POLYMÆLKESYRE: STRUKTUR, EGENSKABER, SYNTESE, ANVENDELSER - KEMI - 2025

Den polymælkesyre, hvis korrekte navn er poly (mælkesyre), er et materiale dannet ved polymerisering af mælkesyre. Det er også kendt som poly-lactid, da det kan opnås ved nedbrydning og polymerisation af lactid, som er en dimer af mælkesyre.

Poly (mælkesyre) eller PLA er ikke en syre, det er en polyester, som kan ses i den monomer, der udgør den. Det er en let bionedbrydelig polymer og er biokompatibel. Begge egenskaber skyldes, at det let kan hydrolyseres både i miljøet og i menneskets eller dyrs krop. Desuden frembringer dets nedbrydning ikke toksiske forbindelser.

Forenklet formel for polymeren af ​​mælkesyre eller poly (mælkesyre). Polimerek. Kilde: Wikipedia Commons.

PLAs involvering i filamenter til suturering under kirurgiske operationer har været kendt i årevis. Det bruges også i medicinalindustrien i lægemidler med langsom frigivelse.

Det bruges i implantater til den menneskelige krop, og der er et stort antal undersøgelser for dets anvendelse i biologisk væv, såvel som til tredimensionel (3D) udskrivning til de mest forskellige applikationer.

Da det er en af ​​de mest bionedbrydelige og ikke-toksiske polymerer, har dens producenter foreslået at erstatte al petroleum-afledt plast, der i øjeblikket bruges i tusinder af anvendelser med dette materiale.

Produktion og anvendelse af PLA er ifølge fabrikanterne også en måde at reducere mængden af ​​CO ₂, der dannes ved produktion af plast fra den petrokemiske industri, som det kommer fra vedvarende kilder.

Struktur

Poly- (mælkesyre) er en polyester, dvs. den har gentagne esterenheder - (C = O) -OR, noget, der kan ses i følgende figur:

Struktur af poly (mælkesyre) eller PLA. Ju. Kilde: Wikipedia Commons.

nomenklatur

- Poly- (mælkesyre)

- Poly-lactid

- PLA

- Poly- (L-mælkesyre) eller PLLA

- Poly- (D, L-mælkesyre) eller PDLLA

- Polymælkesyre

Ejendomme

Fysisk tilstand

- Poly (D, L-mælkesyre): amorft fast stof.

- Poly (L-mælkesyre): sprødt eller sprødt transparent semikrystallinsk fast stof.

Molekylær vægt

Det afhænger af polymerisationsgraden af ​​materialet.

Glasovergangstemperatur

Det er temperaturen, under hvilken polymeren er stiv, sprød og sprød, og over hvilken polymeren bliver elastisk og formbar.

- Poly (L-mælkesyre): 63 ºC.

- Poly (D, L-mælkesyre): 55 ºC.

Smeltepunkt

- Poly (L-mælkesyre): 170-180 ºC.

- Poly (D, L-mælkesyre): den har intet smeltepunkt, fordi den er amorf.

Nedbrydningstemperatur

227-255 ° C

Massefylde

- Amorf: 1.248 g / cm ³

- Krystallinsk: 1.290 g / cm ³

Andre egenskaber

Mekanisk

Poly (L-mælkesyre) har en højere mekanisk styrke end poly (D, L-mælkesyre).

PLA er let at behandle termoplastisk, så meget fine filamenter kan opnås fra denne polymer.

biokompatibilitet

Dets nedbrydningsprodukt, mælkesyre, er ikke-giftigt og fuldstændigt biokompatibelt, fordi det er produceret af levende væsener. For mennesker produceres det i muskler og røde blodlegemer.

Biologisk

Det kan fraktioneres termisk ved hydrolyse i den menneskelige krop, dyr eller mikroorganismer, der kaldes hydrolytisk nedbrydning.

Let ændring af dets egenskaber

Deres fysiske, kemiske og biologiske egenskaber kan skræddersys ved hjælp af passende modifikationer, copolymerisationer og podning.

syntese

Det blev først opnået i 1932 ved opvarmning af mælkesyre under vakuum. HO-CH3-CH-COOH mælkesyre er et molekyle med et chiralt centrum (det vil sige et carbonatom bundet til fire forskellige grupper).

Af denne grund har den to enantiomerer eller spekulære isomerer (de er to molekyler, der er identiske, men med forskellige rumlige orienteringer af deres atomer).

Enantiomererne er L-mælkesyre og D-mælkesyre, der adskiller sig fra hinanden ved den måde, de afbøjer polariseret lys. Det er spejlbilleder.

