Polímeros Biodegradables y de Origen Biológico

Los polímeros biodegradables se descomponen mediante hidrólisis o acción enzimática en productos benignos, mientras que los polímeros de origen biológico se fabrican a partir de materias primas renovables; ambas propiedades se superponen pero son distintas, y ambas abordan la carga ambiental de los plásticos convencionales.

Definition

Los polímeros biodegradables son polímeros que pueden descomponerse por hidrólisis o acción microbiana y enzimática en productos de baja masa molar y, en última instancia, mineralizarse, mientras que los polímeros de origen biológico son polímeros sintetizados total o parcialmente a partir de materias primas biológicas renovables en lugar de petróleo.

Scope

Este tema abarca los polímeros diseñados para degradarse y los polímeros derivados de recursos renovables: poliésteres hidrolizables como el ácido poliláctico, el ácido poliglicólico, la policaprolactona y los polihidroxialcanoatos; materiales a base de polisacáridos como el almidón y los derivados de la celulosa; la química de la degradación hidrolítica y enzimática; la distinción entre biodegradabilidad y origen biológico; y las compensaciones en propiedades, costo y vías de fin de vida útil.

Core questions

• ¿Qué características químicas hacen que un polímero sea biodegradable?
• ¿Cómo difieren la biodegradabilidad y el origen biológico, y por qué es importante la distinción?
• ¿Cómo se degradan los poliésteres hidrolizables como el ácido poliláctico?
• ¿Qué compensaciones en propiedades y costos limitan el reemplazo de los plásticos convencionales?

Key theories

Degradación hidrolítica y enzimática

Las cadenas principales que contienen enlaces éster, amida o glicosídicos pueden ser escindidas por agua o enzimas en fragmentos más pequeños que los organismos metabolizan; la velocidad de degradación depende de la química del enlace, la cristalinidad, la hidrofilicidad y el entorno.

Distinción entre origen biológico y biodegradabilidad

El origen renovable de un polímero y su degradabilidad son independientes: algunos polímeros derivados del petróleo son biodegradables, mientras que algunos polímeros de origen biológico son duraderos, por lo que cada propiedad debe evaluarse por separado para las afirmaciones de sostenibilidad.

Mechanisms

La biodegradación generalmente comienza con la escisión de los enlaces hidrolizables de la cadena principal —enlaces éster en poliésteres alifáticos, enlaces glicosídicos en polisacáridos— ya sea solo por el agua o catalizada por enzimas microbianas, reduciendo la masa molar hasta que los fragmentos son lo suficientemente pequeños como para ser asimilados y mineralizados a dióxido de carbono, agua y biomasa. La velocidad se rige por la química del enlace, la cristalinidad, el área superficial, la hidrofilicidad y las condiciones circundantes de humedad, temperatura y actividad microbiana. Los polímeros de origen biológico se definen en cambio por la materia prima: monómeros como el ácido láctico o el etileno de origen biológico provienen de la fermentación o de fuentes vegetales, independientemente de si el polímero resultante se degrada.

Clinical relevance

Estos materiales abordan los residuos plásticos y proporcionan una función médica: los envases compostables, las películas de acolchado agrícola y los utensilios de servicio de alimentos reducen la basura persistente, mientras que los poliésteres reabsorbibles como el ácido poliláctico y poliglicólico se utilizan para suturas, matrices de administración de fármacos y andamios de ingeniería de tejidos que se degradan de forma segura en el cuerpo. La adopción realista depende de la coincidencia de propiedades, costo y una infraestructura adecuada para el fin de vida útil.

History

Los poliésteres alifáticos fueron algunos de los primeros polímeros sintéticos que Carothers estudió en la década de 1930, pero inicialmente se dejaron de lado por ser demasiado fácilmente hidrolizables; esa misma hidrolizabilidad los hizo valiosos más tarde, con suturas reabsorbibles y sistemas de liberación controlada desarrollados a partir de la década de 1970 y bioplásticos a gran escala como el ácido poliláctico comercializados a medida que crecía la preocupación por la persistencia del plástico.

Key figures

• Wallace Carothers
• Robert Langer

Seminal works

• young2011
• odian2004

Frequently asked questions

¿Todo polímero de origen biológico es biodegradable?

No. El origen y la degradabilidad son independientes. El polietileno de origen biológico fabricado a partir de etileno derivado de plantas es químicamente idéntico al polietileno ordinario y no se biodegrada, mientras que algunos poliésteres derivados del petróleo sí se degradan.

¿Por qué los poliésteres son polímeros biodegradables tan comunes?

Sus enlaces éster son susceptibles a la hidrólisis y a la escisión enzimática, por lo que la cadena principal puede romperse en fragmentos pequeños y metabolizables. Esto hace que los poliésteres alifáticos como el ácido poliláctico sean compostables y útiles como materiales médicos reabsorbibles.