為地球帶來了生命的基石——氨基酸。目前，某研究團(tuán)隊(duì)在 ACS Central Science 報(bào)告稱，他們通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 氨基酸可能是在這些早期隕石中形成的，是由太空巖石內(nèi)部產(chǎn)生的伽馬射線驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)形成的。

The building blocks oflife, amino acids, could have been formed in early meteorites, such as the oneshown here. Credit: abriendomundo/Shutterstock.com

地球最初是一個(gè)無菌星球。自其形成起，即不斷有隕石高速穿過大氣層向地球表面飛去。如果最初的太空碎片含碳質(zhì)軟玉石（一類隕石，其成分含有大量的水和小分子，如氨基酸），則其可能有助于地球上的生命進(jìn)化。然而，隕石中氨基酸的來源一直難以確定。 Yoko Kebukawa 和同事通過此前進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，簡(jiǎn)單分子之間的反應(yīng)（例如氨和甲醛）可以合成氨基酸和其他大分子，但需要液態(tài)水和熱量。放射性元素，如鋁26（26Al）——目前已知其存在于早期碳質(zhì)軟骨巖中，能夠在衰變時(shí)釋放伽馬射線，后者是一種高能輻射形式。這一過程可能提供了合成生物大分子所需的熱量，因此，癸生川陽子和一個(gè)新的團(tuán)隊(duì)希望進(jìn)行探索，這種輻射是否可能促進(jìn)了早期隕石中氨基酸的形成。

研究人員將甲醛和氨溶解在水中，將溶液密封在玻璃管中，然后用鈷60衰變產(chǎn)生的高能伽馬射線照射這些玻璃管。他們發(fā)現(xiàn)，隨著總伽馬射線劑量的增加，α氨基酸（如丙氨酸、甘氨酸、α基氨基丁酸和谷氨酸）和β氨基酸（如β基丙氨酸和β氨基異丁酸）在輻照溶液中的產(chǎn)量上升。根據(jù)這些結(jié)果和來自隕石中26Al衰變的預(yù)期伽馬射線劑量，研究人員估計(jì)，要產(chǎn)生1969年墜入澳大利亞的默奇森隕石所含的丙氨酸和β丙氨酸含量，需要耗時(shí)1000到10萬年。研究人員表示，這項(xiàng)研究提供了伽馬射線催化反應(yīng)可以產(chǎn)生氨基酸的證據(jù)，可能有助于發(fā)現(xiàn)地球的生命起源。

作者感謝日本學(xué)術(shù)振興會(huì)提供的科研經(jīng)費(fèi)（KAKENHI）。

文章原題 ：

Gamma-Ray-Induced Amino Acid Formation in Aqueous Small Bodies in the Early Solar System

https://doi.org/10.1021/acscentsci.2c00588

C&EN 2023 全球化工行業(yè)展望

C&EN

• 經(jīng)濟(jì)和商業(yè)：

  美國化工行業(yè)將在輕微的經(jīng)濟(jì)衰退中遭受打擊；歐洲面臨天然氣價(jià)格高企這一痛苦的新常態(tài)；中國化工行業(yè)有望實(shí)現(xiàn)復(fù)蘇；細(xì)胞培養(yǎng)肉距離餐桌更進(jìn)一步；     

    

• 環(huán)境： 關(guān)于繼續(xù)推進(jìn)塑料協(xié)定和化學(xué)品協(xié)議的對(duì)話

  塑料污染和持續(xù)性污染物控制以及商業(yè)化學(xué)品的優(yōu)化管理，將成為本年度化工企業(yè)國際政策議程的首要事項(xiàng)；

• 污染：

  美國環(huán)保倡導(dǎo)者將監(jiān)測(cè)聯(lián)邦資助途徑；

• 可持續(xù)發(fā)展： 整個(gè)行業(yè)將圍繞碳計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)攜手合作

  溫室氣體減排承諾已成為企業(yè)申請(qǐng)運(yùn)營許可的重要組成部分，在此背景下，涌現(xiàn)出多個(gè)二氧化碳計(jì)量方法。2023年，化工行業(yè)將開始圍繞幾個(gè)特定的可持續(xù)性計(jì)量方案攜手合作，以滿足對(duì)分?jǐn)?shù)有要求的客戶，后者需要用這些分?jǐn)?shù)進(jìn)行對(duì)比；

• 化工法規(guī)：

  對(duì)美國化工監(jiān)管機(jī)構(gòu)而言又一個(gè)充滿挑戰(zhàn)的年份；美國環(huán)保署（EPA）傾向于厘清兩種全氟和多氟化合物（PFAS）的清理義務(wù)；

• 儲(chǔ)能：

  在公共資金的支持下，2023年各國將大力建設(shè)電池工廠；

• 生物基化學(xué)品：

  發(fā)酵法將發(fā)展成一種化學(xué)品生產(chǎn)工藝；

• 信息學(xué)：

  化工企業(yè)將對(duì)數(shù)字平臺(tái)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)化；

• 出版： 美國機(jī)構(gòu)將公布出版物和數(shù)據(jù)即時(shí)開放獲取計(jì)劃

  今年，美國將就研究資助機(jī)構(gòu)如何實(shí)施出版物和數(shù)據(jù)即時(shí)開放獲取措施公布相關(guān)計(jì)劃。這些計(jì)劃包括數(shù)據(jù)獲取，無論其是否為出版物的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。美國國立衛(wèi)生研究院（NIH）數(shù)據(jù)分享計(jì)劃將于2023年1月實(shí)施。

C&EN’s World Chemical Outlook 2023

Jan 16, 2023 | Volume 101, Issue 2