Bionedbrydelig polymer

FONT SIZE:
fontsize_dec
fontsize_inc
Februar 9, 2016 Eli Brask B 0 85

Bionedbrydelige polymerer er en bestemt type polymer, der bryder ned efter sit formål at resultere i naturlige biprodukter såsom gasser, vand, biomasse og uorganiske salte. Disse polymerer er fundet både naturligt og syntetisk fremstillet, og stort set består af ester, amid, og ether funktionelle grupper. Deres egenskaber og opdeling mekanisme er bestemt af deres nøjagtige struktur. Disse polymerer er ofte syntetiseres ved kondensationsreaktioner, ringåbningspolymerisation, og metalkatalysatorer. Der er store eksempler og anvendelser af biologisk nedbrydelige polymerer.

Historie

Bionedbrydelige polymerer har en lang historie og da mange er naturlige produkter, den præcise tidslinje for deres opdagelse og anvendelse ikke præcist kan spores. En af de første medicinske anvendelser af et biologisk nedbrydelig polymer var google.com, som daterer sig tilbage til mindst 100 e.Kr.. De første catgut suturer blev foretaget fra tarmene af får, men moderne catgut suturer er lavet af renset collagen udvundet fra tyndtarmen af ​​kvæg, får eller geder.

Begrebet syntetiske bionedbrydelige plast og polymerer blev først introduceret i 1980'erne. I 1992 blev et internationalt møde kaldet hvor ledere i bionedbrydelige polymerer mødtes for at diskutere en definition, standard, og test-protokollen for bionedbrydelige polymerer. Også, tilsyn organisationer som American Society for Testing Materialer og Den Internationale Standardiseringsorganisation oprettet. Store tøj og købmand kæder har gjort et skub til at udnytte biologisk nedbrydelige poser i slutningen af ​​2010'erne. Bionedbrydelige polymerer modtog også meddelelse fra forskellige områder i 2012, hvor professor Geoffrey Coates fra Cornell University modtog præsidentens Green Chemistry Challenge Award. Som af 2013, 5-10% af plastik markedet med fokus på biologisk nedbrydelig polymer afledt plast.

Struktur og egenskaber

Strukturen af ​​bionedbrydelige polymerer er medvirkende til deres egenskaber. Mens der er utallige bionedbrydelige polymerer, både syntetiske og naturlige, der er et par fællestræk mellem dem.

Struktur

Bionedbrydelige polymerer har tendens til at bestå af ester, amid eller etherbindinger. Generelt kan bionedbrydelige polymerer opdeles i to store grupper baseret på deres struktur og syntese. En af disse grupper er agro-polymerer, eller dem, der stammer fra biomasse. Den anden består af biopolyesters, som er dem, der stammer fra mikroorganismer eller syntetisk fremstillet af enten naturligt eller syntetiske monomerer.

Agro-polymerer indbefatter polysaccharider, såsom stivelse, der findes i kartofler eller træ, og proteiner, såsom animalsk baseret valle eller planet afledt gluten. Polysaccharider består af glycosidbindinger, som tager en hemiacetal af et saccharid og binder den til en alkohol via tab af vand. Proteiner er lavet af aminosyrer, der indeholder forskellige funktionelle grupper. Disse aminosyrer kommer sammen igen gennem kondensationsreaktioner til dannelse af peptidbindinger, som består af amid-funktionelle grupper. Eksempler på biopolyesters omfatter polyhydroxybutyrat og polymælkesyre.

Egenskaber

Selvom bionedbrydelige polymerer har talrige anvendelser, der er egenskaber, der har tendens til at være fælles blandt dem. Alle bionedbrydelige polymerer skal være stabile og holdbare nok til brug i deres særlige anvendelse, men efter bortskaffelse de burde nemt opdeling. Polymerer, specielt biologisk nedbrydelige polymerer, har ekstremt stærke carbon backbone, der er vanskelige at bryde, således at nedbrydningen starter ofte fra de endelige grupper. Da nedbrydningen begynder ved enden, et højt overfladeareal er almindeligt brugt som det giver let adgang til enten den kemiske, lys eller organisme. Bionedbrydelige polymerer også tendens til at have minimal kædeforgrening da dette tværbinding ofte nedsætter antallet af endegrupper per vægtenhed. Krystallinitet er ofte lav, da det hæmmer også adgang til endegrupper. En lav polymerisationsgrad ses normalt, som antydet ovenfor, da dette giver mulighed for mere tilgængelige endegrupper til reaktion med nedbrydningen initiator. Et andet fællestræk for disse polymerer er deres hydrofilicitet. Hydrofobe polymerer og endegrupper vil forhindre et enzym fra let interagere hvis vandopløselig enzym ikke let kan komme i kontakt med polymeren.

