DOI: https://doi.org/10.1021/acs.biomac.5c02634
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41685881
تاريخ النشر: 2026-02-13
المؤلف: Valeria Castelletto وآخرون
الموضوع الرئيسي: ديناميات المواد وخصائصها
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في تكوين وخصائص الزجاجات المستمدة من الثنائي الببتيد WR (تريبتوفان-أرجينين) عند دمجه مع الأحماض العضوية مثل حمض الطرطريك وحمض الكروتون. يتم إنتاج الزجاجات من خلال عملية تبخر لطيفة من المحاليل المائية، مما يظهر مجموعة من الخصائص الرائعة، بما في ذلك القابلية للتشكيل، والشفافية العالية عبر طيف واسع من الأطوال الموجية، والتألق، وقدرات الشفاء الذاتي، وخصائص الالتصاق. تؤكد التحليلات الهيكلية عبر تشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة وزاوية واسعة (SAXS/WAXS) والمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) الطبيعة غير المتبلورة للزجاجات، بينما تكشف مطيافية التشتت الدائري (CD) عن هيكلها الكيرالي، المحتفظ به من المحاليل الببتيدية غير المرتبة الأولية.
تخلص الدراسة إلى أن زجاجات الثنائي الببتيد، المكونة من مواد متوافقة حيوياً ومتجددة، تمتلك إمكانيات كبيرة لمجموعة متنوعة من التطبيقات. يُعزى آلية التكوين إلى شبكة من الروابط الهيدروجينية التي تسهلها المجموعات الوظيفية في الأحماض العضوية والببتيد، إلى جانب التفاعلات الكهروستاتيكية التي تثبت التجمعات الجزيئية. من الجدير بالذكر أن زجاج الكروتون WR يظهر نفاذية ضوئية عالية في نطاق 300-800 نانومتر ودرجة حرارة انتقال زجاجية (T_g) قريبة من درجة حرارة الجسم، مما يشير إلى تطبيقات في المجالات الطبية الحيوية وتخزين البيانات. كما تظهر الزجاجات وعداً كمواد لاصقة قائمة على الماء ومواد شفاء ذاتي، مع إمكانية استكشاف استقرارها على المدى الطويل وتأثيرات دمج مواد أخرى لتعزيز خصائصها.
مقدمة
في المقدمة، تناقش الورقة السياق التاريخي والتطورات الحديثة في مجال مواد الزجاج، مع تسليط الضوء على الانتقال من الزجاجات غير العضوية التقليدية إلى تطوير الزجاجات المعتمدة على الببتيد. يمكن أن تتجمع الببتيدات، وهي سلاسل من الأحماض الأمينية ذات وظائف بيولوجية متنوعة، بشكل ذاتي في هياكل مختلفة، بما في ذلك الهياكل النانوية المرتبة والزجاجات غير المرتبة. يشير المؤلفون إلى أنه على الرغم من أن زجاجات الببتيد لا تزال غير مستكشفة نسبياً، إلا أنها تظهر خصائص واعدة مثل التوافق الحيوي، ومؤشرات الانكسار القابلة للتعديل، والقدرة على المعالجة في أشكال متنوعة.
تبحث الدراسة بشكل خاص في تكوين الزجاج لثنائي ببتيد مكون من تريبتوفان وأرجينين (WR) عند تبخره في وجود أحماض عضوية ذات روابط هيدروجينية مثل حمض الطرطريك أو حمض الكروتون. تظهر الزجاجات الناتجة خصائص ملحوظة، بما في ذلك الشفافية العالية، والتألق، وخصائص الشفاء الذاتي، مع درجات حرارة انتقال زجاجية قريبة من درجة حرارة الجسم، مما يشير إلى تطبيقات طبية حيوية محتملة. يستخدم المؤلفون تقنيات مثل المجهر الإلكتروني بالتبريد (cryo-TEM)، وSAXS/WAXS، ومطيافية FTIR لتأكيد الطبيعة غير المتبلورة للزجاجات وتحليل المحاليل السابقة، مما يشير إلى أن الزجاجات تتكون من هياكل ببتيدية غير متجمعة.
طرق
في قسم الطرق، استخدم الباحثون أملاح الببتيد من WR (NH2-تريبتوفان-أرجينين-OH)، المستمدة من Peptide Synthetics مع نقاء يتجاوز 95%، كما تم التحقق منه بواسطة كروماتوغرافيا السائل عالية الأداء بالطور العكسي (RP-HPLC). تم تأكيد الكتلة المولية المتوقعة للببتيد، التي تم تحديدها بواسطة مطيافية الكتلة بتقنية التأين بالرش الكهربائي (ESI-MS)، لتكون 360.4 جرام مول⁻¹. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على حمض الطرطريك وحمض الكروتون، اللذان تم استخدامهما في الدراسة، من Merck Sigma-Aldrich. يتم توضيح الهياكل الجزيئية لـ WR والأحماض العضوية في المخطط 1.