Mælkesyreantiomerer. Venstre: L-mælkesyre. Højre: D-mælkesyre. す じ に く シ チ ュ ー. Kilde: Wikipedia Commons.

L-mælkesyre opnås fra fermenteringen ved hjælp af mikroorganismer af naturlige sukkerarter såsom melasse, kartoffelstivelse eller majsdextrose. Dette er den aktuelt foretrukne måde at få den til.

Når der fremstilles poly (mælkesyre) ud fra L-mælkesyre, opnås poly (L-mælkesyre) eller PLLA.

På den anden side opnås poly- (D, L-mælkesyre) eller PDLLA, når polymeren fremstilles ud fra en blanding af L-mælkesyre og D-mælkesyre.

I dette tilfælde er syreblandingen en kombination i lige store dele af D- og L-enantiomererne opnået ved syntese fra ethylen af ​​petroleum. Denne form for opnåelse bruges sjældent i dag.

PLLA og PDLLA har lidt forskellige egenskaber. Polymerisation kan udføres på to måder:

- Dannelse af et mellemprodukt: den cykliske dimer kaldet lactid, hvis polymerisation kan kontrolleres, og et produkt med den ønskede molekylvægt kan opnås.

Lactidpolymerisation til opnåelse af PLA. Ju. Kilde: Wikipedia Commons.– Direkte kondensation af mælkesyre under vakuumbetingelser: der producerer en polymer med lav eller medium molekylvægt.

Sammenligning af de to former for syntese af PLA. RLM0518. Kilde: Wikipedia Commons.

Anvendelser inden for medicin

Dets nedbrydningsprodukter er ikke-giftige, hvilket favoriserer dens anvendelse på dette felt.

suturer

Det grundlæggende krav til suturfilamenter er, at de holder væv på plads, indtil naturlig heling giver stærkt væv på knudepunktet.

Siden 1972 er der fremstillet et suturmateriale kaldet Vicryl, en meget stærk bioabsorberbar filament eller tråd. Denne tråd er lavet af en copolymer af glycolsyre og mælkesyre (90:10), der hurtigt hydrolyseres på suturstedet, så den let absorberes af kroppen.

Det anslås, at PLA nedbrydes i den menneskelige krop 63% på ca. 168 dage og 100% på 1,5 år.

Farmaceutisk anvendelse

PLAs bionedbrydelighed gør det nyttigt til kontrolleret frigivelse af lægemidler.

I de fleste tilfælde frigives lægemidlet gradvist på grund af hydrolytisk nedbrydning og morfologiske ændringer i reservoiret (fremstillet med polymeren), der indeholder lægemidlet.

I andre tilfælde frigives lægemidlet langsomt gennem polymermembranen.

Implantater

PLA har vist sig effektive i implantater og understøtninger til den menneskelige krop. Gode ​​resultater er opnået i fikseringen af ​​brud og osteotomier eller knoglerekirurgi.

Biologisk vævsteknik

I øjeblikket udføres mange undersøgelser med henblik på anvendelse af PLA i rekonstruktion af væv og organer.

PLA-filamenter er udviklet til regenerering af nerver hos lammede patienter.

PLA-fiber er tidligere behandlet med plasma for at gøre det modtageligt for cellevækst. Enderne af nerven, der skal repareres, forbindes ved hjælp af et kunstigt segment af PLA behandlet med plasma.

På dette segment podes specielle celler, som vil vokse og udfylde tomrummet mellem de to ender af nerven ved at forbinde dem. Over tid slites PLA-understøttelsen og efterlader en kontinuerlig kanal med nerveceller.

Det er også blevet brugt til genopbygning af blærer, der fungerer som et stillads eller en platform, hvorpå urotelceller (celler, der dækker blæren og organerne i urinsystemet) og glatte muskelceller podes.

Brug i tekstilmaterialer

Kemien hos PLA tillader kontrol af visse egenskaber ved fiberen, der gør den velegnet til en lang række tekstil-, beklædnings- og møbelanvendelser.

F.eks. Gør dens evne til at absorbere fugtighed, og på samme tid lav fastholdelse af fugt og lugt, det nyttigt til fremstilling af tøj til højtydende atleter. Det er allergivenligt, det irriterer ikke huden.

Det fungerer endda til kæledyrstøj og kræver ikke strygning. Det har lav densitet, så det er lettere end andre fibre.

Det kommer fra en vedvarende kilde, og dens produktion er billig.

Forskellige applikationer

PLA er velegnet til fremstilling af flasker til forskellige anvendelser (shampoo, juice og vand). Disse flasker har glans, gennemsigtighed og klarhed. Derudover er PLA en enestående barriere mod lugt og smag.

