Биоразлагаемые и биооснованные полимеры

Биоразлагаемые полимеры распадаются посредством гидролиза или ферментативного действия на безвредные продукты, в то время как биооснованные полимеры производятся из возобновляемого сырья; эти два свойства частично совпадают, но являются различными, и оба направлены на снижение экологической нагрузки от обычных пластиков.

Definition

Биоразлагаемые полимеры — это полимеры, которые могут быть разложены посредством гидролиза или микробного и ферментативного действия на низкомолекулярные продукты и в конечном итоге минерализованы, тогда как биооснованные полимеры — это полимеры, синтезированные полностью или частично из возобновляемого биологического сырья, а не из нефти.

Scope

Эта тема охватывает полимеры, разработанные для разложения, и полимеры, полученные из возобновляемых ресурсов: гидролизуемые полиэфиры, такие как полимолочная кислота, полигликолевая кислота, поликапролактон и полигидроксиалканоаты; материалы на основе полисахаридов, такие как крахмал и производные целлюлозы; химию гидролитического и ферментативного разложения; различие между биоразлагаемостью и биооснованным происхождением; а также компромиссы в свойствах, стоимости и путях утилизации.

Core questions

• Какие химические особенности делают полимер биоразлагаемым?
• Чем отличаются биоразлагаемость и биооснованное происхождение, и почему это различие важно?
• Как разлагаются гидролизуемые полиэфиры, такие как полимолочная кислота?
• Какие компромиссы в свойствах и стоимости ограничивают замену обычных пластиков?

Key theories

Гидролитическое и ферментативное разложение

Основные цепи, содержащие сложноэфирные, амидные или гликозидные связи, могут быть расщеплены водой или ферментами на более мелкие фрагменты, которые метаболизируются организмами; скорость разложения зависит от химии связей, кристалличности, гидрофильности и окружающей среды.

Различие между биооснованными и биоразлагаемыми

Возобновляемое происхождение полимера и его разлагаемость независимы: некоторые полимеры, полученные из нефти, биоразлагаемы, в то время как некоторые биооснованные полимеры долговечны, поэтому каждое свойство должно оцениваться отдельно для заявлений об устойчивости.

Mechanisms

Биоразложение обычно начинается с расщепления гидролизуемых связей основной цепи — сложноэфирных связей в алифатических полиэфирах, гликозидных связей в полисахаридах — либо только водой, либо катализируемого микробными ферментами, что снижает молярную массу до тех пор, пока фрагменты не станут достаточно малыми для ассимиляции и минерализации до диоксида углерода, воды и биомассы. Скорость регулируется химией связей, кристалличностью, площадью поверхности, гидрофильностью и окружающими условиями влажности, температуры и микробной активности. Биооснованные полимеры, напротив, определяются сырьем: мономеры, такие как молочная кислота или биогенный этилен, получают путем ферментации или из растительных источников, независимо от того, разлагается ли полученный полимер.

Clinical relevance

Эти материалы решают проблему пластиковых отходов и обеспечивают медицинские функции: компостируемая упаковка, сельскохозяйственные мульчирующие пленки и посуда для общественного питания уменьшают количество стойкого мусора, в то время как резорбируемые полиэфиры, такие как полимолочная и полигликолевая кислоты, используются для шовных материалов, матриц для доставки лекарств и каркасов для тканевой инженерии, которые безопасно разлагаются в организме. Реальное внедрение зависит от соответствия свойств, стоимости и наличия соответствующей инфраструктуры для утилизации.

History

Алифатические полиэфиры были одними из первых синтетических полимеров, изученных Карозерсом в 1930-х годах, но первоначально были отложены как слишком легко гидролизуемые; та же самая гидролизуемость позже сделала их ценными, с резорбируемыми шовными материалами и системами контролируемого высвобождения, разработанными с 1970-х годов, и крупномасштабными биопластиками, такими как полимолочная кислота, коммерциализированными по мере роста обеспокоенности по поводу стойкости пластика.

Key figures

• Wallace Carothers
• Robert Langer

Seminal works

• young2011
• odian2004

Frequently asked questions

Является ли каждый биооснованный полимер биоразлагаемым?

Нет. Происхождение и разлагаемость независимы. Биооснованный полиэтилен, полученный из этилена растительного происхождения, химически идентичен обычному полиэтилену и не биоразлагается, в то время как некоторые полиэфиры, полученные из нефти, разлагаются.

Почему полиэфиры являются такими распространенными биоразлагаемыми полимерами?

Их сложноэфирные связи подвержены гидролизу и ферментативному расщеплению, поэтому основная цепь может быть расщеплена на мелкие, метаболизируемые фрагменты. Это делает алифатические полиэфиры, такие как полимолочная кислота, как компостируемыми, так и полезными в качестве резорбируемых медицинских материалов.