Perspectivas sobre bioquímica y materiales poliméricos
Resumen: En la actualidad, la producción y uso de materiales poliméricos en mi país ha saltado a la vanguardia mundial, generando millones de toneladas de residuos cada año. Por lo tanto, existe una necesidad urgente de que muchos polímeros sean biodegradables para reducir la contaminación para los seres humanos y el medio ambiente. Este artículo analiza el desarrollo y la aplicación actuales de materiales poliméricos biodegradables.
[Palabras clave]Materiales poliméricos biodegradables
En la actualidad, la producción y el uso de materiales poliméricos en mi país ha saltado a la vanguardia mundial, produciendo millones de toneladas de residuos cada año. . Por lo tanto, existe una necesidad urgente de que muchos polímeros sean biodegradables para reducir la contaminación para los seres humanos y el medio ambiente. Los materiales biodegradables se refieren a materiales que pueden degradarse completamente en materiales de bajo peso molecular bajo la acción de microorganismos naturales, como bacterias, moho, algas, etc. Este material es fácil de almacenar, siempre que se mantenga seco y no sea necesario protegerlo de la luz. Es muy utilizado y puede utilizarse en películas plásticas, bolsas de embalaje, medicamentos y otros campos. Hay tres mecanismos de biodegradación: el crecimiento de células biológicas provoca la destrucción mecánica de sustancias; los microorganismos actúan sobre los polímeros para producir nuevas sustancias y la acción directa de las enzimas, es decir, los microorganismos erosionan los polímeros, provocando su agrietamiento. Con base en el mecanismo anterior, a continuación se presentan varios de los principales materiales poliméricos biodegradables que se están estudiando actualmente.
1. El concepto y mecanismo de degradación de los materiales poliméricos biodegradables
Los materiales poliméricos biodegradables se refieren a la acción de la descomposición enzimática o química bajo ciertas condiciones y dentro de un período de tiempo determinado. que pueden ser degradados por microorganismos o sus secreciones.
La biodegradación tiene tres mecanismos: el crecimiento de las células biológicas provoca la destrucción mecánica de las sustancias; los microorganismos actúan sobre los polímeros para producir nuevas sustancias y la acción directa de las enzimas, es decir, los microorganismos erosionan los polímeros, provocando su agrietamiento. Generalmente se cree que la biodegradación de materiales poliméricos pasa por dos procesos. Primero, los microorganismos secretan enzimas hidrolíticas in vitro y se combinan con la superficie del material, cortando la cadena polimérica mediante hidrólisis para generar compuestos de pequeño peso molecular con un peso molecular inferior a 500, luego los productos de degradación son ingeridos por los microorganismos; el cuerpo humano, y a través de diversas vías metabólicas, se sintetizan o transforman en sustancias microbianas. La energía para las actividades microbianas finalmente se convierte en agua y dióxido de carbono.
Por tanto, la biodegradación no es un mecanismo único, sino un proceso físico y químico complejo en el que la biofísica y la bioquímica cooperan y se potencian mutuamente. Hasta la fecha, el mecanismo de biodegradación no ha sido completamente dilucidado. Además de la biodegradación, la degradación de materiales poliméricos en el cuerpo también se ha descrito como bioabsorción, bioerosión y biodegradación. La degradación de materiales poliméricos biodegradables no solo está relacionada con las propiedades del material en sí, sino también con el entorno externo como la temperatura, enzimas, valor de PH, microorganismos, etc.
2. Tipos de materiales poliméricos biodegradables
Según la fuente, los materiales poliméricos biodegradables se pueden dividir en polímeros naturales y polímeros sintéticos. Según la clasificación de usos, los materiales poliméricos biodegradables se dividen en dos categorías: médicos y no médicos. Según el método de síntesis, se puede dividir en los siguientes tipos.
2.1 Rendimiento microbiano
Polímeros sintetizados por microorganismos. Este tipo de polímero incluye principalmente poliésteres microbianos y polisacáridos microbianos, que son biodegradables y pueden usarse para fabricar plásticos biodegradables que no contaminan el medio ambiente. Como el producto "Biopol" producido por la empresa británica ICI.
2.2 Tipos de polímeros sintéticos
El poliéster alifático tiene buena biodegradabilidad. Sin embargo, tiene un punto de fusión bajo, poca solidez y resistencia al calor y no se puede utilizar. El poliéster aromático (PET) y la poliamida tienen altos puntos de fusión y buena resistencia. Son plásticos de ingeniería con un alto valor de aplicación, pero no son biodegradables. Los poliésteres (o poliamidas) alifáticos y aromáticos se convierten en * * * polímeros con cierta estructura, buen rendimiento y cierta biodegradabilidad.
