چرخه حیات پلیمر زیست تخریب پذیر

دسته: مقالات منتشر شده در 09 آذر 1401
نوشته شده توسط Admin بازدید: 342

ارزیابی چرخه حیات پلیمرهای زیست تخریب پذیر

تعیین عمر کاری ایمن مواد پلیمری برای استفاده موفقیت آمیز از آنها در حوزه های پزشکی، مهندسی و کالاهای مصرفی ضرورت دارد. درک تغییرات فیزیکی و شیمیایی ساختار پلیمرهای پرمصرف مانند پلی الفین ها، زمانی که در معرض آسیب های محیطی قرار می گیرند، چارچوبی را برای کنترل طول عمر نهایی آنها با تثبیت پلیمر یا تسریع در واکنش های شیمیایی فراهم کرده است. اخیرا، پلیمرهای زیست تخریب پذیر بعنوان جایگزینی برای مواد خنثی مانند پلی الفین ها در محیط هایی با تنوع بسته بندی و بعنوان داربست پلیمری در مهندسی بافت به بازنگری رویکردها با هدف پیش بینی طول عمر مفید این مواد نیاز دارد. در بسیاری از مطالعات نه تنها بر شکنندگی و شکست مواد (مانند پلی الفین) تمرکز شده است؛ بلکه فرآورده های تخریب پذیر، سمیت آنها و عمر نهایی آنها در محیط زیست که ممکن است بدن انسان باشد نیز بررسی شده اند. این تفاوت ها در وهله اول به دلیل مقیاس زمانی است. رویکردهای متفاوتی برای این مشکل در حوزه زیست پزشکی مانند کنترل جنبشی دارورسانی توسط فرسایش زیستی پلیمرها مطرح شده است اما شباهت ها در مکانیسم، چشم انداز واقعی را برای پیش بینی عمر مفید یک پلیمر زیست تخریب پذیر بعنوان یک ماده ساختاری فراهم می کند. فرایندهای مکانیکی متداولی که وجود دارند عبارتند از فرایند انتشار-کنترل شدۀ جذب آب و شرایط تجزیه سطحی در مقابل تجزیه توده ای، نقش هیدرولیز در مقابل تجزیه اکسیداتیو در کنترل سرعت برش زنجیره پلیمری، عدم قدرت و خواص واکنش های رابط-آنزیم.

 

پلاستیک ها در فرهنگ مدرن همه کاربردهای گسترده ای دارند و از خواصی همچون مواد عالی و مناسب، انعطاف پذیری بالا، استحکام کنترل پذیر، قابلیت قالب گیری و شکل پذیری آسان برخوردار هستند. آنها همچنین ارزان، بادوام، نسبتا غیرقابل نفوذ و نسبت بالای استحکام به وزن هستند. استفاده از فیلم پلاستیکی در صنعت بسته بندی و سایر اقلام یکبار مصرف اهمیت ویژه ای دارد زیرا تقریبا 40 میلیون تن فیلم و ورق پلاستیکی فقط از پلی اتیلن تولید می شود. علاقه روزافزون به استفاده و بهینه سازی پلیمرهای زیست تخریب پذیر بعنوان جایگزین مناسبی برای پلی الفین ها همانند پلی اتیلن در چنین کاربردهایی مشاهده می شود. این امر بیشتر از افزایش نگرانی ها از زمین، آب و به ویژه آلودگی دریایی ناشی می شود که از مقاومت ذاتی پلی الفین ها در برابر تخریب محیط زیست منشا می گیرند. پلاستیک های زیست تخریب پذیر می توانند از منابع تجدید پذیر (مانند نشاسته و پلی هیدروکسی آلکانوات ها) یا پلیمرهای مصنوعی زیست تخریب پذیر (مانند پلی استرهای تهیه شده از نفت) مشتق شوند. پلی ساکاریدها (سلولز و مشتقات آن به ویژه نشاسته) یا پلی استرهای آلیفاتیک و مخلوط آلیفاتیک/ آروماتیک را می توان بعنوان پلیمرهای زیست تخریب پذیری نام برد که مورد بررسی قرار گرفته اند. شکل زیر مراحل تجزیه پلیمرهای زیست تخریب پذیر را نشان می دهد که در آن حالت اولیه تجزیه، برش زنجیره ای از طریق هیدرولیز (هم هیدرولیز آبیوتیک (غیر آنزیمی) و هم هیدرولیز تحریک شده  با آنزیم) است؛ بر خلاف سیستم های اکسا تجزیه پذیر که بسیار مقاوم هستند.