Andre egenskaber af bionedbrydelige polymerer, der er fælles blandt dem, der anvendes til medicinske anvendelser omfatter 1) ikke-toksisk, 2) i stand til at opretholde en god mekanisk integritet indtil nedbrudt, og 3) i stand til kontrollerede nedbrydningshastigheder. Et mål er ikke at ulovlig immunrespons, og produkterne af nedbrydning behøver heller ikke at være giftige. Disse er vigtige som bionedbrydelige polymerer anvendes til lægemiddeladministration, hvor det er kritisk til langsomt at frigive lægemidlet i kroppen over tid i stedet for alle på én gang, og at pillen er stabilt i flasken indtil den er klar til at blive taget. Faktorer, der kontrollerer nedbrydningshastigheden, omfatter: 1) procent krystallinitet, 2) molekylvægt, 3) hydrofobicitet. Nedbrydningshastigheden afhænger af placeringen i kroppen, som påvirker miljøet omkring polymer, såsom pH, enzymer koncentration, og mængden af ​​vand blandt andre.

Syntese

En af de vigtigste og mest undersøgte grupper af bionedbrydelige polymerer er polyestere. Polyestere kan syntetiseres på en række måder, herunder direkte kondensation af alkoholer og syrer, ringåbning polymerisationer, og metal-catalzyed polymerisationsreaktioner. En stor ulempe ved den trinvise polymerisation via kondensation af en syre og en alkohol er behov for løbende at fjerne vand fra dette system med henblik på at drive Reaktionsligevaegten fremad. Dette kan nødvendiggøre skrappe reaktionsbetingelser og lange reaktionstider, hvilket resulterer i en bred dispersitet. En bred vifte af udgangsmaterialer kan anvendes til at syntetisere polyestere, og hver monomertype forlener den endelige polymer kæde med forskellige karakteristika og egenskaber. ROP af cyklisk dimer glycolsyre eller mælkesyre former α-hydroxy syrer, som derefter polymerisere i poly-. En række organometalliske initiatorer kan anvendes til at starte polymerisationen af ​​polyestere, herunder tin, zink og aluminium komplekser. Den mest almindelige er tinoctanoate, og er blevet godkendt som tilsætningsstof til fødevarer af den amerikanske FDA, men der er stadig bekymringer om at bruge de tinkatalysatorer i syntesen af ​​bionedbrydelige polymerer til biomedicinske anvendelser. Syntesen af ​​poly og poly kan udføres ved tilsvarende ROP eller kondensationsprodukter metoder som med poly. Udvikling af metalfri proces, der involverer anvendelse af bakteriel eller enzymatisk katalyse i dannelsen af ​​polyester bliver også undersøgt. Disse reaktioner har den fordel, generelt er regioselektiv og stereospecifik men lider de høje omkostninger af bakterier og enzymer, lange reaktionstider, og produkter med lav molekylvægt.

Mens polyestere dominerer både forskning og industriel fokus på syntetiske biologisk nedbrydelige polymerer, andre klasser af polymerer er også af interesse. Polyanhydrider er et aktivt forskningsområde i lægemiddeladministration, fordi de kun nedbrydes fra overfladen og så er i stand til at frigive lægemidlet de bærer med en konstant hastighed. Polyanhydrider kan gjort min en række fremgangsmåder også anvendes til syntese af andre polymer, herunder kondensering, dehydrochlorering, dehydratiserende kobling og ROP. Polyurethaner og polys anvendes i biomaterialer. Polyurethaner blev oprindeligt brugt til deres biokompatibilitet, holdbarhed, modstandsdygtighed, men er for nylig at blive undersøgt for deres bionedbrydning. Polyurethaner er typisk syntetiseret under anvendelse af et diisocyanat, en diol og en polymer kædeforlænger. Den indledende reaktion udføres mellem diisocyanatet og diolen, med diisocyanatet i overskud for at sikre, at enderne af den nye polymerkæde er isocyanatgrupper. Denne polymer kan derefter omsættes med enten en diol eller en diamin til dannelse af urethan eller urethan-urinstof endegrupper henholdsvis. Valget af terminale grupper påvirker egenskaberne af den resulterende polymer. Derudover er anvendelsen af ​​vegetabilsk olie og biomasse i dannelsen af ​​polyurethaner, samt omdannelse af polyurethaner til polyoler, er et aktivt forskningsområde.

Mekanisme af nedbrud

Generelt bionedbrydelige polymerer nedbrydes til dannelse af gasser, salte og biomasse. Komplet bionedbrydning har sagt at opstå, når der ikke er nogen oligomerer eller monomerer tilbage. Fordelingen af ​​disse polymerer afhænger af en række faktorer, herunder polymeren og også miljøet er polymeren i. Polymer egenskaber, der påvirker nedbrydningen er bond type, opløselighed og copolymerer blandt andre. Det omgivende miljø af polymeren er lige så vigtig som den polymere struktur selv. Disse faktorer omfattede elementer såsom pH, temperatur, micoorganisms tilstedeværende, og vand som blot et par eksempler.

