KWAS POLIMLEKOWY: BUDOWA, WŁAŚCIWOŚCI, SYNTEZA, ZASTOSOWANIA - CHEMIA - 2025

Kwasu mlekowego, których właściwa nazwa jest poli (kwas mlekowy), to materiał utworzony przez polimeryzację kwasu mlekowego. Znany jest również jako poli-laktyd, ponieważ można go otrzymać w wyniku rozkładu i polimeryzacji laktydu, który jest dimerem kwasu mlekowego.

Poli (kwas mlekowy) lub PLA nie jest kwasem, to poliester, co widać w monomerze, z którego jest zbudowany. Jest to łatwo biodegradowalny polimer i jest biokompatybilny. Obie właściwości wynikają z tego, że można go łatwo hydrolizować zarówno w środowisku, jak iw organizmie człowieka lub zwierzęcia. Ponadto jego degradacja nie generuje toksycznych związków.

Uproszczony wzór polimeru kwasu mlekowego lub poli (kwasu mlekowego). Polimerek. Źródło: Wikipedia Commons.

Udział PLA w filamentach do szycia podczas operacji chirurgicznych jest znany od lat. Jest również stosowany w przemyśle farmaceutycznym w lekach o spowolnionym uwalnianiu.

Jest stosowany w implantach dla ludzkiego ciała i istnieje wiele badań dotyczących jego wykorzystania w tkankach biologicznych, a także do druku trójwymiarowego (3D) w najróżniejszych zastosowaniach.

Będąc jednym z najbardziej biodegradowalnych i nietoksycznych polimerów, jego producenci zaproponowali zastąpienie tym materiałem wszystkich tworzyw sztucznych ropopochodnych, które są obecnie używane w tysiącach zastosowań.

Dodatkowo, zdaniem jego producentów, ponieważ pochodzi on ze źródeł odnawialnych, produkcja i wykorzystanie PLA to sposób na zmniejszenie ilości CO ₂ powstającego przy produkcji tworzyw sztucznych z przemysłu petrochemicznego.

Struktura

Poli (kwas mlekowy) jest poliestrem, to znaczy ma powtarzające się jednostki estrowe - (C = O) -OR, co widać na poniższym rysunku:

Struktura poli (kwasu mlekowego) lub PLA. Jü. Źródło: Wikipedia Commons.

Nomenklatura

- Poli- (kwas mlekowy)

- Polilaktyd

- PLA

- Poli (kwas L-mlekowy) lub PLLA

- Poli (kwas D, L-mlekowy) lub PDLLA

- kwas polimlekowy

Nieruchomości

Stan fizyczny

- Poli (kwas D, L-mlekowy): bezpostaciowe ciało stałe.

- Poli (kwas L-mlekowy): kruche lub kruche przezroczyste półkrystaliczne ciało stałe.

Waga molekularna

Zależy to od stopnia polimeryzacji materiału.

Temperatura zeszklenia

Jest to temperatura, poniżej której polimer jest sztywny, kruchy i kruchy, a powyżej której polimer staje się elastyczny i ciągliwy.

- Poli (kwas L-mlekowy): 63 ºC.

- Poli (kwas D, L-mlekowy): 55 ºC.

Temperatura topnienia

- Poli (kwas L-mlekowy): 170-180 ºC.

- Poli (kwas D, L-mlekowy): nie ma temperatury topnienia, ponieważ jest bezpostaciowy.

temperatura rozkładu

227-255 ° C.

Gęstość

- Amorficzny: 1248 g / cm ³

- Krystaliczny: 1290 g / cm ³

Inne właściwości

Mechaniczny

Poli (kwas L-mlekowy) ma wyższą wytrzymałość mechaniczną niż poli (kwas D, L-mlekowy).

PLA jest łatwy w obróbce termoplastycznej, więc z tego polimeru można uzyskać bardzo drobne włókna.

Biokompatybilność

Jego produkt degradacji, kwas mlekowy, jest nietoksyczny i całkowicie biokompatybilny, ponieważ jest wytwarzany przez żywe istoty. U ludzi jest wytwarzana w mięśniach i krwinkach czerwonych.

Biodegradowalność

Można go frakcjonować termicznie poprzez hydrolizę w organizmie człowieka, zwierzętach lub mikroorganizmach, co nazywa się degradacją hydrolityczną.

Łatwa modyfikacja jego właściwości

Ich właściwości fizyczne, chemiczne i biologiczne można dostosować poprzez odpowiednie modyfikacje, kopolimeryzację i szczepienie.

Synteza

Po raz pierwszy uzyskano go w 1932 roku przez ogrzewanie kwasu mlekowego pod próżnią. Kwas mlekowy HO-CH3-CH-COOH to cząsteczka z centrum chiralności (czyli atomem węgla przyłączonym do czterech różnych grup).

Z tego powodu ma dwa enancjomery lub izomery zwierciadlane (są to dwie cząsteczki, które są identyczne, ale mają różną orientację przestrzenną swoich atomów).

Enancjomery to kwas L-mlekowy i D-mlekowy, które różnią się od siebie sposobem odchylania spolaryzowanego światła. Są odbiciami lustrzanymi.

