POLITEJSAV: SZERKEZET, TULAJDONSÁGOK, SZINTÉZIS, FELHASZNÁLÁSOK - KÉMIA - 2025

A politejsav, amelynek helyes neve poli (tejsav), a tejsav polimerizációjával keletkezett anyag. Polilaktid néven is ismert, mivel a tejsav dimerjét képező laktid lebontásával és polimerizációjával nyerhető ki.

A poli (tejsav) vagy a PLA nem sav, hanem poliészter, amely látható az alkotó monomerben. Biológiailag könnyen lebontható polimer, és biokompatibilis. Mindkét tulajdonság annak a ténynek köszönhető, hogy könnyen hidrolizálható mind a környezetben, mind az emberi vagy állati testben. Ezenkívül lebontása nem hoz létre mérgező vegyületeket.

Tejsav vagy poli (tejsav) polimer egyszerűsített összetétele. Polimerek. Forrás: Wikipedia Commons.

A PLA szerepe a műtétek során a varratszálakban évek óta ismert. A gyógyszeriparban lassan felszabaduló gyógyszerekben is használják.

Az emberi test implantátumaiban használják, és számos tanulmány készült felhasználására biológiai szövetekben, valamint háromdimenziós (3D) nyomtatáshoz a legkülönfélébb alkalmazásokhoz.

Mivel az egyik biológiailag lebomlóbb és nem mérgező polimer, gyártói azt javasolták, hogy az összes kőolajból származó műanyagot cseréljék ki ezen anyaggal, amelyet jelenleg több ezer alkalmazásban használnak.

Ezen túlmenően, gyártói szerint, mivel a megújuló forrásokból származik, a PLA előállítása és felhasználása lehetővé teszi a petrolkémiai iparból műanyagok előállítása során keletkező CO ₂ mennyiségének csökkentését.

Szerkezet

A poli (tejsav) egy poliészter, azaz ismétlődő észter-egységekkel rendelkezik - (C = O) -OR, ami a következő ábrán látható:

Poli (tejsav) vagy PLA szerkezete. Ju. Forrás: Wikipedia Commons.

Elnevezéstan

- Poli (tejsav)

- Polilaktid

- PLA

- Poli- (L-tejsav) vagy PLLA

- Poli- (D, L-tejsav) vagy PDLLA

- Politejsav

Tulajdonságok

Fizikai állapot

- Poli (D, L-tejsav): amorf szilárd anyag.

- Poli (L-tejsav): törékeny vagy törékeny átlátszó félkristályos szilárd anyag.

Molekuláris tömeg

Ez az anyag polimerizációjának mértékétől függ.

Üvegesedési hőmérséklet

Ez az a hőmérséklet, amely alatt a polimer merev, törékeny és törékeny, és amely felett a polimer rugalmassá és alakíthatóvá válik.

- Poli (L-tejsav): 63 ºC.

- Poli (D, L-tejsav): 55 ºC.

Olvadáspont

- Poli (L-tejsav): 170–180 ºC.

- Poli (D, L-tejsav): nincs olvadáspontja, mivel amorf.

Bomlási hőmérséklet

227-255 ° C.

Sűrűség

- Amorf: 1,248 g / cm ³

- Kristályos: 1,290 g / cm ³

Egyéb tulajdonságok

Mechanikai

A poli (L-tejsav) nagyobb mechanikai szilárdságú, mint a poli (D, L-tejsav).

A PLA-t könnyű hőre lágyítani, tehát ebből a polimerből nagyon finom szálak állíthatók elő.

biokompatibilitás

Bomlásterméke, a tejsav, nem mérgező és teljesen biokompatibilis, mivel az élőlények termelik. Az emberek esetében az izmokban és a vörösvértestekben termelődik.

Biológiai lebonthatóság

Termikusan frakcionálható hidrolízissel az emberi testben, állatokban vagy mikroorganizmusokban, ezt hidrolitikus lebontásnak nevezzük.

Jellemzőinek egyszerű módosítása

Fizikai, kémiai és biológiai tulajdonságaikat megfelelő módosításokkal, kopolimerizációkkal és oltásokkal testreszabhatjuk.

Szintézis

Először 1932-ben állították elő tejsav vákuumban történő melegítésével. A HO-CH3-CH-COOH tejsav egy királis központú molekula (azaz négy különböző csoporthoz kapcsolódó szénatom).

Ezért két enantiomerrel vagy spekuláris izomerrel rendelkezik (két molekula azonos, de atomjaik eltérő térbeli orientációjával rendelkeznek).

Az enantiomerek az L-tejsav és a D-tejsav, amelyek különböznek egymástól a polarizált fény eltérítésének módja alapján. Tükörképek.

Tejsav-enantiomerek. Balra: L-tejsav. Jobb: D-tejsav. す じ に く シ ー ー. Forrás: Wikipedia Commons.