Denne anvendelse er dog beregnet til temperaturer under 50-60 ºC, da den har en tendens til at deformeres, når man når disse temperaturer.

Det bruges til fremstilling af engangsplader, kopper og madredskaber samt fødevarebeholdere, såsom yoghurt, frugt, pasta, ost osv. Eller PLA-skumbakker til pakning af frisk mad. Det absorberer ikke fedt, olie, fugtighed og har fleksibilitet. Affald PLA kan komposteres.

PLA strå, strå eller strå. F. Kesselring, FKuR Willich. Kilde: Wikipedia Commons.

Det bruges også til at fremstille tynde lag til pakning af fødevarer såsom kartoffelchips eller andre fødevarer.

PLA-emballage til slik. F. Kesselring, FKuR Willich. Kilde: Wikipedia Commons.

Det kan bruges til at fremstille elektroniske transaktionskort og nøglekort på hotelværelset. PLA-kort kan imødekomme sikkerhedsfunktioner og tillade anvendelse af magnetbånd.

Det bruges i vid udstrækning til fremstilling af kasser eller dæksler til meget følsomme produkter, såsom elektronisk udstyr og kosmetik. Karakterer, der er specielt forberedt til denne anvendelse, anvendes ved kobling med andre fibre.

Udvidet skum kan fremstilles af PLA til brug som et stødabsorberende materiale til forsendelse af sarte instrumenter eller genstande.

Det bruges til at fremstille legetøj til børn.

Anvendelser inden for teknik og landbrug

PLA bruges til at fremstille afløb på byggepladser, gulvkonstruktionsmaterialer, såsom tæpper, laminatgulve og tapet til væg, til tæpper og pudestoffer til biler.

Dets anvendelse er under udvikling i den elektriske industri som en belægning til ledende ledninger.

Blandt dens anvendelser er landbruget, hvor PLA fremstilles jordbeskyttelsesfilm, der tillader ukrudtsbekæmpelse og favoriserer tilbageholdelse af gødning. PLA-film er bionedbrydelige, de kan indarbejdes i jorden ved afslutningen af ​​høsten og giver således næringsstoffer.

Jordbeskyttende PLA-film i afgrøder. F. Kesselring, FKuR Willich. Kilde: Wikipedia Commons.

Nylige undersøgelser

Tilsætningen af ​​nanokompositter til PLA undersøges for at forbedre nogle af dens egenskaber, såsom termisk modstand, krystallisationshastighed, flammehæmmende egenskaber, antistatiske og elektriske ledende egenskaber, anti-UV og antibakteriel egenskab.

Nogle forskere har formået at øge PLAs mekaniske styrke og elektriske ledningsevne ved at tilføje grafen-nanopartikler. Dette øger de applikationer, som PLA kan have i forhold til 3D-udskrivning betydeligt.

Andre videnskabsmænd lykkedes med at udvikle en vaskulær plaster (til at reparere arterier i den menneskelige krop) ved at pode et organophosphat-phosphorylcholine på et PLA-stillads eller en platform.

Det vaskulære plaster demonstrerede så gunstige egenskaber, at det betragtes som lovende for vaskulær vævsteknik.

Dets egenskaber inkluderer det faktum, at det ikke producerer hæmolyse (desintegration af røde blodlegemer), det er ikke giftigt for celler, det modstår adhæsion af blodplader, og det har god affinitet overfor cellerne, der linjer blodkar.

Referencer

1. Mirae Kim, et al. (2019). Elektrisk ledende og mekanisk stærke grafen-polymælkesyrekompositter til 3D-udskrivning. ACS anvendte materialer og grænseflader. 2019, 11, 12, 11841-11848. Gendannes fra pubs.acs.org.
2. Tin Sin, Lee et al. (2012). Anvendelser af poly (mælkesyre). I håndbog med biopolymerer og biologisk nedbrydelig plast. Kapitel 3. Gendannes fra sciencedirect.com.
3. Gupta, Bhuvanesh, et al. (2007). Poly (mælkesyre) fiber: En oversigt. Prog. Polym. Sci. 32 (2007) 455-482. Gendannes fra sciencedirect.com.
4. Raquez, Jean-Marie et al. (2013). Polylactid (PLA) -baserede nanokompositter. Fremskridt inden for polymervidenskab. 38 (2013) 1504-1542. Gendannes fra sciencedirect.
5. Zhang, Jun et al. (2019). Zwitterionisk polymere-graferet polymælkesyre vaskulære patches baseret på decellulariseret stillads til vævsteknologi. ACS Biomaterials Science & Engineering. Udgivelsesdato: 25. juli 2019. Gendannes fra pubs.acs.org.