البوليمرات القابلة للتحلل الحيوي والمشتقة حيوياً
تتحلل البوليمرات القابلة للتحلل الحيوي من خلال التحلل المائي أو الفعل الإنزيمي إلى منتجات حميدة، بينما تُصنع البوليمرات المشتقة حيوياً من مواد خام متجددة؛ تتداخل الخاصيتان ولكنهما متميزتان، وكلاهما يعالج العبء البيئي للبلاستيك التقليدي.
Definition
البوليمرات القابلة للتحلل الحيوي هي بوليمرات يمكن تحليلها بالتحلل المائي أو الفعل الميكروبي والإنزيمي إلى منتجات ذات كتلة مولية منخفضة وتتمعدن في النهاية، بينما البوليمرات المشتقة حيوياً هي بوليمرات تُصنع كلياً أو جزئياً من مواد خام بيولوجية متجددة بدلاً من البترول.
Scope
يغطي هذا الموضوع البوليمرات المصممة للتحلل والبوليمرات المشتقة من الموارد المتجددة: البوليسترات القابلة للتحلل مائياً مثل حمض البوليلاكتيك، وحمض البوليجليكوليك، والبولي كابرولاكتون، والبولي هيدروكسي ألكانوات؛ والمواد القائمة على السكريات المتعددة مثل النشا ومشتقات السليلوز؛ وكيمياء التحلل المائي والإنزيمي؛ والتمييز بين قابلية التحلل الحيوي والأصل الحيوي؛ والمقايضات في الخصائص والتكلفة ومسارات نهاية العمر الافتراضي.
Core questions
- ما هي السمات الكيميائية التي تجعل البوليمر قابلاً للتحلل الحيوي؟
- كيف يختلف التحلل الحيوي عن الأصل الحيوي، ولماذا هذا التمييز مهم؟
- كيف تتحلل البوليسترات القابلة للتحلل مائياً مثل حمض البوليلاكتيك؟
- ما هي المقايضات في الخصائص والتكلفة التي تحد من استبدال البلاستيك التقليدي؟
Key theories
- التحلل المائي والإنزيمي
- يمكن أن تتحلل السلاسل الرئيسية التي تحتوي على روابط إستر أو أميد أو غليكوزيدية بواسطة الماء أو الإنزيمات إلى شظايا أصغر يمكن للكائنات الحية استقلابها؛ ويعتمد معدل التحلل على كيمياء الروابط، والبلورية، والمحبة للماء، والبيئة.
- التمييز بين الأصل الحيوي والقابلية للتحلل الحيوي
- إن الأصل المتجدد للبوليمر وقابليته للتحلل مستقلان: فبعض البوليمرات المشتقة من البترول قابلة للتحلل الحيوي بينما بعض البوليمرات المشتقة حيوياً متينة، لذا يجب تقييم كل خاصية على حدة للمطالبات المتعلقة بالاستدامة.
Mechanisms
يبدأ التحلل الحيوي عادةً بانشطار الروابط الهيكلية القابلة للتحلل مائياً — روابط الإستر في البوليسترات الأليفاتية، والروابط الغليكوزيدية في السكريات المتعددة — إما بالماء وحده أو بتحفيز من الإنزيمات الميكروبية، مما يقلل الكتلة المولية حتى تصبح الشظايا صغيرة بما يكفي لاستيعابها وتمعدنها إلى ثاني أكسيد الكربون والماء والكتلة الحيوية. تتحكم في المعدل كيمياء الروابط، والبلورية، والمساحة السطحية، والمحبة للماء، والظروف المحيطة من الرطوبة ودرجة الحرارة والنشاط الميكروبي. أما البوليمرات المشتقة حيوياً فتُعرّف بموادها الخام: فالمونومرات مثل حمض اللاكتيك أو الإيثيلين المشتق حيوياً تأتي من التخمير أو المصادر النباتية، بغض النظر عما إذا كان البوليمر الناتج يتحلل.
Clinical relevance
تعالج هذه المواد مشكلة النفايات البلاستيكية وتوفر وظيفة طبية: تقلل التعبئة القابلة للتحويل إلى سماد، وأفلام التغطية الزراعية، وأدوات تقديم الطعام من النفايات المستمرة، بينما تُستخدم البوليسترات القابابلة للامتصاص مثل حمض البوليلاكتيك وحمض البوليجليكوليك في الخيوط الجراحية، ومصفوفات توصيل الأدوية، وسقالات هندسة الأنسجة التي تتحلل بأمان في الجسم. يعتمد التبني الواقعي على مطابقة الخصائص والتكلفة والبنية التحتية المناسبة لنهاية العمر الافتراضي.
History
كانت البوليسترات الأليفاتية من أوائل البوليمرات الاصطناعية التي درسها كاروثرز في ثلاثينيات القرن الماضي، ولكنها أُهملت في البداية لسهولة تحللها؛ لاحقاً، جعلتها نفس قابلية التحلل هذه ذات قيمة، حيث طُورت خيوط جراحية قابلة للامتصاص وأنظمة إطلاق متحكم بها منذ سبعينيات القرن الماضي، وتم تسويق البلاستيك الحيوي على نطاق واسع مثل حمض البوليلاكتيك مع تزايد القلق بشأن استمرارية البلاستيك.
Key figures
- Wallace Carothers
- Robert Langer
Related topics
Seminal works
- young2011
- odian2004
Frequently asked questions
- هل كل بوليمر مشتق حيوياً قابل للتحلل الحيوي؟
- لا. الأصل والقابلية للتحلل مستقلان. فالبولي إيثيلين المشتق حيوياً المصنوع من الإيثيلين المشتق من النباتات مطابق كيميائياً للبولي إيثيلين العادي ولا يتحلل حيوياً، بينما تتحلل بعض البوليسترات المشتقة من البترول.
- لماذا تعتبر البوليسترات بوليمرات قابلة للتحلل الحيوي شائعة جداً؟
- روابط الإستر فيها عرضة للتحلل المائي والانشطار الإنزيمي، لذا يمكن كسر السلسلة الرئيسية إلى شظايا صغيرة قابلة للاستقلاب. وهذا يجعل البوليسترات الأليفاتية مثل حمض البوليلاكتيك قابلة للتحويل إلى سماد ومفيدة كمواد طبية قابلة للامتصاص.