Az L-tejsavat természetes cukrok, például melasz, burgonyakeményítő vagy kukoricadextróz mikroorganizmusok által történő fermentációjával nyerik. Ez a leginkább preferált módszer annak megszerzésére.

Ha a poli (tejsavat) L-tejsavból állítják elő, akkor poli (L-tejsavat) vagy PLLA-t kapnak.

Másrészt, ha a polimert L-tejsav és D-tejsav keverékéből állítják elő, akkor poli- (D, L-tejsav) vagy PDLLA-t kapnak.

Ebben az esetben a savkeverék a D és L enantiomerek egyenlő részekből álló kombinációja, amelyet a kőolaj etilénjéből történő szintézissel nyernek. Ezt a megszerzési formát manapság ritkán használják.

A PLLA és a PDLLA tulajdonságai kissé eltérnek. A polimerizáció kétféle módon hajtható végre:

- Intermedier képződése: a laktid nevű ciklikus dimer, amelynek polimerizációja szabályozható, és a kívánt molekulatömegű terméket kaphatjuk.

Laktid-polimerizáció PLA előállításához. Ju. Forrás: Wikipedia Commons. - A tejsav közvetlen kondenzációja vákuum körülmények között: kis vagy közepes molekulatömegű polimert eredményez.

A PLA szintézisének két formájának összehasonlítása. RLM0518. Forrás: Wikipedia Commons.

Használatok a gyógyászatban

Bomlástermékei nem mérgezőek, ami elősegíti alkalmazását ezen a területen.

A varratokat

A varratfonalak alapvető követelménye az, hogy a szöveteket a helyükön tartsák, amíg a természetes gyógyulás nem nyújt erős szövetet a csomópontnál.

1972 óta Vicryl nevű varratanyagot gyártanak, amely egy nagyon erős, bioabszorbeálódású szál vagy szál. Ez a szál glikolsav és tejsav (90:10) kopolimerjéből készül, amelyet a varrás helyén gyorsan hidrolizálnak, tehát a test könnyen felszívódik.

Becslések szerint az emberi szervezetben a PLA kb. 168 nap alatt 63% -ot, 1,5 év alatt pedig 100% -ot bomlik le.

Gyógyszerészeti felhasználás

A PLA biológiai lebonthatósága hasznossá teszi a gyógyszerek szabályozott leadását.

A legtöbb esetben a gyógyszer fokozatosan szabadul fel a gyógyszert tartalmazó tartály hidrolitikus lebomlása és morfológiai változása miatt (a polimerrel készítve).

Más esetekben a gyógyszer lassan szabadul fel a polimer membránon keresztül.

implantátumok

A PLA hatékonynak bizonyult az implantátumok és az emberi test támogatása terén. Jó eredményeket kaptunk a törések és az osteotómiák vagy a csontműtétek rögzítésében.

Biológiai szövettechnika

Jelenleg számos vizsgálatot végeznek a PLA alkalmazásához szövetek és szervek rekonstrukciójában.

PLA filamentumokat fejlesztettek ki az idegek regenerálódására bénult betegekben.

A PLA-rostot korábban plazma kezeli, hogy ez érzékeny legyen a sejtnövekedésre. A javítandó ideg végeit plazmával kezelt PLA mesterséges szegmensével kapcsolják össze.

Ezen a szegmensen speciális sejteket vetnek be, amelyek növekedni fognak és kitöltik az üreget az ideg két vége között, és csatlakoznak hozzájuk. Az idő múlásával a PLA-támogatás elhasználódik, így az idegsejtek folyamatos csatornáját hagyják el.

A hólyag rekonstrukciójában is felhasználták, állványként vagy platformként működve, amelyen az urothel sejtek (a húgyhólyagot és a húgyúti rendszert vonalzó sejtek) és a simaizomsejtek be vannak vetve.

Használat textil anyagokban

A PLA kémiája lehetővé teszi a szál bizonyos tulajdonságainak ellenőrzését, ami alkalmassá teszi a textil, ruházat és bútorok sokféle felhasználására.

Például az a képessége, hogy felszívja a nedvességet, és ugyanakkor alacsony nedvességtartalom és szagok visszatartása, hasznosá teszi a nagy teljesítményű sportolók ruházatának elkészítéséhez. Hipoallergén, nem irritálja a bőrt.

Még kedvtelésből tartott állatok ruházatához is használható, és nem igényel vasalást. Kis sűrűségű, tehát könnyebb, mint más szálak.

Megújuló forrásból származik, és előállítása olcsó.

Különféle alkalmazások

A PLA különféle felhasználási célokra használható palackok készítésére (sampon, gyümölcslevek és víz). Ezeknek a palackoknak csillogása, átláthatósága és áttekinthetősége van. Ezenkívül a PLA kivételesen akadályozza a szagokat és az aromákat.

Ezt a felhasználást azonban 50-60 ºC alatti hőmérsékleteken kell alkalmazni, mivel ezen hőmérsékletek elérésekor hajlamos deformálni.

