Polímeros Biodegradáveis e de Base Biológica

Polímeros biodegradáveis decompõem-se por hidrólise ou ação enzimática em produtos benignos, enquanto polímeros de base biológica são feitos a partir de matérias-primas renováveis; as duas propriedades se sobrepõem, mas são distintas, e ambas abordam o ônus ambiental dos plásticos convencionais.

Definition

Polímeros biodegradáveis são polímeros que podem ser decompostos por hidrólise ou ação microbiana e enzimática em produtos de baixa massa molar e, finalmente, mineralizados, enquanto polímeros de base biológica são polímeros sintetizados total ou parcialmente a partir de matérias-primas biológicas renováveis, em vez de petróleo.

Scope

Este tópico abrange polímeros projetados para degradar e polímeros derivados de recursos renováveis: poliésteres hidrolisáveis como ácido polilático, ácido poliglicólico, policaprolactona e polihidroxialcanoatos; materiais à base de polissacarídeos como amido e derivados de celulose; a química da degradação hidrolítica e enzimática; a distinção entre biodegradabilidade e origem de base biológica; e as compensações em propriedades, custo e vias de fim de vida útil.

Core questions

• Que características químicas tornam um polímero biodegradável?
• Como a biodegradabilidade e a origem de base biológica diferem, e por que a distinção é importante?
• Como os poliésteres hidrolisáveis, como o ácido polilático, se degradam?
• Quais compensações de propriedade e custo limitam a substituição dos plásticos convencionais?

Key theories

Degradação hidrolítica e enzimática

Cadeias principais contendo ligações éster, amida ou glicosídicas podem ser clivadas por água ou enzimas em fragmentos menores que os organismos metabolizam; a taxa de degradação depende da química da ligação, cristalinidade, hidrofilicidade e ambiente.

Distinção entre base biológica e biodegradável

A origem renovável de um polímero e sua degradabilidade são independentes: alguns polímeros derivados de petróleo são biodegradáveis, enquanto alguns polímeros de base biológica são duráveis, portanto, cada propriedade deve ser avaliada separadamente para alegações de sustentabilidade.

Mechanisms

A biodegradação geralmente começa com a clivagem de ligações hidrolisáveis da cadeia principal — ligações éster em poliésteres alifáticos, ligações glicosídicas em polissacarídeos — seja apenas pela água ou catalisada por enzimas microbianas, reduzindo a massa molar até que os fragmentos sejam pequenos o suficiente para serem assimilados e mineralizados em dióxido de carbono, água e biomassa. A taxa é governada pela química da ligação, cristalinidade, área de superfície, hidrofilicidade e as condições circundantes de umidade, temperatura e atividade microbiana. Polímeros de base biológica são, em vez disso, definidos pela matéria-prima: monômeros como ácido lático ou etileno de origem biológica vêm da fermentação ou de fontes vegetais, independentemente de o polímero resultante degradar.

Clinical relevance

Esses materiais abordam o problema do lixo plástico e fornecem função médica: embalagens compostáveis, filmes de cobertura agrícola e utensílios de serviço de alimentos reduzem o lixo persistente, enquanto poliésteres reabsorvíveis como ácido polilático e poliglicólico são usados para suturas, matrizes de liberação de medicamentos e andaimes de engenharia de tecidos que se degradam com segurança no corpo. A adoção realista depende da correspondência de propriedades, custo e infraestrutura apropriada de fim de vida útil.

History

Poliésteres alifáticos estavam entre os primeiros polímeros sintéticos estudados por Carothers na década de 1930, mas foram inicialmente deixados de lado por serem muito facilmente hidrolisados; essa mesma hidrolisabilidade mais tarde os tornou valiosos, com suturas reabsorvíveis e sistemas de liberação controlada desenvolvidos a partir da década de 1970 e bioplásticos em larga escala, como o ácido polilático, comercializados à medida que a preocupação com a persistência do plástico crescia.

Key figures

• Wallace Carothers
• Robert Langer

Seminal works

• young2011
• odian2004

Frequently asked questions

Todo polímero de base biológica é biodegradável?

Não. Origem e degradabilidade são independentes. O polietileno de base biológica feito de etileno derivado de plantas é quimicamente idêntico ao polietileno comum e não biodegrada, enquanto alguns poliésteres derivados de petróleo se degradam.

Por que os poliésteres são polímeros biodegradáveis tão comuns?

Suas ligações éster são suscetíveis à hidrólise e clivagem enzimática, de modo que a cadeia principal pode ser quebrada em pequenos fragmentos metabolizáveis. Isso torna os poliésteres alifáticos como o ácido polilático tanto compostáveis quanto úteis como materiais médicos reabsorvíveis.