Биоразлагаемые полимеры (биодеградируемые полимеры) — полимерные материалы, разрушающиеся под действием природных биохимических и микробиологических факторов. Есть два класса биоразлагаемых полимеров: биопластики, синтезированные из растительного сырья, и традиционные полимеры, полученные из нефтепродуктов. Срок жизни биоразлагаемых полимеров, как правило, невелик — от нескольких месяцев до нескольких часов. Разлагаются на диоксид углерода, метан, воду, биомассу и неорганические вещества. Биоразлагаемые полимеры применяют для создания упаковки, в сельском хозяйстве, чтобы снизить нагрузку на окружающую среду, в медицине для систем доставки лекарств в клетки организма, в тканевой инженерии как шовный материал, в виде имплантатов, постепенно замещаемых живыми тканями.
Интерес к биоразлагаемым полимерам появился в 1970-х годах во время нефтегазового кризиса и возобновился в 2000-е с ростом цен на углеводородное сырье. Первые биоразлагаемые пластики из возобновляемого сырья были представлены в 1980-е годы.
Разложение полимеров происходит под действием энзимов в живых клетках или в процессе питания микроорганизмов. На первом этапе происходит распад полимера на низкомолекулярные комплексы посредством абиотических реакций (окисление, фотодеградация, гидролиз) или биотических реакций (через микроорганизмы). Затем фрагменты полимеров ассимилируются микроорганизмами и минерализуются. Процесс биоразложения зависит от типа полимера, его химической структуры и окружающих условий.
Биоразлагаемые полимеры из растительного сырья условно их можно разделить на следующие большие группы: полилактиды (ПЛА), то есть полимеры на основе молочной кислоты, образующейся после молочнокислого брожения сахаристых веществ; полигидроксиалконоаты (ПГА) — продукты переработки растительного сахара микроорганизмами; и материалы на основе крахмала. Существуют также материалы, сделанные на основе лигнина, целлюлозы, поливинилового спирта, капролактона и других
.
ПЛА, торговая марка | Компания | Страна |
NatureWorks® | Cargill Dow | США |
Galacid® | Galactic | Бельгия |
Lacea® | Mitsui Chem. | Япония |
Lacty® | Shimadzu | Япония |
Heplon® | Chronopol | США |
CPLA® | Dainippon Ink Chem. | Япония |
Eco plastic® | Toyota | Япония |
Treofan® | Treofan | Нидерланды |
PDLA® | Purac | Нидерланды |
Ecoloju® | Mitsubishi | Япония |
Biomer® L | Biomer | Германия |
Обычные полимеры из нефтепродуктов, из которых сделаны пакеты, зубные щетки, посуда и так далее, сохраняются около ста лет. Чтобы сделать их биоразлагаемыми, в них добавляют специальные вещества. Например, в полимерную цепь внедряют светочувствительные группы, которые реагируют под действием ультрафиолетового излучения. Таковы биопластики с гидролизирующими свойствами — сложные эфиры, амиды, уретаны, полимеры с углеродными основными цепями. В качестве светочувствительных добавок применяют антиоксиданты и металлические соединения, такие как Mn2+/Mn3+.
Полиэстеры, полиамиды, полиуретаны, полимочевины, полиангидриды становятся биоразлагаемыми при особых условиях.
Биоразлагаемые полимеры разрабатывают таким образом, чтобы они разлагались in vivo на биосовместимые олигомерные и мономерные субъединицы, принимаемые организмом за обычные метаболиты и выводимые из организма. Для систем доставки лекарств нужно учитывать скорость разложения и возможные побочные продукты. Полимеры должны быстро разлагаться и выводиться из клетки.
Полиангидриды — наиболее изученный класс биоразлагаемых полимеров, что объясняется их дешевизной, простотой синтеза. В 1983 году группа под руководством Лангера нашла высокостабильную ангидридную связь, разрушаемую путем гидролиза в биологических системах, которую можно использовать для создания систем доставки лекарств. Переход к клиническим испытаниям полиангидридов привел к созданию препарата @Gliadel (кармустиновый импант из полифеппрозана 20), используемого для лечения недавно диагностированных глиом высокой степени злокачественности.
Полиалкилцианоакрилаты нашли применение в системах доставки лекарств недавно. На основе полиалкилцианоакрилатов получено множество носителей в виде наночастиц для индометацина, ганглиозидов, олигонуклеотидов, противоэпилептических препаратов, в том числе этосукцимда, инсулина, сакинавира, гемоглобина и нуклеозидных аналогов, действующих против ВИЧ.
Полифосфазены отличаются от других полимеров неорганической основной цепью. Они содержат два сайта замещения (R и R’), позволяющих менять кинетику распада полимеров, и функциональные группы для присоединения лекарств и представления их молекулами-мишенями. К тому же семейству относятся полифосфоэфиры, биологическим разрушением которых можно управлять.
Самую большую группу биоразлагаемых полимеров для доставки лекарств представляют собой полиэфиры, включая алифатические полиэфиры.
- «Полимеры в биологии и медицине» ред. Майк Дженкинс Перевод с англ. — О.И. Киселева, науч. ред. — Н.Л. Клячко
- Biodegradable Polymers Isabelle Vroman and Lan Tighzert Materials 2009, 2, 307-344
- «Пластики биологического происхождения» А. Лешина «Химия и жизнь» №9, 2012