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Von der Antike bis in die Neuzeit: Die Entwicklung biologisch abbaubarer Polymere!
Da das Problem der Umweltverschmutzung durch Plastik immer ernster wird, geraten biologisch abbaubare Polymere zunehmend in den Fokus der weltweiten Aufmerksamkeit. Diese Polymere können durch Mikroorganismen in umweltfreundliche Substanzen zerlegt werden und sind daher eine Schlüsselkomponente bei der Lösung von Umweltproblemen. Die Entwicklung biologisch abbaubarer Polymere und ihrer vielfältigen Anwendungen ist hier jedoch noch nicht zu Ende. Heute nehmen wir Sie mit auf eine Reise durch die Entwicklung und Evolution dieser besonderen Welt.
Geschichte
Biologisch abbaubare Polymere haben eine lange Geschichte und werden von Menschen seit der Antike verwendet. Zu den ältesten biologisch abbaubaren Materialien zählen in der Chirurgie häufig verwendete „Darmnähte“, deren Verwendung bis ins Jahr 100 v. Chr. zurückreicht. Darmnähte werden aus Schafsdärmen hergestellt und heutzutage meist aus Kollagen, das aus dem Darm von Kühen, Schafen oder Ziegen gewonnen wird.
Im Jahr 1992 kamen Experten aus der ganzen Welt auf dem Gebiet biologisch abbaubarer Polymere zusammen, um Definitionen und Standards auf diesem Gebiet zu diskutieren.
Mit dem technologischen Fortschritt kam in den 1980er Jahren das Konzept synthetischer, biologisch abbaubarer Kunststoffe auf. Insbesondere Professor George Coates von der Cornell University gewann 2012 den „Presidential Green Chemistry Challenge Award“, der die Entwicklung dieses Bereichs weiter förderte.
Aufbau und Eigenschaften
Die Eigenschaften biologisch abbaubarer Polymere hängen eng mit ihrer Struktur zusammen. Normalerweise bestehen diese Polymere aus Ester-, Amid- oder Etherbindungen. Diese Polymere können in zwei Hauptkategorien unterteilt werden: eine sind „Agripolymere“, wie Polysaccharide aus Pflanzen; die andere sind „Biopolyester“, die aus Mikroorganismen oder synthetischen Monomeren hergestellt werden.
Biologisch abbaubare Polymere müssen stabil und haltbar sein, sich aber bei der Entsorgung leicht zersetzen.
Neben der Struktur beeinflussen auch die Wasserlöslichkeit und das Molekulargewicht dieser Polymere ihre Abbaurate. Diese Eigenschaften sind besonders wichtig, wenn sie für die Verabreichung von Medikamenten und medizinische Materialien verwendet werden.
Synthese
Die Synthese biologisch abbaubarer Polymere basiert hauptsächlich auf der Synthese von Polyestern, die üblicherweise durch direkte Kondensation, Ringöffnungspolymerisation usw. durchgeführt wird. Insbesondere der Einsatz der Ringöffnungspolymerisation ermöglicht eine schnelle und effiziente Herstellung von Polyestern. Um die Reaktion zu erleichtern, ist allerdings eine kontinuierliche Entfernung des Nebenprodukts Wasser erforderlich.
Die Verwendung von Metallkatalysatoren als Lebensmittelzusatzstoffe ist zugelassen, es bestehen jedoch weiterhin einige Bedenken hinsichtlich ihrer biomedizinischen Anwendung.
Darüber hinaus werden viele Biopolymere zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften mit anderen Polymeren gemischt oder verbunden, was nicht nur die Festigkeit erhöhen, sondern auch die Verarbeitungsleistung verbessern kann.
Abbaumechanismus
Der Abbauprozess biologisch abbaubarer Polymere wird üblicherweise in zwei Kategorien unterteilt: physikalischer Abbau und biologischer Abbau. Der physikalische Abbau kann Hydrolyse und Photoabbau umfassen, während der biologische Abbau weiter in aerobe und anaerobe Prozesse unterteilt werden kann.
Das ultimative Ziel biologisch abbaubarer Polymere besteht darin, vollständig in ungiftige Gase, Wasser und andere anorganische Salze abgebaut zu werden.
Neben den Eigenschaften des Polymers selbst beeinflussen auch Umweltfaktoren wie pH-Wert, Temperatur und die Art der Mikroorganismen den Abbauprozess.
Anwendungen und Einsatzgebiete
Biologisch abbaubare Polymere haben in vielen Bereichen wie der Medizin, Landwirtschaft und Verpackung, insbesondere in Arzneimittelfreisetzungssystemen, großes Potenzial gezeigt. Aufgrund ihrer Biokompatibilität und der kontrollierten Abbaubarkeit sind diese Polymere ideale Träger für die ortsspezifische Freisetzung von Arzneimitteln.
Beispielsweise werden Polymilchsäure (PLA) und Poly(milch-co-glykolsäure) häufig zur Verabreichung von Krebsmedikamenten verwendet.
Mit dem technologischen Fortschritt werden diese Materialien auch in der Gewebezüchtung und regenerativen Medizin eingesetzt, um die Regeneration und Reparatur beschädigter Gewebe und Organe zu unterstützen.
Im Verpackungsbereich ersetzen biologisch abbaubare Polymere wie PLA nach und nach herkömmliche Materialien auf Erdölbasis und tragen so zur Abfallreduzierung bei.
Zukunftsaussichten
Da sich die Wissenschaftsgemeinschaft zunehmend mit Umweltproblemen befasst, werden die Forschung und Anwendung biologisch abbaubarer Polymere weiter zunehmen. Können wir jedoch angesichts der Herausforderungen hinsichtlich Leistung, Sicherheit und Kosten innovative Lösungen finden, um eine wirklich grüne Entwicklung zu erreichen?
