Forskere kombinerer biopolymerer afledt af havet for at erstatte syntetiske plastfilm

Materialer med forbedret struktur afledt af krebsdyr og tang kan være en del af næste generations svar på udfordringen med at erstatte petroleumsbaserede plastikfilm, ifølge ny forskning fra North Carolina State University.

Ved at kombinere chitosan, en biopolymer, der gør krabbeskaller hårde, med agarose, en biopolymer udvundet af tang, der bruges til at lave geler, skabes unikke biopolymer-kompositfilm med forbedret styrke. Filmene er også biologisk nedbrydelige, har antibakterielle egenskaber, afviser vand og er gennemsigtige. Resultaterne kan i sidste ende føre til bæredygtige emballagefilm til fødevarer og forbrugsvarer.

"Hvordan finder vi bæredygtige erstatninger for syntetiske polymerer?" spurgte Orlin Velev, S. Frank og Doris Culberson Distinguished Professor of Chemical and Biomolecular Engineering ved NC State og tilsvarende forfatter til et papir, der beskriver forskningen.

"Syntetiske polymerer laver meget gode film, men vi ønsker at erstatte dem med naturlige biopolymerer. Spørgsmålet bliver, hvordan vi justerer den fælles struktur af disse naturlige polymerer - i vores tilfælde, agarose og chitosan - så vi kan have alle de ønskede egenskaber af syntetiske polymerer inde i en bæredygtig, biologisk nedbrydelig film?"

Det er måske ikke nok blot at blande chitosan og agarose sammen. Velev siger, at tidligere bestræbelser på at fremstille sådanne blandinger rapporterede forbedringer i egenskaber, men når de blev tørret, skabte de grynet film, der måske mangler den rigtige styrke.

I stedet tog Velev og hans samarbejdspartnere en anden tilgang, idet de forstærkede agarosefilmene med fibrilleret kolloidt skalamateriale - kaldet bløde dendritiske kolloider - lavet af chitosan. De stærke chitosan mikro- og nanoskala fibriller er hierarkisk forgrenede for at give styrke og stabilitet til agarosefilmen, hvor de er indlejret.

"Det er udfordrende at modificere naturlige polymerer kemisk, men vi kan ændre deres morfologi og bruge dem som kompositter," sagde Yosra Kotb, en NC State Ph.D. kandidat og første forfatter af papiret.

"Vi bruger chitosan dendritiske partikler til at forstærke agarosematrixen på grund af kompatibiliteten af ​​begge materialer, hvilket fører til gode mekaniske egenskaber; chitosan partikler har også en modsat ladning til agarose. Når de blandes, neutraliseres disse ladninger, så de resulterende materialer også bliver mere modstandsdygtige over for agarose. vand."

Biopolymerkompositterne er omkring fire gange stærkere end agarosefilm alene, viser forskningen, og modstår også E.coli, en almindeligt studeret bakterie. Papiret viste også, at et ark fremstillet af biopolymer-kompositfilm i høj grad blev nedbrudt efter en måned under jorden, mens til sammenligning en almindelig plastiksandwichpose forblev fuldstændig intakt efter samme periode under jorden.

"Interessant nok er vores komposit oprindeligt stærkt antibakterielt," sagde Velev, "men fordi det er lavet af naturlige materialer, vil bakterier efter nogen tid stadig kolonisere det - så efter en måned under jorden vil det let bionedbrydes,"

Velev tilføjede, at hans laboratorium vil fortsætte med at arbejde på at lave forbedringer i strukturen af ​​biopolymerkompositfilmene med det mål i sidste ende at matche egenskaberne af syntetiske polymerer.

"Hvis du pakker mad, vil du have, at pakken skal være uigennemtrængelig for ilt og vand," sagde han. "Men naturlige materialer er permeable, så vi vil fortsætte med at arbejde på at gøre vores film mere uigennemtrængelige for vand og ilt."

At øge skalerbarheden af ​​materialeproduktionsprocessen er også et af de fremtidige mål. "Hvordan laver man polymererstatningsfilmen i en kontinuerlig proces, der er hurtig nok til at lave den i store nok mængder - som papirfremstilling?" sagde Velev.

Resultaterne vises i Cell Reports Physical Science .

Flere oplysninger: Yosra Kotb et al., Hierarkisk forstærkede biopolymer-kompositfilm som multifunktionel plasterstatning, Cell Reports Physical Science (2023). DOI:10.1016/j.xcrp.2023.101732

Journaloplysninger: Cell Rapporter Fysisk Videnskab

Leveret af North Carolina State University