POLYMELKZUUR: STRUCTUUR, EIGENSCHAPPEN, SYNTHESE, TOEPASSINGEN - CHEMIE - 2025

Het polymelkzuur, waarvan de juiste naam poly (melkzuur) is, is een materiaal dat wordt gevormd door melkzuur te polymeriseren. Het is ook bekend als poly-lactide, omdat het kan worden verkregen door de afbraak en polymerisatie van lactide, een dimeer van melkzuur.

Poly (melkzuur) of PLA is geen zuur, het is een polyester, wat terug te zien is in het monomeer waaruit het bestaat. Het is een gemakkelijk biologisch afbreekbaar polymeer en is biocompatibel. Beide eigenschappen zijn te wijten aan het feit dat het gemakkelijk kan worden gehydrolyseerd, zowel in het milieu als in het menselijk of dierlijk lichaam. Bovendien produceert de afbraak ervan geen giftige verbindingen.

Vereenvoudigde formule van het polymeer van melkzuur of poly (melkzuur). Polimerek. Bron: Wikipedia Commons.

De betrokkenheid van PLA bij filamenten voor het hechten tijdens chirurgische ingrepen is al jaren bekend. Het wordt ook gebruikt in de farmaceutische industrie in geneesmiddelen met langzame afgifte.

Het wordt gebruikt in implantaten voor het menselijk lichaam en er is een groot aantal onderzoeken voor het gebruik ervan in biologische weefsels, evenals voor driedimensionaal (3D) printen voor de meest uiteenlopende toepassingen.

Omdat het een van de meest biologisch afbreekbare en niet-toxische polymeren is, hebben de producenten voorgesteld om alle van aardolie afgeleide kunststoffen die momenteel in duizenden toepassingen worden gebruikt, te vervangen door dit materiaal.

Bovendien is de productie en het gebruik van PLA volgens de fabrikanten, aangezien het afkomstig is uit hernieuwbare bronnen, een manier om de hoeveelheid CO ₂ die wordt gegenereerd bij de productie van kunststoffen uit de petrochemische industrie te verminderen.

Structuur

Poly- (melkzuur) is een polyester, dat wil zeggen, het heeft herhalende estereenheden - (C = O) -OR, iets dat te zien is in de volgende afbeelding:

Structuur van poly (melkzuur) of PLA. Jü. Bron: Wikipedia Commons.

Nomenclatuur

- Polymelkzuur)

- Polylactide

- PLA

- Poly- (L-melkzuur) of PLLA

- Poly- (D, L-melkzuur) of PDLLA

- Polymelkzuur

Eigendommen

Fysieke toestand

- Poly (D, L-melkzuur): amorfe vaste stof.

- Poly (L-melkzuur): kwetsbare of broze transparante semi-kristallijne vaste stof.

Molecuulgewicht

Het hangt af van de polymerisatiegraad van het materiaal.

Glasovergangstemperatuur

Het is de temperatuur waaronder het polymeer stijf, bros en bros is, en waarboven het polymeer elastisch en vervormbaar wordt.

- Poly (L-melkzuur): 63 ºC.

- Poly (D, L-melkzuur): 55 ºC.

Smeltpunt

- Poly (L-melkzuur): 170-180 ºC.

- Poly (D, L-melkzuur): het heeft geen smeltpunt omdat het amorf is.

Ontledingstemperatuur

227-255 ° C.

Dichtheid

- Amorphous: 1.248 g / cm ³

- Kristallijne: 1,290 g / cm ³

Andere eigenschappen

Mechanisch

Poly (L-melkzuur) heeft een hogere mechanische sterkte dan poly (D, L-melkzuur).

PLA is thermoplastisch gemakkelijk te verwerken, dus uit dit polymeer kunnen zeer fijne filamenten worden gehaald.

Biocompatibiliteit

Het afbraakproduct, melkzuur, is niet giftig en volledig biocompatibel, omdat het door levende wezens wordt geproduceerd. In het geval van mensen wordt het geproduceerd in de spieren en rode bloedcellen.

Biologische afbreekbaarheid

Het kan thermisch worden gefractioneerd door hydrolyse in het menselijk lichaam, dieren of micro-organismen, wat hydrolytische afbraak wordt genoemd.

Gemakkelijke aanpassing van zijn kenmerken

Hun fysische, chemische en biologische eigenschappen kunnen worden aangepast door middel van passende modificaties, copolymerisaties en enten.

Synthese

Het werd voor het eerst verkregen in 1932 door melkzuur onder vacuüm te verhitten. HO-CH3-CH-COOH melkzuur is een molecuul met een chiraal centrum (dat wil zeggen, een koolstofatoom dat aan vier verschillende groepen is gehecht).

Om deze reden heeft het twee enantiomeren of spiegelende isomeren (het zijn twee moleculen die identiek zijn maar met een verschillende ruimtelijke oriëntatie van hun atomen).

De enantiomeren zijn L-melkzuur en D-melkzuur, die van elkaar onderscheiden door de manier waarop ze gepolariseerd licht afbuigen. Het zijn spiegelbeelden.

