Об авторе: Сакина Зейналова — химик, специалист по полимерам, популяризатор науки. Работает в итальянской компании «Tre Tau Engineering». Автор книги «Яды: вокруг и внутри».
Мир переполнен пластиковыми отходами. Ежегодно производится почти 400 млн т пластмасс, и этот показатель, по прогнозам, более чем удвоится к 2050 году. Масса пластиков, находящихся на свалках по состоянию на 2021 год, оценивается примерно в 5 млрд т. Уже разработаны первые методы решения проблемы пластикового загрязнения: вторичная переработка, сжигание, разложение под действием реагентов. Но что если разработать такой пластик, который получался бы из возобновляемых источников и при этом сам разлагался в окружающей среде? Такой материал уже существует — это полимолочная кислота. Более того, вы уже встречались с ним, если видели маркировку пластика PLA. Возможно, в ближайшем будущем вместо титановых пластин людям будут предлагать вживлять имплантаты из PLA, а в магазинах вместо полиэтиленовых пакетов мы будем брать упаковку из этого полимера. Но обо всем по порядку.
Что такое полимолочная кислота?
Это органическое соединение, которое состоит из многократно повторяющихся звеньев — молекул молочной кислоты. Саму молекулу молочной кислоты получают ферментацией из сырья, богатого крахмалом: картофеля, кукурузы, маниоки, сахарного тростника. Потом молекулы при определенных условиях вступают в реакцию поликонденсации: выделяют воду и появившимися связями цепляются друг за друга. Вот и готов полимер полимолочная кислота, название которого иногда сокращают до аббревиатуры PLA (Polylactic acid).
Плюсы полимолочной кислоты
Их много. Главные из них заключаются в:
- получении полимера из возобновляемых источников, а не из нефтехимического сырья, как синтетические полимеры вроде полиэтилена,
- способности к химической модификации,
- высокими (по сравнению с другими биополимерами) прочностными свойствами на разрыв и изгиб,
- возможности переработать полимер теми же способами и на том же оборудовании, что и синтетические полимеры,
- хорошей приживаемости материала внутри живых организмов,
- способности «рассасываться» внутри них,
- разложении до безопасных веществ, после того как материал отработал свой срок службы.
Одни только плюсы? Никаких недостатков?
Разумеется, нет. У этого пластика:
- низкие барьерные свойства: пленки на основе полимолочной кислоты больше пропускают газы (CO2, N2, O2), чем, например, полиэтилентерефталат, из которого делают пластиковые бутылки,
- высокая хрупкость, поэтому PLA сложно применять там, где предполагается деформация изделия,
- низкая устойчивость к высокой температуре — в контейнере из чистого PLA вы вряд ли сможете разогреть еду,
- биоразлагаемость. Да, это и плюс, и минус одновременно, поскольку в некоторых случаях пластики на основе PLA могут прийти в негодность раньше времени.
Чтобы сгладить эти недостатки, в полимолочную кислоту могут добавлять натуральные волокна из целлюлозы, льна, хлопка, шерсти и многого другого. Такие добавки армируют полимер, давая ему дополнительную прочность и износостойкость без потери экологичности. В других случаях к PLA могут добавлять гидроксиапатит (вещество, входящее в состав костной ткани), стеклянные микросферы, тальк и другие неорганические соединения.
Можно пойти дальше и прибегнуть к химической модификации: в процессе получения полимера добавить вещества, способные встроиться в цепочку звеньев полимолочной кислоты. Такие соединения называют сополимерами. Их свойства могут значительно отличаться от изначального PLA. Этим методом можно добиться увеличения прочности, температурной стойкости, способности взаимодействовать с водой.
Где применяют этот пластик?
Здесь стоит сказать, что чаще всего применяют полимолочную кислоту в измененном виде: ее могут чем-то наполнить или химически модифицировать, как писалось выше.
