微塑料污染是一場日益嚴重的全球環境危機。最近的估計表明，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，在整個食物鏈中無處不在，對環境和健康構成風險。研究表明，頸動脈斑塊中含有微塑料的患者面臨心臟病發作、中風或死亡的風險增加。微塑料也會將有毒化學物質帶入血液，帶來額外的健康問題。因此，在美國和其他地區，微塑料已被禁止用于沖洗消費品，歐盟委員會也提出了更嚴格的規定。緩解策略包括廢水處理中的微米級過濾，由于基礎設施的挑戰，其成功率有限，以及塑料廢物催化轉化為其他產品。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的方法。鑒于此，麻省理工學院Ana Jaklenec、Robert Langer等研究人員評估了可降解聚合物微粒（MP）平臺在兩個應用中作為不可降解微塑料替代品的潛力：（1）個人護理產品中的微珠添加劑和（2）用于食品強化的微量營養素口服膠囊。這兩種應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在個人護理產品中用作微珠，在食品強化中用作營養釋放的穩定劑。這些應用為替代微塑料的多功能MP平臺提供了概念驗證。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施仍然具有挑戰性。微塑料通常被有意添加到消費品中，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標準：局部和口服使用的安全性、多功能材料特性（例如可調疏水性和pH敏感性）、可擴展性和成本效益。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，合成聚合物在可擴展性、一致性和多功能性方面具有優勢。通過改變單體組成，可以微調熱穩定性和疏水性等性能，以滿足特定的應用需求，例如消化系統中口服遞送的快速營養釋放。之前的研究已經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，研究人員設計了一系列受天然產物啟發的聚（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濟的方法合成，為大規模制造提供了實用基礎。研究人員配制了物理性質可控的PAE MP，并證明了它們在個人護理產品和食品強化中作為微塑料替代品的成功應用。這些MP可降解為小糖和氨基酸衍生物，進一步突顯了它們潛在的環保特性。研究人員用三種特殊的化學物質（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行更深入的研究。這種形狀和表面對于清潔產品和食品添加劑的應用非常重要。P5塑料在水中可以快速降解，變成更小的分子，這對于環保來說是個好消息。此外，P5塑料在室溫下穩定，但在酸性條件下會溶解，這使得它在食品工業中很有用，比如可以在胃中釋放包裹的物質。總的來說，P5塑料是一種有潛力替代傳統微塑料的環保材料。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，發現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劑的效果好。總的來說，P5顆粒在清潔和安全性方面都表現得更好。P5塑料顆粒可以幫助在食品中添加和保護微量營養素，這對全球約20億缺乏這些營養素的人很重要。研究人員用維生素A（VA）來做實驗，因為它容易在烹飪和儲存時被破壞，而且對兒童健康很重要。研究人員發現P5顆粒能很好地保護VA，即使在高溫下煮2小時，也能保留大部分VA。這比沒有用顆粒保護的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VA的能力，包括沒有冷藏的情況下長時間儲存。結果表明，P5顆粒能顯著提高VA的穩定性，即使在室溫下存放6個月，也能保留大部分VA。此外，P5顆粒不僅能保護VA，還能保護其他重要的營養素，如維生素D、E和C，以及鐵和鋅等礦物質。這對于在家庭環境中長期儲存和烹飪條件下保持食品中的營養素非常有幫助。總的來說，P5塑料顆粒在食品強化和營養素保護方面顯示出了很大的潛力。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，這對商業用途很重要。確保了P5聚合物的質量符合FDA的標準，包括它的分子量和雜質含量。他們還計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，并確認這個量是安全的。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，質量都很穩定。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，發現它在可能被吃下的劑量范圍內是安全的，不會傷害細胞。即使在更高劑量下，P5聚合物及其分解產物對細胞也是安全的。這些測試結果可以相信P5聚合物可以用在食品強化中，是安全的。研究人員用電腦模擬來研究P5聚合物的性質，看看它和別的塑料比怎么樣。發現P5聚合物的玻璃化轉變溫度低，結構穩定，適合加工和使用。還研究了P5聚合物怎么保護維生素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VA。這個發現說明P5聚合物即使在降解后也能在一定程度上保護VA，這和實驗結果一致。研究人員還比較了P5和P1聚合物，發現P5的分子穩定性更好，更適合用來做微塑料顆粒和保護VA。這些研究結果幫助我們更好地理解了P5聚合物的能力，并為將來改進提供了方向。微塑料污染是一個迫切的環境和健康問題，引起了全球的關注。歐盟和包括美國和英國在內的多個國家對大量故意使用微塑料材料的產品實施了嚴格的規定，包括禁止在個人護理沖洗產品和食品強化劑中使用微塑料。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和有效的方法。在這項研究中，研究人員提出了一種潛在的可持續方法來對抗全球微塑料污染：一種受天然產品啟發的可降解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，以滿足兩種不同應用的需求。已建立的聚合物合成和MP制造的潛在可擴展性進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