2.3 Tipos de polímeros naturales
La celulosa, la quitina y la lignina existentes en la naturaleza son polímeros naturales degradables y pueden ser completamente degradados por microorganismos. Sin embargo, debido a las insuficientes propiedades físicas de la celulosa, la resistencia al agua y la resistencia de las membranas hechas de celulosa por sí solas no pueden cumplir los requisitos. Por tanto, la mayoría de ellos se mezclan con otros polímeros, como los polisacáridos desacetilados elaborados a partir de quitina. 2.4 Tipo de mezcla
En materiales poliméricos no biodegradables, se mezcla una cierta cantidad de compuestos poliméricos biodegradables para hacer que el producto sea biodegradable en una medida considerable, lo que hace que la mezcla sea biodegradable. Degrada los materiales poliméricos, pero este material no es completamente biodegradable.
3. Desarrollo de materiales poliméricos biodegradables.
3.1 Métodos tradicionales para desarrollar materiales poliméricos biodegradables
Los métodos tradicionales para desarrollar materiales poliméricos biodegradables incluyen la modificación de polímeros naturales, la síntesis química y la fermentación microbiana.
3.1.1 Métodos de modificación de polímeros naturales
Mediante modificación química y * * * mezcla, se puede extraer una gran cantidad de polímeros de polisacáridos existentes en la naturaleza, como almidón, celulosa, polímeros naturales biodegradables. como la quitina se modifican para sintetizar materiales poliméricos biodegradables. Aunque este método tiene suficientes materias primas, generalmente es difícil de moldear y procesar, y el rendimiento es pequeño, lo que limita su aplicación.
3.1.2 Método de síntesis química
Al simular la estructura química de polímeros naturales, se preparan polímeros que contienen grupos éster, grupos amida y grupos peptídicos en la cadena molecular a partir de moléculas pequeñas y simples. . Estos compuestos poliméricos contienen estructuras químicas biodegradables o fragmentos biodegradables incrustados en la cadena polimérica. El método de síntesis química tiene condiciones de reacción duras, muchos subproductos, procesos complejos y altos costos.
3.1.3 Método de fermentación microbiana
Muchos organismos pueden utilizar algo de materia orgánica como fuente de carbono para secretar polímeros de poliéster o polisacáridos a través del metabolismo. Sin embargo, es difícil aislar los productos sintéticos mediante fermentación microbiana y también existen algunos subproductos.
3.2 Un nuevo método para desarrollar materiales poliméricos biodegradables: síntesis enzimática
La síntesis enzimática de materiales poliméricos biodegradables se beneficia del desarrollo de enzimología no acuosa. Muestra diferentes propiedades en medios orgánicos y. Tiene la capacidad de catalizar algunas reacciones especiales, mostrando así muchas características que la fase acuosa no tiene.
3.3 Combinar síntesis enzimática y síntesis química.
La síntesis enzimática tiene un alto grado de estereoselectividad posicional y, mientras que la polimerización química puede aumentar eficazmente el peso molecular del polímero. Por lo tanto, para mejorar la eficiencia de la polimerización, muchos investigadores han comenzado a utilizar la síntesis enzimática y la síntesis química para sintetizar materiales poliméricos biodegradables.
4. Aplicación de materiales poliméricos biodegradables
En la actualidad, los materiales poliméricos biodegradables tienen dos usos principales: (1) Utilizar su biodegradabilidad para resolver problemas de contaminación ambiental, para asegurar el desarrollo sostenible de el entorno de vida humano. Generalmente existen tres formas de abordar los materiales poliméricos, como los vertederos, la incineración y el reciclaje, pero estos métodos tienen sus desventajas. (2) Aprovechando su biodegradabilidad, puede utilizarse como material biomédico. En la actualidad, nuestro país produce cada año más de 300 mil millones de comprimidos y cápsulas de liberación controlada, de los cuales más del 70% son recubiertos y más del 80% de los comprimidos recubiertos son comprimidos recubiertos de azúcar tradicionales. En los países desarrollados, más de 80. % utiliza materiales poliméricos solubles en agua. Disponible en forma de tabletas recubiertas con película. Por lo tanto, el nivel de fabricación de tabletas de mi país está lejos del nivel avanzado internacional. Las tabletas extranjeras y las tabletas recubiertas con película utilizan principalmente hidroxipropilmetilcelulosa, hidroxipropilcelulosa, resina acrílica, polivinilpirrolidona, acetato de celulosa, acetato ftalato de celulosa, hidroximetilcelulosa de sodio, microcelulosa cristalina, hidroximetilalmidón de sodio, etc.
Materiales de referencia:
Hou Hongjiang, Chen Fusheng, Cheng Xiaoli, Xin Ying. Avances de la investigación sobre la biodegradabilidad de materiales biodegradables [J]. Ciencia y Tecnología del Plástico, 2009, (03): 89-93.
Zhai Meiyu, Peng Qian. Materiales poliméricos biodegradables [J]. Química y Adhesión, 2008, (05).