پلیمرهای زیستتخریبپذیر و زیستمبنا
پلیمرهای زیستتخریبپذیر از طریق هیدرولیز یا عمل آنزیمی به محصولات بیضرر تجزیه میشوند، در حالی که پلیمرهای زیستمبنا از مواد اولیه تجدیدپذیر ساخته میشوند؛ این دو ویژگی با هم همپوشانی دارند اما متمایز هستند و هر دو به بار زیستمحیطی پلاستیکهای معمولی میپردازند.
Definition
پلیمرهای زیستتخریبپذیر پلیمرهایی هستند که میتوانند توسط هیدرولیز یا عمل میکروبی و آنزیمی به محصولات با جرم مولی پایین تجزیه شده و در نهایت معدنی شوند، در حالی که پلیمرهای زیستمبنا پلیمرهایی هستند که به طور کامل یا جزئی از مواد اولیه بیولوژیکی تجدیدپذیر به جای نفت سنتز میشوند.
Scope
این موضوع پلیمرهایی را پوشش میدهد که برای تجزیه شدن طراحی شدهاند و پلیمرهایی که از منابع تجدیدپذیر مشتق شدهاند: پلیاسترهای قابل هیدرولیز مانند پلیلاکتیک اسید، پلیگلیکولیک اسید، پلیکاپرولاکتون و پلیهیدروکسیآلکانواتها؛ مواد مبتنی بر پلیساکارید مانند نشاسته و مشتقات سلولز؛ شیمی تخریب هیدرولیتیک و آنزیمی؛ تمایز بین زیستتخریبپذیری و منشأ زیستمبنا؛ و مبادلات در خواص، هزینه و مسیرهای پایان عمر.
Core questions
- چه ویژگیهای شیمیایی یک پلیمر را زیستتخریبپذیر میکند؟
- زیستتخریبپذیری و منشأ زیستمبنا چه تفاوتی دارند و چرا این تمایز مهم است؟
- پلیاسترهای قابل هیدرولیز مانند پلیلاکتیک اسید چگونه تجزیه میشوند؟
- چه مبادلات خواص و هزینهای جایگزینی پلاستیکهای معمولی را محدود میکند؟
Key theories
- تخریب هیدرولیتیک و آنزیمی
- ستون فقرات حاوی پیوندهای استری، آمیدی یا گلیکوزیدی میتواند توسط آب یا آنزیمها به قطعات کوچکتر شکسته شود که ارگانیسمها آنها را متابولیزه میکنند؛ سرعت تخریب به شیمی پیوند، بلورینگی، آبدوستی و محیط بستگی دارد.
- تمایز زیستمبنا و زیستتخریبپذیر
- منشأ تجدیدپذیر یک پلیمر و قابلیت تجزیه آن مستقل هستند: برخی از پلیمرهای مشتق شده از نفت زیستتخریبپذیر هستند در حالی که برخی از پلیمرهای زیستمبنا بادوام هستند، بنابراین هر ویژگی باید به طور جداگانه برای ادعاهای پایداری ارزیابی شود.
Mechanisms
زیستتخریبپذیری معمولاً با شکافتن پیوندهای ستون فقرات قابل هیدرولیز—پیوندهای استری در پلیاسترهای آلیفاتیک، پیوندهای گلیکوزیدی در پلیساکاریدها—چه تنها توسط آب و چه با کاتالیز آنزیمهای میکروبی آغاز میشود، که جرم مولی را کاهش میدهد تا زمانی که قطعات به اندازهای کوچک شوند که بتوانند جذب و به دیاکسید کربن، آب و زیستتوده معدنی شوند. سرعت توسط شیمی پیوند، بلورینگی، مساحت سطح، آبدوستی و شرایط محیطی رطوبت، دما و فعالیت میکروبی کنترل میشود. پلیمرهای زیستمبنا به جای آن با ماده اولیه تعریف میشوند: مونومرهایی مانند اسید لاکتیک یا اتیلن مشتق شده از زیستتوده از تخمیر یا منابع گیاهی به دست میآیند، مستقل از اینکه پلیمر حاصل تجزیه شود یا خیر.
Clinical relevance
این مواد به معضل زبالههای پلاستیکی میپردازند و عملکرد پزشکی ارائه میدهند: بستهبندیهای قابل کمپوست، فیلمهای مالچ کشاورزی و ظروف سرویس غذا، زبالههای ماندگار را کاهش میدهند، در حالی که پلیاسترهای قابل جذب مانند پلیلاکتیک و پلیگلیکولیک اسید برای بخیهها، ماتریسهای دارورسانی و داربستهای مهندسی بافت استفاده میشوند که به طور ایمن در بدن تجزیه میشوند. پذیرش واقعبینانه به تطابق خواص، هزینه و زیرساختهای مناسب پایان عمر بستگی دارد.
History
پلیاسترهای آلیفاتیک از اولین پلیمرهای مصنوعی بودند که کاروترز در دهه ۱۹۳۰ مورد مطالعه قرار داد، اما در ابتدا به دلیل سهولت هیدرولیز کنار گذاشته شدند؛ همان قابلیت هیدرولیز بعداً آنها را ارزشمند ساخت، با بخیههای قابل جذب و سیستمهای رهش کنترلشده که از دهه ۱۹۷۰ توسعه یافتند و بیوپلاستیکهای در مقیاس بزرگ مانند پلیلاکتیک اسید با افزایش نگرانی در مورد ماندگاری پلاستیک تجاری شدند.
Key figures
- Wallace Carothers
- Robert Langer
Related topics
Seminal works
- young2011
- odian2004
Frequently asked questions
- آیا هر پلیمر زیستمبنایی زیستتخریبپذیر است؟
- خیر. منشأ و قابلیت تجزیه مستقل هستند. پلیاتیلن زیستمبنا ساخته شده از اتیلن مشتق شده از گیاه از نظر شیمیایی با پلیاتیلن معمولی یکسان است و زیستتخریبپذیر نیست، در حالی که برخی از پلیاسترهای مشتق شده از نفت تجزیه میشوند.
- چرا پلیاسترها پلیمرهای زیستتخریبپذیر رایجی هستند؟
- پیوندهای استری آنها مستعد هیدرولیز و شکافتن آنزیمی هستند، بنابراین ستون فقرات میتواند به قطعات کوچک و قابل متابولیسم شکسته شود. این امر پلیاسترهای آلیفاتیک مانند پلیلاکتیک اسید را هم قابل کمپوست و هم به عنوان مواد پزشکی قابل جذب مفید میسازد.