Enantiomeren van melkzuur. Links: L-melkzuur. Rechts: D-melkzuur. す じ に く シ チ ー ー. Bron: Wikipedia Commons.

L-melkzuur wordt verkregen door fermentatie door micro-organismen van natuurlijke suikers zoals melasse, aardappelzetmeel of maisdextrose. Dit is momenteel de geprefereerde manier om het te verkrijgen.

Wanneer poly (melkzuur) wordt bereid uit L-melkzuur, wordt poly (L-melkzuur) of PLLA verkregen.

Aan de andere kant, wanneer het polymeer wordt bereid uit een mengsel van L-melkzuur en D-melkzuur, wordt poly- (D, L-melkzuur) of PDLLA verkregen.

In dit geval is het zuurmengsel een combinatie in gelijke delen van de D- en L-enantiomeren, verkregen door synthese uit het ethyleen van petroleum. Deze vorm van verkrijgen wordt tegenwoordig nog maar zelden gebruikt.

PLLA en PDLLA hebben iets andere eigenschappen. Polymerisatie kan op twee manieren worden uitgevoerd:

- Vorming van een tussenproduct: het cyclische dimeer lactide, waarvan de polymerisatie kan worden gecontroleerd en een product met het gewenste molecuulgewicht kan worden verkregen.

Lactidepolymerisatie om PLA te verkrijgen. Jü. Bron: Wikipedia Commons. - Directe condensatie van melkzuur onder vacuüm: waardoor een polymeer met een laag of gemiddeld molecuulgewicht wordt geproduceerd.

Vergelijking van de twee vormen van PLA-synthese. RLM0518. Bron: Wikipedia Commons.

Gebruikt in de geneeskunde

De afbraakproducten zijn niet giftig, wat de toepassing op dit gebied bevordert.

Hechtingen

De basisvereiste voor hechtdraden is dat ze weefsels op hun plaats houden totdat natuurlijke genezing zorgt voor sterk weefsel op de verbindingsplaats.

Sinds 1972 wordt een hechtmateriaal vervaardigd, Vicryl genaamd, een zeer sterk biologisch absorbeerbaar filament of draad. Deze draad is gemaakt van een copolymeer van glycolzuur en melkzuur (90:10), dat snel wordt gehydrolyseerd op de plaats van de hechting, zodat het gemakkelijk door het lichaam wordt opgenomen.

Geschat wordt dat PLA in het menselijk lichaam 63% afbreekt in ongeveer 168 dagen en 100% in 1,5 jaar.

Farmaceutisch gebruik

De biologische afbreekbaarheid van PLA maakt het nuttig voor gecontroleerde afgifte van geneesmiddelen.

In de meeste gevallen wordt het medicijn geleidelijk afgegeven als gevolg van hydrolytische afbraak en morfologische veranderingen van het reservoir (gemaakt met het polymeer) dat het geneesmiddel bevat.

In andere gevallen wordt het medicijn langzaam afgegeven door het polymeermembraan.

Implantaten

PLA is effectief gebleken in implantaten en steunen voor het menselijk lichaam. Er zijn goede resultaten bereikt bij het fixeren van fracturen en osteotomieën of botoperaties.

Biologische tissue engineering

Momenteel lopen er veel onderzoeken naar de toepassing van PLA bij de reconstructie van weefsels en organen.

PLA-filamenten zijn ontwikkeld voor de regeneratie van zenuwen bij verlamde patiënten.

PLA-vezels zijn eerder behandeld door plasma om het ontvankelijk te maken voor celgroei. De uiteinden van de te herstellen zenuw worden met elkaar verbonden door middel van een kunstmatig segment van PLA dat is behandeld met plasma.

Op dit segment worden speciale cellen gezaaid die zullen groeien en de leegte tussen de twee uiteinden van de zenuw opvullen en ze verbinden. Na verloop van tijd verdwijnt de PLA-ondersteuning, waardoor een continu kanaal van zenuwcellen overblijft.

Het is ook gebruikt bij de reconstructie van blazen en fungeert als een steiger of platform waarop urotheelcellen (cellen die de blaas en organen van het urinestelsel bedekken) en gladde spiercellen worden gezaaid.

Gebruik in textielmaterialen

De chemie van PLA maakt het mogelijk om bepaalde eigenschappen van de vezel te beheersen, waardoor het geschikt is voor een breed scala aan textiel-, kleding- en meubeltoepassingen.

Het vermogen om vocht te absorberen, en tegelijkertijd het lage vasthouden van vocht en geuren, maakt het bijvoorbeeld nuttig voor het maken van kleding voor topsporters. Het is hypoallergeen, het irriteert de huid niet.

Het werkt zelfs voor kleding voor huisdieren en hoeft niet te worden gestreken. Het heeft een lage dichtheid, dus het is lichter dan andere vezels.

Het komt uit een hernieuwbare bron en de productie is niet duur.

Diverse toepassingen

PLA is geschikt voor het maken van flessen voor diverse toepassingen (shampoo, sappen en water). Deze flessen hebben glans, transparantie en duidelijkheid. Bovendien is PLA een uitzonderlijke barrière tegen geuren en smaken.