نتائج
تشير النتائج إلى أن أملاح الثنائي الببتيد WR يمكن أن تشكل زجاجات من خلال التبخر البطيء من المحاليل المائية التي تحتوي على حمض الطرطريك أو حمض الكروتون، مما يسهل الروابط الهيدروجينية مع وحدات الأميد. تظهر الزجاجات الناتجة هيكلًا غير متبلور، تم تأكيده بواسطة تحليلات cryo-SEM وSAXS/WAXS، مع عرض WR tartrate لدرجة حرارة انتقال زجاجية ($T_g$) تبلغ 32.3 درجة مئوية وWR crotonate عند 35.6 درجة مئوية. هذه الدرجات الحرارة مفيدة للتطبيقات المحتملة في الجسم، حيث إنها قريبة من درجة حرارة الجسم. تظهر الزجاجات استقرارًا حراريًا عاليًا، حيث تبقى سليمة فوق 200 درجة مئوية، وتكشف خصائصها البصرية عن شفافية عالية (أكثر من 75% نفاذية) في نطاق 300-800 نانومتر، مع التألق المنسوب إلى بقايا التريبتوفان.
بالإضافة إلى ذلك، تؤكد مطيافية التشتت الدائري (CD) الطبيعة الكيرالية للزجاجات، مع ميزات طيفية محددة تشير إلى وجود التريبتوفان. يمكن أن تشكل الزجاجات روابط لاصقة، قادرة على دعم أوزان كبيرة، وهي قابلة للذوبان في الماء، مما يسمح بإزالتها بسهولة. من الجدير بالذكر أن الزجاجات تظهر خصائص الشفاء الذاتي عند تعرضها لبخار الماء عند درجات حرارة مرتفعة، مما يشير إلى إمكانية استخدامها في التطبيقات العملية في تقنيات الالتصاق. بشكل عام، تسلط النتائج الضوء على الخصائص الهيكلية والحرارية والبصرية الفريدة لزجاجات أملاح الثنائي الببتيد WR، إلى جانب تنوعها الوظيفي.
مناقشة
في هذا القسم، يوضح المؤلفون إعداد وتوصيف الزجاجات المعتمدة على الببتيد المستمدة من أملاح الثنائي الببتيد WR مع الأحماض العضوية، وخاصة الكروتون والطرطريك. تم تصنيع الزجاجات من محاليل مائية بنسبة 10 wt %، باستخدام ركائز متنوعة لتحسين تكوين أقراص زجاجية مسطحة. من الجدير بالذكر أن الركيزة الشريطية من السيليكون اللاصق الذاتي أنتجت أقراصًا ذات قوام مقعر لWR crotonate، بينما تم إنتاج الأقراص المسطحة بشكل أكثر كفاءة لWR tartrate. خضعت عينات الزجاج لتوصيف شامل باستخدام تقنيات مثل المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، وقياس الحرارة التفاضلي (DSC)، والتحليل الحراري الوزني (TGA)، ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، وامتصاص UV-Vis، ومطيافية التشتت الدائري (CD)، ومطيافية التألق، وتشتت الأشعة السينية بزاوية صغيرة (SAXS)، وتشتت الأشعة السينية بزاوية واسعة (WAXS)، وتفريق الأشعة السينية (XRD).
تشير النتائج إلى أن الزجاجات تظهر هياكل غير متبلورة، مع ملاحظة بعض البلورية في WR tartrate، وتحتفظ بالكيرالية للثنائي الببتيد. يُعزى تكوين هذه الزجاجات إلى شبكات الروابط الهيدروجينية والتفاعلات الكهروستاتيكية بين مكونات الببتيد والحمض العضوي. يظهر زجاج WR crotonate نفاذية بصرية عالية ودرجة حرارة انتقال زجاجية (T_g) قريبة من درجة حرارة الجسم، مما يشير إلى تطبيقات طبية حيوية محتملة. بالإضافة إلى ذلك، تظهر الزجاجات خصائص الشفاء الذاتي في البيئات الرطبة ويمكن أن تعمل كمواد لاصقة قائمة على الماء، مما يبرز تنوعها للتطبيقات المستقبلية في مجالات مثل تعبئة الطعام ووضع علامات التألق. تؤكد الدراسة على الخصائص الفريدة لهذه الزجاجات المعتمدة على الببتيد، مما يمهد الطريق لاستكشاف استقرارها وتطبيقاتها المحتملة بشكل أكبر.
DOI: https://doi.org/10.1021/acs.biomac.5c02634
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41685881
Publication Date: 2026-02-13
Author(s): Valeria Castelletto et al.
Primary Topic: Material Dynamics and Properties
Overview
This research investigates the formation and properties of glasses derived from the dipeptide WR (tryptophan-arginine) when combined with organic acids such as tartaric acid and crotonic acid. The glasses are produced through a benign evaporation process from aqueous solutions, exhibiting a range of remarkable characteristics, including moldability, high transparency across a wide wavelength spectrum, fluorescence, self-healing capabilities, and adhesive properties. Structural analysis via small-angle and wide-angle X-ray scattering (SAXS/WAXS) and scanning electron microscopy (SEM) confirms the amorphous nature of the glasses, while circular dichroism (CD) spectroscopy reveals their chiral structure, retained from the initial unordered peptide solutions.