 

شکل 1:

 Fig

 

چهار متغیر و ارتباط کلیدی بین آنها وجود دارد که نقش مهمی در مکانیسم فرسایش پلیمری ایفا می کنند:

- سرعت انتشار آب در پلیمر (D) و شبه نرخ حالت اولیه هیدرولیز (λ΄)

- ضخامت نمونه (L) و ضخامت بحرانی (Lcrit)

 

در مکانیسم فرسایش سطحی، فرسای پلیمر از سطح شروع می شود و مواد پلیمری هسته بکر باقی می ماند (با متوسط وزن مولکولی Mw و خواص مکانیکی)؛ تا زمانی که پتانسیل تحمل باز به طور پیوسته با ضخامت بحرانی کاهش یابد. در این مرحله، مکانیسم فرسایش به فرسایش توده ای تغییر می کند که در آن زمان شکست تحت تاثیر شتاب خودکار هیدرولیز است و منگنز به راحتی به مقدار بحرانی Me می رسد. بر همین اساس، پلیمر به الیگومرها و مونومرهای فرآورده های محلول در آب تبدیل می شود که سپس، توسط میکروارگانیسم ها به زیست توده جذب شده و یا CO₂، H₂O، CH₄ و یا سایر محصولات متابولیکی تبدیل می شوند. با این حال، استفاده از پلاستیک های زیست تخریب پذیر به دلیل هزینه های بالا، حساسیت به رطوبت، پردازش ضعیف، دمای پایین انحراف گرما، خواص مانع یا رسانش ضعیف محدود شده است. علاوه براین، ارزیابی کامل چرخه حیات (از گهواره تا گور) بایستی طبق ارزیابی اثرات زیست محیطی نسبی هر نوع پلیمر انجام شود. با اینکه راهکارهای تکنولوژیکی برای بسیاری از محدودیت هایی که در بالا توضیح داده شد، در حال توسعه هستند اما چالش اصلی همچنان باقی می ماند: درک عواملی که در نهایت مدت زمانی را کنترل می کنند که پلیمرهای زیست تخریب پذیر یکپارچگی و خواص مواد خود را در مواجهه با محیط های مختلف حفظ می کنند. تنش های محیطی که معمولا با تشدید عملکرد در فضای باز مرتبط هستند عبارتند از دماهای بالا، تشعشعات خورشیدی، تنش های مکانیکی و بارندگی یا رطوبت. با این حال، عوامل دیگری مانند شرایط شیمیایی بویژه در دفن زباله، فعالیت های بیولوژیکی من جمله آنزیمی و سایر فرایندهای میکروبی و بیولوژیکی (مانند تاثیر ریشه ها و نخینه های قارچی) در این دسته قرار دارند.

 

هدف نهایی از این مطالعه مدلسازی چرخه حیات تمام کلاس های پلیمر و پیش بینی نرخ تجزیه با در نظر گرفتن تمام متغیرهای کنترلی بعنوان ورودی است. در این مرحله، هم مدل های موجود و هم درک اساسی مکانیسم ها و برهمکنش های تجزیه، به ویژه در یک محیط طبیعی، به اندازه کافی توسعه یافته نیستند که بتوان با یک نظریه واحد به این مهم دست یافت. در اینجا، رویکردهای متداولی مطرح شده اند که می توانند از زمینه های متفاوت شیمی تجزیه، دارورسانی، شیمی آنزیم با استفاده از چارچوب گسترده تر روابط ساختار-خواص برای تنظیم تغییرات ماکرومولکولی و شیمیایی به خواص مهندسی ترجمه شوند. مفاهیم مهمی که در کلاس وسیع پلیمرهای زیست تخریب پذیر قابل ترجمه هستند عبارتند از:

 

1. عوامل کنترل کنندۀ تجزیه هیدرولیکی سینتیک واکنش های هیدرولیز است و اینکه آیا در شرایط مواجهه با ضخامت نمونه، به گونه ای است که تجزیه به صورت توده ای رخ دهد یا فرسایش تدریجی سطحی رخ می دهد. این روند توسط سینتیک انتشار آب در مقابل سینتیک شیمیایی هیدرولیز کنترل می شود. بسیاری از مدل های بررسی شده در اینجا به همین مفهوم واحد باز می گردند.

2. تغییرات در استحکام پلیمر در طول زمان ممکن است به افزایش تدریجی تعداد برش های زنجیره پلیمری مرتبط باشد که به نوبه خود می تواند به سینتیک هیدرولیز پلیمر در 1 یا بالاتر مدل سازی شوند.

3. مدل سازی تصادفی فرصتی را برای تجسم فرایندهایی فراهم می کند که تغییر در خواص را کنترل کرده و ناهمگونی فرایند تجزیه را شناسایی می کنند. در واقع، رشد نقاط تجزیه به سایز بحرانی شکست تحت تنش پیوندی اعمال شده با خواص مهندسی پلیمر را ایجاد می کند.

4. زیست تخریب پذیری در محیط زیست فرایندهایی با واسطه آنزیم معرفی می کند که برخلاف هیدرولیز، دارای محدودیت فضایی و سطحی هستند. مطالعات جامع تنها بر روی چند پلیمر انجام شده است که پیچیدگی واکنش های تجزیه و حساسیت سینتیک های تجزیه به محیط میکروبی را نشان می دهد.