Dit gebruik is echter voor temperaturen onder de 50-60 ºC, aangezien het de neiging heeft te vervormen bij het bereiken van die temperaturen.

Het wordt gebruikt bij de productie van wegwerpborden, bekers en keukengerei, evenals voedselverpakkingen, zoals yoghurt, fruit, pasta, kaas, enz., Of PLA-schuimplaten voor het verpakken van vers voedsel. Het neemt geen vet, olie, vocht op en heeft flexibiliteit. Afval PLA kan worden gecomposteerd.

PLA rietjes, rietjes of rietjes. F. Kesselring, FKuR Willich. Bron: Wikipedia Commons.

Het wordt ook gebruikt om dunne vellen te maken om voedsel zoals chips of ander voedsel in te verpakken.

PLA-verpakkingen voor snoep. F. Kesselring, FKuR Willich. Bron: Wikipedia Commons.

Het kan worden gebruikt om elektronische transactiekaarten en sleutelkaarten voor hotelkamers te maken. PLA-kaarten kunnen voldoen aan beveiligingskenmerken en de toepassing van magnetische tapes mogelijk maken.

Het wordt veel gebruikt voor het vervaardigen van dozen of hoezen van zeer delicate producten, zoals elektronische apparaten en cosmetica. Speciaal voor dit gebruik geprepareerde kwaliteiten worden gebruikt door koppeling met andere vezels.

Van PLA kan geëxpandeerd schuim worden gemaakt om te worden gebruikt als schokabsorberend materiaal voor het verzenden van delicate instrumenten of objecten.

Er wordt speelgoed voor kinderen van gemaakt.

Gebruikt in techniek en landbouw

PLA wordt gebruikt voor het maken van afvoeren op bouwplaatsen, vloerconstructiematerialen zoals tapijten, laminaatvloeren en muurbehang, voor tapijten en autokussens.

Het gebruik ervan is in ontwikkeling in de elektrische industrie, als coating voor geleidende draden.

Een van de toepassingen is die van de landbouw, met PLA worden bodembeschermende films vervaardigd, die onkruidbestrijding mogelijk maken en het vasthouden van kunstmest bevorderen. PLA-folies zijn biologisch afbreekbaar, kunnen aan het einde van de oogst in de bodem worden opgenomen en leveren zo voedingsstoffen.

Bodembeschermende PLA-film in gewassen. F. Kesselring, FKuR Willich. Bron: Wikipedia Commons.

Recent onderzoek

De toevoeging van nanocomposieten aan PLA wordt bestudeerd om enkele van zijn eigenschappen te verbeteren, zoals thermische weerstand, kristallisatiesnelheid, vlamvertraging, antistatische en elektrisch geleidende eigenschappen, anti-uv- en antibacteriële eigenschappen.

Sommige onderzoekers zijn erin geslaagd om de mechanische sterkte en elektrische geleidbaarheid van PLA te vergroten door grafeennanodeeltjes toe te voegen. Dit vergroot de toepassingen die PLA kan hebben met betrekking tot 3D-printen aanzienlijk.

Andere wetenschappers slaagden erin een vasculaire patch te ontwikkelen (om slagaders in het menselijk lichaam te repareren) door een organofosfaat-fosforylcholine te enten op een PLA-steiger of platform.

De vasculaire patch vertoonde zulke gunstige eigenschappen dat het als veelbelovend werd beschouwd voor vasculaire weefselmanipulatie.

Zijn eigenschappen omvatten het feit dat het geen hemolyse veroorzaakt (desintegratie van rode bloedcellen), het is niet giftig voor cellen, het is bestand tegen de adhesie van bloedplaatjes en het heeft een goede affiniteit met de cellen die de bloedvaten bekleden.

Referenties

1. Mirae Kim, et al. (2019). Elektrisch geleidende en mechanisch sterke grafeen-polymelkzuurcomposieten voor 3D-printen. ACS toegepaste materialen en interfaces. 2019, 11, 12, 11841-11848. Opgehaald van pubs.acs.org.
2. Tin Sin, Lee et al. (2012). Toepassingen van Poly (melkzuur). In Handbook of Biopolymers and Biodegradable Plastics. Hoofdstuk 3. Hersteld van sciencedirect.com.
3. Gupta, Bhuvanesh, et al. (2007). Poly (melkzuur) vezels: een overzicht. Prog Polym. Sci.32 (2007) 455-482. Opgehaald van sciencedirect.com.
4. Raquez, Jean-Marie et al. (2013). Op polylactide (PLA) gebaseerde nanocomposieten. Vooruitgang in Polymer Science. 38 (2013) 1504-1542. Hersteld van sciencedirect.
5. Zhang, Jun et al. (2019). Zwitterionisch polymeer-grafed polymelkzuur vasculaire pleisters op basis van decellularized scaffold voor weefselengineering. ACS Biomaterials Science & Engineering. Publicatiedatum: 25 juli 2019. Opgehaald van pubs.acs.org.