Der er to primære mekanismer, hvorigennem bionedbrydning kan forekomme. Den ene er gennem fysisk nedbrydning ved reaktioner, såsom hydrolyse og fotonedbrydning, som kan føre til delvis eller fuldstændig nedbrydning. Den anden mekanistisk rute er gennem biologiske processer, som kan være yderligere opdelt i aerobe og anaerobe processer. Det første indebærer aerobe biodegradition, hvor ilt er til stede og vigtigt. I dette tilfælde er den generelle ligning ses nedenfor, hvor Cresidue repræsenterer mindre fragmenter af den oprindelige polymer, såsom oligomerer.

Den anden mekanisme af bionedbrydning, er ved anaerobe processer, hvor ilt ikke er til stede.

Der er talrige organismer, der har evnen til at nedbryde naturlige polymerer. Der er også syntetiske polymerer, der kun har eksisteret i hundrede år med nye funktioner at mikroorganismer ikke har evnen til at bryde ned. Det vil tage millioner af år, før organismer kan tilpasse sig nedbryde alle disse nye syntetiske polymerer. Typisk efter fysiske processer udføre den oprindelige fordeling af polymeren, mikroorganismer vil derefter tage hvad der er tilbage og nedbryde komponenterne i endnu enklere enheder. Disse mikroorganismer normalt polymere fragmenter, såsom oligomerer eller monomerer, ind i cellen, hvor enzymer arbejde for at gøre adenosintriphosphat og polymer slutprodukter carbondioxid, nitrogen gas, methan, vand, mineraler og biomasse. Disse enzymer handle på en række forskellige måder at nedbryde polymerer, herunder ved oxidation eller hydrolyse. Eksempler på vigtige enzymer omfatter proteaser, esteraser, glycosidaser og mangan peroxidaser.

Applikationer og anvendelser

Bionedbrydelige polymerer er af væsentlig interesse for en række områder, herunder medicin, landbrug og emballering. En af de mest aktive forskningsområder i bionedbrydelige polymer er under kontrollerede lægemiddelafgivelse og frigivelse.

Lægemidlet

Bionedbrydelige polymerer har en utallige anvendelser i biomedicinske område, især inden for områderne tissue engineering og drug delivery. For at en bionedbrydelig polymer, der skal anvendes som et terapeutisk, skal den opfylde flere kriterier: 1) være ikke-toksiske for at fjerne fremmedlegeme reaktion; 2) den tid det tager for polymeren til at nedbryde er proportional med den tid, der kræves til terapi; 3) de produkter, der fremkommer biodegredation ikke cytotoksiske og let elimineres fra kroppen; 4) materialet skal let kunne forarbejdes med henblik på at skræddersy de mekaniske egenskaber for den ønskede opgave; 5) let steriliseres; og 6) har acceptabel holdbarhed.

Bionedbrydelige polymerer er af stor interesse inden for lægemiddeltilførsel og nanomedicin. Den store fordel ved et bionedbrydeligt lægemiddeladministrationssystem er evnen af ​​lægemidlet bæreren at målrette frigivelse af lasten til et specifikt sted i kroppen og derefter nedbrydes til ugiftige materialer, der derefter fjernes fra kroppen via naturlige metaboliske veje. Polymeren nedbrydes langsomt i mindre fragmenter, hvilket frigiver et naturprodukt, og der er kontrolleret evne til at frigive et lægemiddel. Det stof langsomt frigiver som polymer nedbrydes. For eksempel, polymælkesyre, poly syre og poly, som alle er bionedbrydelige, er blevet anvendt til at bære anti-cancerlægemidler. Indkapsling af terapeutiske i en polymer og tilsætning targetingmidler formindsker toksiciteten af ​​lægemidlet til sunde celler.

Bionedbrydelige polymerer og biomaterialer er også af væsentlig interesse for tissue engineering og regenerering. Tissue engineering er evnen til at regenerere væv ved hjælp af kunstige materialer. Perfektion af sådanne systemer kan anvendes til dyrkning af væv og celler in vitro eller bruge et bionedbrydeligt scaffold til at konstruere nye strukturer og organer in vitro. Til disse anvendelser, er en biologisk nedbrydelig stillads naturligvis foretrukket, da det reducerer risikoen for immunologiske reaktion og afvisning af fremmedlegeme. Mens mange af de mere avancerede systemer ikke er klar til humane terapeutiske, der er betydelig positiv forskning i dyreforsøg. For eksempel var det muligt til at vokse rotte glat muskelvæv på en polycaprolacton / polylactid stilladset. Yderligere forskning og udvikling kan give mulighed for denne teknologi, der anvendes til vævet udskiftning, støtte eller forøgelse hos mennesker. Et af de endelige mål for tissue engineering er oprettelsen af ​​organer, såsom nyren, fra basale bestanddele. En stillads er nødvendigt at dyrke enhed til en fungerende organ, hvorefter polymerskelettet ville nedbrydes og sikkert elimineres fra kroppen. Der er rapporter om brug af polyglycolsyre og polymælkesyre til ingeniør vaskulære væv til hjertet reparation. Stilladset kan bruges til at hjælpe med at skabe ubeskadiget arterier og fartøjer.

