Об авторе: Сакина Зейналова — химик, специалист по полимерам, популяризатор науки. Работает в итальянской компании Tre Tau Engineering, автор книги «Яды: вокруг и внутри».
Говоря слово «пластик», мы представляем себе нечто твердое, пластичное, стойкое к воде. Это может быть контейнер для еды, пластиковый стакан или оконная рама. Но что если мы вам расскажем, что бывают растворимые в воде пластики? Один из таких водорастворимых полимеров — поливиниловый спирт. На первый взгляд такие материалы могут показаться бесполезными, хотя именно их используют в передовых научных разработках: биомедицине, сложной 3D-печати, мембранах для очистки воды. А еще вы регулярно встречаетесь с этим веществом в косметике и в пластиках, которые используете. В этой статье разберемся, что такое поливиниловый спирт и для чего его применяют.
Что такое поливиниловый спирт?
Поливиниловый спирт (ПВС, PVA) — биосовместимый, нетоксичный и водорастворимый синтетический (то есть полученный искусственным путем), полимер. Он состоит из повторяющихся звеньев -СН2-СН (ОН)- n, и в чистом виде поставляется в виде гранул без цвета и запаха. Это вещество активно впитывает влагу, вследствие чего теряет прочность, но становится более эластичным. Из-за этого свойства его добавляют в другие полимеры в качестве пластификатора — вещества, улучшающего пластичность. И если на воду поливиниловый спирт реагирует активно, то по отношению к маслам, жирам и органическим растворителям он стабилен.
Получают поливиниловый спирт в основном из поливинилацетата, более известного нам как ПВА (на его основе делают тот самый клей), с помощью различных вариантов омыления. В итоге получается полимер, имеющий множество спиртовых групп. Они-то и обеспечивают особые свойства этого вещества.
Важно отметить, что среди всех характеристик PVA мы не упомянули «биоразлагаемый» не случайно. Несмотря на то, что полимер растворяется в воде, это вовсе не значит, что попадая в таком виде в окружающую среду, он разрушается до воды, углекислого газа и безопасной органики. Немодифицированный PVA достаточно стоек к биоразложению, поэтому к нему предлагают добавлять другие компоненты — например, полисахариды. Они способствуют ускорению этого процесса, так как являются источником питания для микроорганизмов.
Области применения
Упаковка
Сама идея растворимого в воде пластика звучит крайне привлекательно. Только представьте: вы используете одноразовую упаковку и после этого не переживаете, куда бы ее сдать на переработку: растворили в воде и все.
Некоторые исследования указывают на недооцененность этого типа материалов научным сообществом. Ведь такие полимеры не нужно вторично перерабатывать, они могут быть использованы в качестве безопасной пленки для пищевых продуктов. По окончанию срока их службы их можно утилизировать, растворив в воде.
Однако это обманчивая простота: полимер не разрушается в воде, а растворяется. Поэтому вопрос об его утилизации все еще стоит. Кроме того, в чистом виде поливиниловый спирт не слишком торопится разлагаться в окружающей среде, он нуждается в некоторых модификациях.
Как это можно сделать? PVA можно модифицировать химически или добавить наполнитель — это позволит изменять его свойства. И если к пленкам из чистого поливинилового спирта были вопросы (они теряют свои барьерные свойства под действием воды, что не очень удобно для упаковочных материалов), то наполнив полимер целлюлозой и димером алкилкетона, можно увеличить механическую прочность пленки почти в 1,5 раза и придать ей стойкость к воде, водяному пару и ультрафиолету. При этом скорость биоразложения материала только увеличивается. Пленке на основе поливинилового спирта можно придать дополнительные антибактериальные и противогрибковые свойства. Совместив PVA и ксантовую камедь, можно получить композиционный материал, вполне пригодный для упаковки продуктов, время разложения такой упаковки составит всего лишь 12 часов. А видоизмененный хитозан + PVA дает отличную биоразлагаемую, незапотевающую пленку для продуктов с антибактериальным эффектом.
Чисто теоретически пленку из PVA можно растворить и выпить. Результаты исследования токсичности поливинилового спирта на пресноводных рыбах показали отсутствие значительных эффектов. Однако это не значит, что подобные действия будут полезны для вашего здоровья.
3D-печать
Из-за свойства водорастворимости создавать какие-либо изделия из PVA на 3D-принтере оказывается нецелесообразно. Но это же свойство сделало его востребованным материалом в аддитивной технологии. Дело в том, что для печати геометрически сложных фигур всегда требуются конструкции-поддержки. Эти элементы удаляются после того как печать была завершена, и если поддержка была изготовлена из слишком прочного материала, то ее необходимо спилить. Эта операция может повредить основную конструкцию или полностью сломать ее. Поэтому водорастворимый поливиниловой спирт в качестве материала поддержки для 3D-печати стал особенно популярен.
Биомедицина
Это одно из самых больших и динамично развивающихся направлений использования поливинилового спирта. Неудивительно: поливиниловый спирт становится основой многокомпонентных каркасов для замены костной ткани. В состав таких материалов могут также входить желатин, хитозан и гидроксиапатит, что в итоге ускоряет заживление травм кости.
На совмещение поливинилового спирта с биополимерами из панцирей ракообразных — хитина и хитозана — вообще очень много надежд: тут вам и безопасное использование внутри организма, и антибактериальные эффекты и нетоксичность. С учетом пластичности полученного материала из него можно делать не только костные имплантаты, но и пленки, губки и многое другое. Есть даже варианты его использования в качестве поглотителя радиоактивного бета-излучения.
Поливиниловый спирт давно и широко используют в мягких контактных линзах, глазных каплях, в сосудистой хирургии, а также в качестве искусственного хряща и мениска. Например, из PVA делают имплантаты ушной раковины.
На основе PVA делают чувствительные к изменению кислотности и температуры гидрогели, способные направленно доставлять лекарственные препараты, в том числе и противораковые. Также для этих целей используются микро- и наночастицы PVA со всевозможными добавками, нагруженные теми же препаратами. Вместе с нетоксичностью и биосовместимостью эти «суперспособности» поливинилового спирта делают его крайне привлекательным для селективной доставки лекарственных средств.
А еще антибактериальные пленки на основе поливинилового спирта используют для ранозаживления или лечения опухолей.
Косметика
Вы можете встретить поливиниловый спирт в составе некоторых косметических средств в качестве загустителя и пленкообразователя. Это вещество применяют везде: от средств для умывания до декоративной косметики. Оно безопасно, нетоксично и редко когда вызывает аллергическую реакцию.
Другие области
Мельчайшие фильтрующие пленки на основе сшитого PVA неплохо отделяют солевые компоненты от воды, поэтому могли бы использоваться для систем опреснения, подготовки питьевой воды и просто очистки стоков. Поливиниловый спирт используют для создания синтетических волокон, в качестве добавки в полимеры, для иммобилизации (то есть обездвиживания) клеток в микробиологии, для синтеза других полимеров. Области применения PVA расширяются с каждым годом.
Что в итоге?
- На деле оказывается, что водорастворимые полимеры могут быть очень полезны.
- Поливиниловый спирт нашел применение в самых разных сферах.
- Кое-где он уже сейчас успешно используется для решения разных задач (3D-печать, медицина и т. д.) и прочно занял свое место.
- Для решения некоторых проблем конкретные способы применения поливинилового спирта еще предстоит разработать. Например, для создания более экологичной пластиковой упаковки.
- Однозначно область его применения в ближайшие годы будет только расширяться и поливиниловый спирт мы будем встречать чаще.