Opracowano nowej generacji polimery, które nie tylko spełniają swoją funkcję przez zaplanowany czas, ale także są zdolne do samoczynnej degradacji po aktywacji zewnętrznego sygnału. Całe rozwiązanie polega na integracji z polimerem specjalnie zaprojektowanych mikroorganizmów, które – po uruchomieniu – produkują dwa kooperujące enzymy rozkładające strukturę plastiku. Dzięki temu materiał, nazywany „żywym plastikiem”, jest w stanie ulec całkowitemu rozkładowi w ciągu zaledwie sześciu dni od aktywacji.
Naukowcy wprowadzili do bakterii Bacillus subtilis (laseczka sienna) obwody genetyczne umożliwiające indukowaną produkcję dwóch komplementarnych enzymów rozkładających polimery: lipazy z Candida antarctica (odpowiedzialnej za losowe cięcie łańcuchów polimerowych) oraz Burkholderia cepacia (odpowiedzialnej za procesywną depolimeryzację od końców fragmentów). Formy przetrwalnikowe (spory) tych zmodyfikowanych szczepów zmieszano z polikaprolaktonem (polycaprolactone, PCL) – polimerem powszechnie stosowanym m.in. w druku 3D oraz w szwach chirurgicznych.
Polimery biodegradowalne
Powstały kompozyt zachował właściwości mechaniczne porównywalne z czystym polikaprolaktonem. Aktywacja przetrwalników nastąpiła po dodaniu pożywki odżywczej w temperaturze 50°C. W ciągu sześciu dni materiał uległ całkowitej degradacji do monomerów wyjściowych, w szczególności bez odnotwanego powstawania cząstek mikroplastiku. Krytyczna dla skuteczności procesu okazała się współpraca obu enzymów – systemy oparte na pojedynczym enzymie lub jednym szczepie wykazywały znacznie niższą efektywność, co potwierdzono w badaniach porównawczych.
Autorzy rozwiązania – badacze chińscy, którzy jednak opublikowali wyniki swoich badań na łamach „ACS Applied Polymer Materials” (czasopismo naukowe Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego) – twierdzą, że najistotniejszym elementem innowacji jest nie tyle sam fakt biodegradacji, co (potwierdzona w toku eksperymentów laboratoryjnych) precyzyjna kontrola nad momentem jej rozpoczęcia oraz tempem postępu, co otwiera możliwość dostosowania czasu użytkowania do konkretnych zastosowań – od opakowań jednorazowych, po elementy konstrukcyjne wymagające długotrwałej wytrzymałości.
Publikacja podkreśla, że zastosowanie konsorcjum mikrobiologicznego pozwala pokonać ograniczenia wcześniejszych prób tworzenia „żywych plastików” opartych na pojedynczych enzymach lub szczepach, w których degradacja była niepełna lub zbyt wolna. Prace sfinansowano ze środków chińskich instytucji naukowych: National Key Research and Development Program of China, Shenzhen Medical Research Fund, National Natural Science Foundation of China, Guangdong Natural Science Funds for Distinguished Young Scholars oraz Shenzhen Science and Technology Program.
Zaprząc do pracy zjawiska fizyczne
Doniesienia te nie są odosobnione. Wcześniejsze prace nad polimerami samoniszczącymi się pod wpływem światła UV lub podwyższonej temperatury, prowadzone przez badaczy z Georgia Institute of Technology, wykazały, że materiały na bazie poly(phthalaldehyde) (PPHA) są w stanie zniknąć w ciągu minut lub godzin po wystawieniu na działanie promieniowania UV lub temperatury powyżej 176°F. Rozwiązania te, choć obiecujące, napotykały jednak na problem niekontrolowanej degradacji w warunkach pokojowych, co sprawiało, że polimery te miały jedynie ograniczone zastosowanie praktyczne.
Jesienią ub.r. zespół z Rutgers University zaprezentował własną metodę, opartą na czynnikach fizycznych zamiast biologicznych. Wedle jej założeń, polimery wyposaża się w „wbudowane słabe punkty” – specyficzne grupy chemiczne, których świadomie dobrana geometria umożliwia powodowanie kontrolowanych pęknięć wiązań pod wpływem wody, światła UV lub jonów metali. Dzięki precyzyjnemu zsynchronizowaniu tych grup, czas degradacji można zaprogramować na dni, miesiące, a nawet lata, bez konieczności stosowania wysokich temperatur czy agresywnych chemikaliów.
Rozwiązanie to, którego charakterystykę opublikowano na łamach „Nature Chemistry”, pozwala wyprodukować polimery, które zachowują pełną wytrzymałość podczas użytkowania, a następnie ulegają szybkiemu rozkładowi po wystawieniu na wybrany czynnik środowiskowy. Tak to, jak i „żywy plastik” opracowany przez konsorcjum chińskich badaczy, wyróżniają się na tle wcześniejszych prób precyzją kontroli nad procesem degradacji oraz możliwością dostosowania go do konkretnych potrzeb przemysłowych – a także tych prawnych, które niekiedy grożą wykorzystaniu polimerów.