Химики получили биоразлагаемый барополимер

Немецкие химики создали перерабатываемый и биоразлагаемый барополимер. Он отличается в том числе минимальной экологической опасностью и простотой синтеза. Исследование опубликовано в журнале Small.

На данный момент подавляющее большинство широко используемых полимеров являются термопластичными, из-за чего обладают рядом недостатков. Для придания формы изделию приходится затрачивать много энергии на плавление пластиковых гранул и поддержание их текучего состояния, вторичная переработка полимеров ограничена термической деструкцией, ряд применяемых добавок разрушаются под длительным воздействием температуры, при этом сами полимеры устойчивы к разложению и могут отравлять почву столетиями. В процессе поиска решений этих проблем разработаны биоразлагаемые барополимеры. Для литья изделий из таких полимеров не требовалась высокая температура, лишь небольшой нагрев и давление около 10 мегапаскалей. Однако их биоразлагаемость была очень условной, некоторые эксперименты показывали, что через 4 недели в почве вес образцов уменьшается менее чем на 3%.

Андреас Грайнер (Andreas Greiner) из Байройтского университета вместе с коллегами получил биоразлагаемый барополимер на основе поли-L-молочной кислоты и полиэтиленгликоля, который прошел проверку на разлагаемость в компосте.

Блок-сополимеры синтезированы методом полимеризации с раскрытием кольца лактида в присутствии гидроксифункционализированных молекул PEG как на обеих концах цепи, так и на одном, и 2-этилгексаноата олова в качестве катализатора. Таким образом получили несколько структур типа PLLA-PEG-PLLA, PLLA-PEG, PDLLA-PEG-PDLLA и PDLLA-PEG, где PLLA — это поли-L-молочная кислота, PDLLA — это поли-D,L-молочная кислота, а PEG — это полиэтиленгликоль. С полученными сополимерами ученые провели ряд экспериментов. С помощью протонной спектроскопии ядерного магнитного резонанса они определили число мономеров в блоках PDLLA, PLLA и PEG в полученных образцах с целью характеризации структуры. Далее у образцов измерили термические переходы методом дифференциальной сканирующей калориметрии и выяснили, что все блок-сополимеры демонстрировали переход в фазу плавления, соответствующий блоку PEG, а у полимеров с PLLA наблюдался еще и второй пик плавления.

После ученые решили узнать, насколько полученные сополимеры были барополимерами, то есть поддавались ли плавлению при низких температурах и высоком давлении. Они установили, что подходят только полимеры типа PLLA-PEG-PLLA с блоками определенной длины. Остальные сополимеры иногда образовывали пленки в условиях баропластической обработки, но эти пленки были хрупкими и ломались при механическом воздействии. Тот факт, что баропластическое поведение наблюдается только у некоторых блок-сополимеров, авторы объяснили особым взаимодействием между блочной структурой и сегментами. Блок-сополимеры с PDLLA не проявляли баропластических свойств в принципе, что исследователи связывают с его аморфной природой. Также удалось установить, что хоть для стабильности процесса и была выбрана температура в 37 градусов Цельсия и давление в 10 мегапаскалей, получать данные блок-сополимеры можно было и при 22 градусах Цельсия и 5 мегапаскалях.

Кроме того, ученые оценили реальное воздействие на окружающую среду путем захоронения полученных ими полимеров в компосте и проверки их совместимости с клетками и водными организмами. В компосте пленки из PLLA-PEG-PLLA разлагались значительно быстрее, чем пленки из PLLA, о чем свидетельствовал более высокий уровень выделения CO₂. Активная биодеградация продолжалась до 60 дней, после чего эксперимент был остановлен. Авторы считают, что это неплохие результаты. Во-первых, их полимер разлагался все-таки быстрее, чем просто пленки из PLLA, которые считаются стандартом среди биоразлагаемых полимеров. А во-вторых, промышленные процессы компостирования длятся значительно дольше, что указывает на возможность дальнейшего разложения в реальных условиях. Экологическая совместимость баропластичных полимеров с клеточными линиями млекопитающих и с большой дафнией (Daphnia magna) показала, что полученные немецкими химиками образцы барополимера не проявляли признаков выраженной цитотоксичности или острой водной токсичности, что указывает на их принципиальную совместимость как с млекопитающими, так и с водными организмами.

Авторы оценили и возможность химической и физической переработки полимеров и инкапсуляции флуоресцентного белка, который применялся в качестве добавки к полимеру. Полученные данные показали, что после физической переработки барополимер не испытал заметной деградации, а после химической удалось эффективно деполимеризовать образцы и разделить полученные компоненты. Флуоресцентный белок не утратил своих излучательных свойств в результате барополимеризации, при этом при переработке с нагревом около 135 градусов Цельсия белок практически полностью утратил возможность флуоресцировать, что говорит о возможности сохранения свойств для термочувствительных добавок у барополимеров.

Ученые заключили, что сополимеры типа PLLA-PEG-PLLA представляют собой отличный пример биоразлагаемых барополимеров, которые обладают рядом таких уникальных свойств как термомеханическая стабильность, возможность промышленного компостирования, минимальная экологическая опасность, а также возможность физической и химической переработки, простота синтеза, отсутствие термодеструкции добавок в условиях баропластики.

В сфере биоразлагаемых материалов, кроме синтеза новых материалов, существуют и другие подходы, использующие уже готовые природные материалы с небольшой степенью обработки. Например, американские материаловеды получили биоразлагаемый материал из древесной стружки.