Enancjomery kwasu mlekowego. Po lewej: kwas L-mlekowy. Po prawej: kwas D-mlekowy. す じ に く シ チ ュ ー. Źródło: Wikipedia Commons.

Kwas L-mlekowy otrzymywany jest w wyniku fermentacji przez mikroorganizmy naturalnych cukrów, takich jak melasa, skrobia ziemniaczana czy dekstroza kukurydziana. Jest to obecnie preferowany sposób jego zdobycia.

Gdy poli (kwas mlekowy) jest wytwarzany z kwasu L-mlekowego, otrzymuje się poli (kwas L-mlekowy) lub PLLA.

Z drugiej strony, gdy polimer jest wytwarzany z mieszaniny kwasu L-mlekowego i kwasu D-mlekowego, otrzymuje się poli (kwas D, L-mlekowy) lub PDLLA.

W tym przypadku mieszanina kwasów jest połączeniem równych części enancjomerów D i L, otrzymanych w wyniku syntezy z etylenu z ropy naftowej. Ta forma pozyskiwania jest dziś rzadko stosowana.

PLLA i PDLLA mają nieco inne właściwości. Polimeryzację można przeprowadzić na dwa sposoby:

- Tworzenie półproduktu: cykliczny dimer zwany laktydem, którego polimeryzację można kontrolować i można otrzymać produkt o żądanej masie cząsteczkowej.

Polimeryzacja laktydu w celu uzyskania PLA. Jü. Źródło: Wikipedia Commons. - Bezpośrednia kondensacja kwasu mlekowego w warunkach próżni: w wyniku czego powstaje polimer o niskiej lub średniej masie cząsteczkowej.

Porównanie dwóch form syntezy PLA. RLM0518. Źródło: Wikipedia Commons.

Zastosowania w medycynie

Jego produkty degradacji są nietoksyczne, co sprzyja ich zastosowaniu w tej dziedzinie.

Szwy

Podstawowym wymogiem dla włókien nici jest to, aby utrzymywały tkanki w miejscu, dopóki naturalne gojenie nie zapewni mocnej tkanki w miejscu połączenia.

Od 1972 roku produkowano szew o nazwie Vicryl, bardzo mocne biowchłanialne włókno lub nić. Ta nić jest wykonana z kopolimeru kwasu glikolowego i kwasu mlekowego (90:10), który jest szybko hydrolizowany w miejscu szwu, dzięki czemu jest łatwo wchłaniany przez organizm.

Szacuje się, że w ludzkim organizmie PLA degraduje 63% w ciągu około 168 dni i 100% w ciągu 1,5 roku.

Zastosowanie farmaceutyczne

Biodegradowalność PLA sprawia, że ​​jest on przydatny do kontrolowanego uwalniania produktów leczniczych.

W większości przypadków lek jest uwalniany stopniowo w wyniku degradacji hydrolitycznej i zmian morfologicznych zbiornika (wykonanego z polimeru), w którym znajduje się produkt leczniczy.

W innych przypadkach lek jest powoli uwalniany przez membranę polimerową.

Implanty

PLA okazał się skuteczny w implantach i podporach dla ludzkiego ciała. Dobre wyniki uzyskano przy stabilizacji złamań i osteotomii lub operacjach kości.

Biologiczna inżynieria tkankowa

Obecnie prowadzonych jest wiele badań nad zastosowaniem PLA w rekonstrukcji tkanek i narządów.

Włókna PLA zostały opracowane do regeneracji nerwów u sparaliżowanych pacjentów.

Włókno PLA jest wcześniej poddawane działaniu osocza, aby było podatne na wzrost komórek. Końce naprawianego nerwu łączy się za pomocą sztucznego odcinka PLA traktowanego plazmą.

Na tym segmencie wysiewane są specjalne komórki, które rosną i wypełniają pustkę między dwoma końcami nerwu, łącząc je. Z czasem podpora PLA zanika, pozostawiając ciągły kanał komórek nerwowych.

Znajduje również zastosowanie w rekonstrukcji pęcherza moczowego, pełniąc rolę rusztowania lub platformy, na której wysiewane są komórki urotelialne (komórki pokrywające pęcherz i narządy układu moczowego) oraz komórki mięśni gładkich.

Zastosowanie w materiałach włókienniczych

Skład chemiczny PLA pozwala na kontrolowanie pewnych właściwości włókna, dzięki czemu nadaje się on do szerokiej gamy zastosowań tekstylnych, odzieżowych i meblarskich.

Na przykład jego zdolność do wchłaniania wilgoci, a jednocześnie niskie zatrzymywanie wilgoci i zapachów, sprawia, że ​​jest przydatna do produkcji odzieży dla wyczynowych sportowców. Jest hipoalergiczny, nie podrażnia skóry.

Działa nawet na ubraniach dla zwierząt i nie wymaga prasowania. Ma niską gęstość, dzięki czemu jest lżejszy niż inne włókna.

Pochodzi ze źródła odnawialnego, a jego produkcja jest niedroga.