Биоразлагаемая упаковка
Самое первое, что хочется попробовать сделать из биоразлагаемого полимера, — это упаковка. Потому что 70% выбрасываемого мусора составляет именно она. Как было бы здорово, если бы этот пластик сам исчезал в окружающей среде. И действительно, такой пластик сделали. На 2020 год опубликовано множество статей с вариантами получения таких материалов: их синтезируют из крахмала, хитозана, целлюлозы, казеина или даже белка паутины. Но если из паука «выдоить» белок для производства посуды проблематично, то произвести большое количество полимолочной кислоты намного проще. Упаковка из PLA будет чуть более хрупкой, может быть подпорчена бактериями, но зато она «eco friendly». И не стоит забывать, что полимер всегда можно модифицировать. Можно даже сделать биоразлагаемую упаковку для продуктов на основе PLA, наноцеллюлозы и наносеребра, которая будет обладать антимикробными свойствами. Сейчас на рынке действительно можно найти биоразлагаемую упаковку, в том числе и из полимолочной кислоты.
3D-печать
Пластик PLA — один из самых распространенных материалов, из которого делают нити для принтеров. Такой пластик плавится в диапазоне от 150 до 230°С в зависимости от марки и может принимать любые сложные формы. Но в отличие от других, PLA биоразлагаемый, а это преимущество. Еще один плюс — его можно наполнить различными волокнами и таким образом изменять свойства и внешний вид готового изделия. Да что там 3D, уже говорят о 4D-печати полимолочной кислотой с памятью первоначальной формы изделия из PLA.
Тканевая инженерия
Пожалуй, самая большая и важная область применения полимолочной кислоты. На её основе делают костные скаффолды — матрицы, через которые прорастают клетки организма. Такие матрицы ускоряют заживление травм кости, не вызывая уменьшения плотности костной ткани — главной проблемы титановых имплантатов. А еще скаффолды на основе PLA постепенно разрушаются внутри и могут в течение длительного времени высвобождать что-нибудь полезное, например антибиотик или другое лекарство. Очень популярны сочетания полимолочной кислоты, хитозана, гидроксиапатита и гиалуроновой кислоты.
Ещё из PLA изготавливают временные и долгосрочные имплантаты, костные винты, протезы, нити для швов и ранозалечивающие материалы. Самой передовой на момент 2022 года, но уже доступной, стала печать индивидуальных имплантатов на 3D-принтере по модели, построенной на основании КТ/МРТ пациента.
Носители для адресной доставки лекарств
Мало просто придумать лекарство, нужно еще и доставить его точно в то место, где оно поможет. Для этого ученые разрабатывают специальные молекулы-носители для препаратов. И полимолочная кислота справляется с этой задачей. Так, она может доставлять противораковые препараты и препараты, ускоряющие заживление тканей.
А еще можно делать удобрения, которые постепенно высвобождают полезные вещества, изготавливать нити, лески, веревки и губки. Почти всё, что пожелаете.
Так спасет нас PLA пластик или нет?
От пластикового загрязнения — навряд ли.
Выше в этом материале вы неоднократно читали слово «биоразлагаемый». Это значит, что полимер разрушается под действием почвенных бактерий, света, влаги и других природных факторов. Но когда пластик попадает на мусорные полигоны, он завален другими отходами, и вышеперечисленные факторы на него почти не действуют. Для биоразложения нужны специальные полигоны для компостирования. Ни одного такого по состоянию на 2022 год на территории России нет. Создание и обслуживание таких полигонов оказывается экономически невыгодным.
Поэтому PLA предлагают сжигать или повторно перерабатывать (что сложно, так как в пластике часто много добавок). И в общем-то оказывается, что экологичный пластик не такой уж и экологичный. На его производство было затрачено немало природных ресурсов, а разлагать до безопасных веществ его негде.
Но есть область, где пластики на основе полимолочной кислоты и вправду могут перевернуть мир — это медицина. Там все особенности этого полимера играют только в плюс, а все недостатки легко исправляются. Вполне возможно, что скоро практика использования PLA станет повсеместной, и никого не будут удивлять по волшебству исчезающие в нужный момент костные имплантаты. И это замечательно.