The study concludes that the dipeptide glasses, formed from biocompatible and renewable materials, possess significant potential for various applications. The formation mechanism is attributed to a hydrogen bonding network facilitated by functional groups in the organic acids and the peptide, alongside electrostatic interactions that stabilize molecular aggregates. Notably, the WR crotonate glass demonstrates high light transmittance in the 300-800 nm range and a glass transition temperature (T_g) near body temperature, suggesting applications in biomedical fields and data storage. The glasses also show promise as water-based adhesives and self-healing materials, with the potential for further exploration of their long-term stability and the effects of incorporating other materials to enhance their properties.
Introduction
In the introduction, the paper discusses the historical context and recent advancements in the field of glass materials, highlighting the transition from traditional inorganic glasses to the development of peptide-based glasses. Peptides, which are chains of amino acids with diverse biological functions, can self-assemble into various structures, including ordered nanostructures and disordered glasses. The authors note that while peptide glasses are relatively underexplored, they exhibit promising properties such as biocompatibility, tunable refractive indices, and the ability to be processed into various forms.
The study specifically investigates the glass formation of a dipeptide composed of tryptophan and arginine (WR) when evaporated in the presence of hydrogen-bonding organic acids like tartaric acid or crotonic acid. The resulting glasses demonstrate notable characteristics, including high transparency, fluorescence, and self-healing properties, with glass transition temperatures near body temperature, suggesting potential biomedical applications. The authors utilize techniques such as cryo-TEM, SAXS/WAXS, and FTIR spectroscopy to confirm the amorphous nature of the glasses and analyze the precursor solutions, indicating that the glasses are formed from unaggregated peptide structures.
Methods
In the Methods section, the researchers utilized peptide salts of WR (NH2-tryptophan-arginine-OH), sourced from Peptide Synthetics with a purity exceeding 95%, as verified by reverse-phase high-performance liquid chromatography (RP-HPLC). The expected molar mass of the peptide, determined by electrospray ionization mass spectrometry (ESI-MS), was confirmed to be 360.4 g mol⁻¹. Additionally, tartaric acid and crotonic acid, which were used in the study, were procured from Merck Sigma-Aldrich. The molecular structures of WR and the organic acids are illustrated in Scheme 1.
Results
The results indicate that dipeptide WR salts can form glasses through slow evaporation from aqueous solutions containing tartaric or crotonic acid, which facilitate hydrogen bonding with amide units. The resulting glasses exhibit an amorphous structure, confirmed by cryo-SEM and SAXS/WAXS analyses, with WR tartrate displaying a glass transition temperature ($T_g$) of 32.3 °C and WR crotonate at 35.6 °C. These temperatures are advantageous for potential applications in vivo, as they are close to body temperature. The glasses demonstrate high thermal stability, remaining intact above 200 °C, and their optical properties reveal high transparency (over 75% transmittance) in the 300-800 nm range, with fluorescence attributed to tryptophan residues.
Additionally, circular dichroism (CD) spectroscopy confirms the chiral nature of the glasses, with specific spectral features indicating the presence of tryptophan. The glasses can form adhesive bonds, capable of supporting significant weights, and are water-soluble, allowing for easy removal. Notably, the glasses exhibit self-healing properties when exposed to water vapor at elevated temperatures, suggesting potential for practical applications in adhesive technologies. Overall, the findings highlight the unique structural, thermal, and optical characteristics of the dipeptide WR salt glasses, along with their functional versatility.
Discussion
In this section, the authors detail the preparation and characterization of peptide-based glasses derived from dipeptide WR salts with organic acids, specifically crotonate and tartrate. The glasses were synthesized from 10 wt % aqueous solutions, utilizing various substrates to optimize the formation of flat glass disks. Notably, the self-adhesive silicone rubber tape substrate yielded concave-textured disks for WR crotonate, while flat disks were more efficiently produced for WR tartrate. The glass samples underwent extensive characterization using techniques such as scanning electron microscopy (SEM), differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetric analysis (TGA), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), UV-Vis absorption, circular dichroism (CD) spectroscopy, fluorescence spectroscopy, small-angle X-ray scattering (SAXS), wide-angle X-ray scattering (WAXS), and X-ray diffraction (XRD).
The findings indicate that the glasses exhibit amorphous structures, with some crystallinity observed in WR tartrate, and retain the chirality of the dipeptide. The formation of these glasses is attributed to hydrogen bonding networks and electrostatic interactions among the peptide and organic acid components. The WR crotonate glass demonstrates high optical transmittance and a glass transition temperature (T_g) near body temperature, suggesting potential biomedical applications. Additionally, the glasses exhibit self-healing properties in humid environments and can serve as water-based adhesives, highlighting their versatility for future applications in areas such as food packaging and fluorescence tagging. The study emphasizes the unique properties of these peptide-based glasses, paving the way for further exploration of their stability and potential applications.