Az eldobható tányérok, poharak és edények, valamint élelmiszer-tartályok, például joghurt, gyümölcs, tészta, sajt stb., Vagy PLA habtálcák gyártásához használják friss ételek csomagolására. Nem szív fel zsírt, olajat, nedvességet és rugalmas. A PLA hulladék komposztálható.

PLA szalma, szalma vagy szalma. F. Kesselring, FKuR Willich. Forrás: Wikipedia Commons.

Arra is használják, hogy vékony lemezeket készítsen élelmiszerek, például burgonya chips vagy más ételek csomagolására.

PLA csomagolás cukorka számára. F. Kesselring, FKuR Willich. Forrás: Wikipedia Commons.

Használható elektronikus tranzakciós kártyák és szállodai szoba kulcskártyák készítésére. A PLA kártyák megfelelhetnek a biztonsági szolgáltatásoknak és lehetővé teszik a mágnesszalagok alkalmazását.

Széles körben használják rendkívül finom termékek, például elektronikus eszközök és kozmetikumok dobozának vagy burkolatainak gyártására. A kifejezetten erre a célra előkészített osztályokat használják más szálakkal való összekapcsolással.

Habosított hab készíthető PLA-ból, hogy ütéscsillapító anyagként használhassák kényes műszerek vagy tárgyak szállításához.

Gyerekek számára készült játékokhoz.

Felhasználások a mérnöki és mezőgazdasági tevékenységekben

A PLA-t az építkezésen a csatornák, a padlószerkezetek, például a szőnyegek, a laminált padlóburkolatok és a fal tapéta, a szőnyegek és az autó párnák szövetének előállításához használják.

Használata fejlesztés alatt áll az elektromos iparban vezetőképes vezetékek bevonatává.

Alkalmazásai között szerepel a mezőgazdaság, a PLA talajvédő fóliákat gyártanak, amelyek lehetővé teszik a gyomirtást és elősegítik a műtrágya visszatartását. A PLA filmek biológiailag lebonthatók, a betakarítás végén beépíthetők a talajba, és így tápanyagokat szolgáltatnak.

Talajvédő PLA fólia növényekben. F. Kesselring, FKuR Willich. Forrás: Wikipedia Commons.

Legutóbbi tanulmányok

A nanokompozitoknak a PLA-hoz való hozzáadását tanulmányozzák annak bizonyos tulajdonságainak, például hőállóság, kristályosodási sebesség, lángállóság, antisztatikus és elektromos vezetőképesség, anti-UV és antibakteriális tulajdonságok javítása érdekében.

Egyes kutatóknak sikerült növelniük a PLA mechanikai szilárdságát és elektromos vezetőképességét grafén nanorészecskék hozzáadásával. Ez jelentősen megnöveli azokat az alkalmazásokat, amelyek a PLA-nál elérhetőek a 3D nyomtatáshoz.

Más tudósoknak sikerült kifejleszteni egy érrendszeri tapaszt (az emberi test artériáinak javítására) azáltal, hogy egy organofoszfát-foszforil-kolint egy olajfoszfát-foszforil-kolinnal beolttak egy PLA-állványra vagy platformon.

Az érrendszeri tapasz olyan kedvező tulajdonságokkal rendelkezik, amelyeket ígéretesnek tartanak az érrendszeri műszaki tervezés szempontjából.

Tulajdonságai közé tartozik az a tény, hogy nem termel hemolízist (a vörösvértestek szétesését), nem mérgező a sejtekre, ellenáll a vérlemezkék adhéziójának, és jó affinitást mutat az erek vonalait összekötő sejtekkel szemben.

Irodalom

1. Mirae Kim és mtsai. (2019). Elektromosan vezető és mechanikusan erős grafén-politejsav kompozitok 3D nyomtatáshoz. ACS alkalmazott anyagok és interfészek. 2019, 11, 12, 11841-11848. Helyreállítva a pubs.acs.org webhelyről.
2. Tin Sin, Lee et al. (2012). Poli (tejsav) alkalmazások. A Biopolimerek és a biológiailag lebontható műanyagok kézikönyve. 3. fejezet Helyreállítva a sciencedirect.com webhelyről.
3. Gupta, Bhuvanesh és mtsai. (2007). Poli (tejsav) rost: Áttekintés. Prog. Polym. Sci. 32 (2007) 455-482. Helyreállítva a sciencedirect.com webhelyről.
4. Raquez, Jean-Marie et al. (2013). Polilaktid (PLA) alapú nanokompozitok. Előrelépés a polimer tudomány területén. 38 (2013) 1504-1542. Felépült a tudományos közvetlen irányból.
5. Zhang, Jun et al. (2019). Zwitterionos polimerrel graftált tejsav vaszkuláris tapaszok, cellulózított állványon alapuló szövettechnika. ACS Biomaterials Science & Engineering. Megjelenés dátuma: 2019. július 25. Helyreállítva a pubs.acs.org webhelyről.