Różne zastosowania

PLA nadaje się do produkcji butelek do różnych zastosowań (szampony, soki i woda). Te butelki mają połysk, przejrzystość i klarowność. Ponadto PLA stanowi wyjątkową barierę dla zapachów i smaków.

Jednak to zastosowanie dotyczy temperatur poniżej 50-60 ºC, ponieważ ma tendencję do odkształcania się po osiągnięciu tych temperatur.

Znajduje zastosowanie przy produkcji jednorazowych talerzy, kubków i przyborów kuchennych, a także pojemników na żywność, takich jak jogurt, owoce, makaron, ser itp., Czy tacek z pianki PLA do pakowania świeżej żywności. Nie wchłania tłuszczu, oleju, wilgoci i jest elastyczny. Odpady PLA można kompostować.

Słomki, słomki lub słomki PLA. F. Kesselring, FKuR Willich. Źródło: Wikipedia Commons.

Służy również do wytwarzania cienkich arkuszy do pakowania żywności, takiej jak chipsy ziemniaczane lub inne produkty.

Opakowanie PLA na cukierki. F. Kesselring, FKuR Willich. Źródło: Wikipedia Commons.

Służy do wykonywania elektronicznych kart transakcyjnych oraz kart-kluczy do pokoi hotelowych. Karty PLA mogą spełniać funkcje bezpieczeństwa i umożliwiać nakładanie taśm magnetycznych.

Jest szeroko stosowany do produkcji pudełek lub pokrowców na bardzo delikatne produkty, takie jak urządzenia elektroniczne i kosmetyki. Stosuje się specjalnie przygotowane do tego celu gatunki, łącząc je z innymi włóknami.

Pianka ekspandowana może być wykonana z PLA i może być stosowana jako materiał pochłaniający wstrząsy do transportu delikatnych instrumentów lub przedmiotów.

Służy do produkcji zabawek dla dzieci.

Zastosowania w inżynierii i rolnictwie

PLA służy do wykonywania odpływów na placach budowy, materiałów do budowy podłóg, takich jak dywany, podłogi laminowane i tapety ścienne, do dywanów i tkanin na poduszki samochodowe.

Jego zastosowanie jest w fazie rozwoju w przemyśle elektrycznym jako powłoka do przewodów przewodzących.

Wśród jej zastosowań jest rolnictwo, gdzie produkowane są folie ochronne gleby PLA, które pozwalają zwalczać chwasty i sprzyjają retencji nawozu. Folie PLA są biodegradowalne, można je wprowadzać do gleby pod koniec zbioru i tym samym dostarczać składników odżywczych.

Folia chroniąca glebę w uprawach PLA. F. Kesselring, FKuR Willich. Źródło: Wikipedia Commons.

Ostatnie badania

Dodanie nanokompozytów do PLA jest badane w celu poprawy niektórych jego właściwości, takich jak odporność termiczna, szybkość krystalizacji, ognioodporność, właściwości antystatyczne i przewodzące prąd elektryczny, właściwości anty-UV i antybakteryjne.

Niektórym badaczom udało się zwiększyć wytrzymałość mechaniczną i przewodność elektryczną PLA poprzez dodanie nanocząsteczek grafenu. To znacznie zwiększa zastosowania, jakie może mieć PLA w odniesieniu do druku 3D.

Innym naukowcom udało się opracować łatę naczyniową (do naprawy tętnic w ludzkim ciele) poprzez przeszczepienie fosforylocholiny fosforoorganicznej na rusztowanie lub platformę PLA.

Plaster naczyniowy wykazał tak korzystne właściwości, że można go uznać za obiecujący w inżynierii tkanek naczyniowych.

Jego właściwości obejmują to, że nie powoduje hemolizy (rozpadu czerwonych krwinek), nie jest toksyczny dla komórek, jest odporny na przyleganie płytek krwi i ma dobre powinowactwo do komórek wyściełających naczynia krwionośne.

Bibliografia

1. Mirae Kim, i in. (2019). Przewodzące elektrycznie i wytrzymałe mechanicznie kompozyty grafen-polikwas mlekowy do druku 3D. Materiały i interfejsy ACS. 2019, 11, 12, 11841-11848. Odzyskany z pubs.acs.org.
2. Tin Sin, Lee i in. (2012). Zastosowania poli (kwasu mlekowego). W Handbook of Biopolymers and Biodegradable Plastics. Rozdział 3. Odzyskany z sciencedirect.com.
3. Gupta, Bhuvanesh i in. (2007). Włókno z poli (kwasu mlekowego): przegląd. Prog. Polym. Sci., 32 (2007) 455-482. Odzyskany z sciencedirect.com.
4. Raquez, Jean-Marie i wsp. (2013). Nanokompozyty na bazie polilaktydu (PLA). Postęp w nauce o polimerach. 38 (2013) 1504-1542. Odzyskany z sciencedirect.
5. Zhang, Jun i in. (2019). Plastry naczyniowe z polikwasu mlekowego szczepione polimerem obojnaczym oparte na rusztowaniu odkomórkowionym do inżynierii tkankowej. ACS Biomaterials Science & Engineering. Data publikacji: 25 lipca 2019 r. Odzyskane z pubs.acs.org.