Ud over vævsmanipulering, er biologisk nedbrydelige polymerer, der anvendes ortopædiske applikationer, såsom knogler og led erstatning. En lang række ikke-bionedbrydelige polymerer er blevet anvendt til ortopædiske applikationer, herunder silikonegummi, polyethylen, acrylharpikser, polyurethan, polypropylen og polymethylmethacrylat. Den primære rolle mange af disse polymerer var at fungere som en biokompatibel cement i fiksering af proteser og udskiftning af leddene. Nyere biologisk kompatible syntetiske og naturlige bionedbrydelige polymerer er blevet udviklet; disse omfatter polyglycolid, polylactid, polyhydroxobutyrate, chitosan, hyaluronsyre og hydrogeler. Især poly, poly, chitosan og hyaluronsyre er blevet anvendt i udstrakt grad ved reparation af brusk, ledbånd og sener. For eksempel poly, anvendes til at fremstille skruer og dart for menisk reparation og markedsføres under handelsnavnet Clearfix Mensical Dart / skrue. PLA er en langsom nedbrydning polymer og kræver gange større end to år at nedbryde og blive absorberet af kroppen.

Emballage og materialer

Ud over medicin, bionedbrydelige polymerer ofte anvendes til at reducere mængden af ​​affald i emballagematerialer. Der er også en betydelig indsats for at erstatte, der stammer fra petrokemikalier med dem, der kan være fremstillet af biologisk nedbrydelige komponenter. En af de mest almindeligt anvendte polymerer til emballageformål er polymælkesyre, PLA. Produktionen af ​​PLA har flere fordele, hvoraf den vigtigste er evnen til at skræddersy de fysiske egenskaber af polymeren gennem forarbejdningsmetoder. PLA anvendes til en række forskellige film, indpakning og beholdere. I 2002 FDA fastslog, at PLA var sikkert at bruge i alle fødevarer emballage. BASF markedsfører et produkt kaldet Ecovio® som er en blanding af selskabets bionedbrydelige plast Ecoflex® og PLA. En ansøgning om denne bionedbrydeligt materiale er til tynde plastfilm såsom indkøbsposer eller affaldssække.

Bemærkelsesværdige eksempler

2012 Presidential Green Chemistry Challenge

Hvert år hundredvis af millioner tons plast er fremstillet af råolie. De fleste af disse plast vil forblive i deponeringsanlæg for de kommende år eller kuld miljøet indebærer betydelige sundhedsrisici for dyr; dog vil den gennemsnitlige persons livsstil være upraktisk uden dem. En løsning på dette dilemma ligger i bionedbrydelige polymerer. Disse polymerer har den klare fordel, at de med tiden vil nedbrydes. Dr. Geoffrey Coates ledes forskning for at skabe katalysatorer, der kan ikke kun effektivt skaber disse bionedbrydelige polymerer, men polymererne også inkorporere drivhusgas og global opvarmning bidragyder, CO2, og miljømæssigt nuværende jord-ozon-producent, CO. Disse to gasser kan være fundet eller produceret i høje koncentrationer fra landbrugsaffald, kul og industrielle applikationer som biprodukter. Ikke kun gøre katalysatorerne udnytte disse normalt spildt og miljøskadelige gasser, men de gør det også yderst effektivt med høj omsætning numre og frekvenser foruden god selektivitet. Disse katalysatorer har været aktivt brugt af Novomer Inc at gøre polycarbonater, der kan erstatte den nuværende belægning bisphenol A findes i mange mad og drikke emballage. Novomer analyse viser, at hvis de anvendes i alle tilfælde, disse biologisk nedbrydelige polymercoatings kunne ikke kun lægge beslag på, men også undgå yderligere produktion af CO2 i hundreder af millioner af tons på blot et enkelt år.

  0   0
Forrige artikel Alexander Stepanov
Næste artikel Azad Bonni

Kommentarer - 0

Ingen kommentar

Tilføj en kommentar

smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile smile smile smile smile
smile smile smile smile
Tegn tilbage: 3000
captcha