Polyme phân hủy sinh học và polyme sinh học

Polyme phân hủy sinh học phân hủy thông qua quá trình thủy phân hoặc hoạt động của enzyme thành các sản phẩm lành tính, trong khi polyme sinh học được tạo ra từ nguyên liệu tái tạo; hai đặc tính này trùng lặp nhưng khác biệt, và cả hai đều giải quyết gánh nặng môi trường của nhựa thông thường.

Definition

Polyme phân hủy sinh học là các polyme có thể bị phân hủy bởi quá trình thủy phân hoặc hoạt động của vi sinh vật và enzyme thành các sản phẩm có khối lượng phân tử thấp và cuối cùng được khoáng hóa, trong khi polyme sinh học là các polyme được tổng hợp hoàn toàn hoặc một phần từ nguyên liệu sinh học tái tạo thay vì dầu mỏ.

Scope

Chủ đề này bao gồm các polyme được thiết kế để phân hủy và các polyme có nguồn gốc từ tài nguyên tái tạo: polyester có thể thủy phân như axit polylactic, axit polyglycolic, polycaprolactone và polyhydroxyalkanoates; vật liệu dựa trên polysacarit như tinh bột và các dẫn xuất xenluloza; hóa học của sự phân hủy thủy phân và enzyme; sự khác biệt giữa khả năng phân hủy sinh học và nguồn gốc sinh học; và sự đánh đổi về tính chất, chi phí và các con đường cuối vòng đời.

Core questions

• Những đặc điểm hóa học nào làm cho một polyme có khả năng phân hủy sinh học?
• Khả năng phân hủy sinh học và nguồn gốc sinh học khác nhau như thế nào, và tại sao sự khác biệt này lại quan trọng?
• Các polyester có thể thủy phân như axit polylactic phân hủy như thế nào?
• Những sự đánh đổi về tính chất và chi phí nào hạn chế việc thay thế nhựa thông thường?

Key theories

Phân hủy thủy phân và enzyme

Các xương sống chứa liên kết este, amit hoặc glycosidic có thể bị cắt đứt bởi nước hoặc enzyme thành các mảnh nhỏ hơn mà các sinh vật chuyển hóa; tốc độ phân hủy phụ thuộc vào hóa học liên kết, độ kết tinh, tính ưa nước và môi trường.

Sự khác biệt giữa nguồn gốc sinh học và khả năng phân hủy sinh học

Nguồn gốc tái tạo của một polyme và khả năng phân hủy của nó là độc lập: một số polyme có nguồn gốc từ dầu mỏ có khả năng phân hủy sinh học trong khi một số polyme có nguồn gốc sinh học lại bền, vì vậy mỗi đặc tính phải được đánh giá riêng để đưa ra các tuyên bố về tính bền vững.

Mechanisms

Sự phân hủy sinh học thường bắt đầu bằng việc cắt đứt các liên kết xương sống có thể thủy phân—liên kết este trong polyester béo, liên kết glycosidic trong polysacarit—bằng nước hoặc được xúc tác bởi các enzyme vi sinh vật, làm giảm khối lượng phân tử cho đến khi các mảnh đủ nhỏ để được đồng hóa và khoáng hóa thành carbon dioxide, nước và sinh khối. Tốc độ được điều chỉnh bởi hóa học liên kết, độ kết tinh, diện tích bề mặt, tính ưa nước và các điều kiện môi trường xung quanh về độ ẩm, nhiệt độ và hoạt động của vi sinh vật. Polyme sinh học được xác định bởi nguyên liệu đầu vào: các monome như axit lactic hoặc ethylene có nguồn gốc sinh học đến từ quá trình lên men hoặc nguồn thực vật, độc lập với việc polyme tạo thành có phân hủy hay không.

Clinical relevance

Những vật liệu này giải quyết vấn đề rác thải nhựa và cung cấp chức năng y tế: bao bì có thể phân hủy, màng phủ nông nghiệp và đồ dùng phục vụ thực phẩm làm giảm rác thải dai dẳng, trong khi các polyester có thể hấp thụ như axit polylactic và polyglycolic được sử dụng cho chỉ khâu, ma trận phân phối thuốc và giàn giáo kỹ thuật mô phân hủy an toàn trong cơ thể. Việc áp dụng thực tế phụ thuộc vào việc kết hợp các đặc tính, chi phí và cơ sở hạ tầng cuối vòng đời phù hợp.

History

Polyester béo là một trong những polyme tổng hợp đầu tiên mà Carothers nghiên cứu vào những năm 1930 nhưng ban đầu bị gạt sang một bên vì quá dễ thủy phân; khả năng thủy phân tương tự sau đó đã khiến chúng trở nên có giá trị, với các chỉ khâu có thể hấp thụ và hệ thống giải phóng có kiểm soát được phát triển từ những năm 1970 và các loại nhựa sinh học quy mô lớn như axit polylactic được thương mại hóa khi mối lo ngại về sự tồn tại của nhựa ngày càng tăng.

Key figures

• Wallace Carothers
• Robert Langer

Seminal works

• young2011
• odian2004

Frequently asked questions

Mọi polyme sinh học có phải là polyme phân hủy sinh học không?

Không. Nguồn gốc và khả năng phân hủy là độc lập. Polyethylene sinh học được làm từ ethylene có nguồn gốc thực vật có cấu trúc hóa học giống hệt polyethylene thông thường và không phân hủy sinh học, trong khi một số polyester có nguồn gốc từ dầu mỏ lại phân hủy.

Tại sao polyester lại là polyme phân hủy sinh học phổ biến?

Các liên kết este của chúng dễ bị thủy phân và cắt đứt bởi enzyme, do đó xương sống có thể bị phá vỡ thành các mảnh nhỏ, có thể chuyển hóa được. Điều này làm cho các polyester béo như axit polylactic vừa có thể phân hủy thành phân hữu cơ vừa hữu ích làm vật liệu y tế có thể hấp thụ.