Marktaussichtsanalyse biologisch abbaubarer Materialien

1. Übersicht über biologisch abbaubare Materialien

(1) Definition und Abbaumechanismus

Biologisch abbaubare Materialien, auch bekannt als „grüne ökologische Materialien“, beziehen sich auf Materialien, die unter der Wirkung von Bodenmikroorganismen und Enzymen abgebaut werden können. Konkret handelt es sich um Polymermaterialien, die unter bestimmten Bedingungen unter der Einwirkung von Bakterien, Schimmelpilzen, Algen und anderen natürlichen Mikroorganismen biologisch abbaubar sind.

Das ideale biologisch abbaubare Material ist ein Polymermaterial mit hervorragender Leistung, das nach der Entsorgung von Umweltmikroorganismen vollständig zersetzt und schließlich in CO2 und H2O umgewandelt werden kann, wodurch es zu einem integralen Bestandteil des Kohlenstoffkreislaufs in der Natur wird.

Die Zersetzung biologisch abbaubarer Materialien erfolgt hauptsächlich durch die Wirkung von Mikroorganismen. Daher ist der Abbaumechanismus biologisch abbaubarer Materialien der Prozess der Verdauung und Absorption von Materialien durch Bakterien, Schimmelpilze usw. Zunächst sezernieren Mikroorganismen hydrolytische Enzyme, um sich an die Oberfläche von Materialien zu binden, die Polymerketten auf der Oberfläche durch Hydrolyse abzuschneiden und Verbindungen mit kleinem Molekulargewicht zu erzeugen. Anschließend werden die Abbauprodukte von Mikroorganismen in den Körper aufgenommen und über verschiedene Stoffwechselwege mikrobielle Substanzen synthetisiert oder in Energie für die mikrobielle Aktivität und schließlich in CO₂ und H₂O umgewandelt. Entsprechend der chemischen Natur seines Abbaus wird es in zwei Arten unterteilt: Hydrolyse und enzymatische Hydrolyse.

(2) Klassifizierung und Eigenschaften biologisch abbaubarer Materialien

Zu den derzeit umfassend erforschten und verwendeten biologisch abbaubaren Materialien gehören natürliche abbaubare Polymermaterialien, mikrobiell synthetisierte abbaubare Polymermaterialien und künstlich synthetisierte biologisch abbaubare Materialien.

1. Natürliche Polymermaterialien

Natürliche Polymermaterialien können zur Herstellung biologisch abbaubarer Materialien verwendet werden, bei denen es sich um eine Klasse von Makromolekülen handelt, die aus Organismen extrahiert oder direkt aus der natürlichen Umgebung gewonnen werden. Sie weisen eine gute Biokompatibilität und Abbaubarkeit auf, verfügen jedoch im Allgemeinen nicht über ausreichende mechanische Eigenschaften und Verarbeitungsleistung. Einige Materialien können auch heterogene Immunreaktionen im Körper hervorrufen, sodass in der Medizin eher chemisch modifizierte Derivate oder Komplexe mit anderen Materialien verwendet werden.

Nach Struktur und Zusammensetzung kann es in natürliche Proteine, Polysaccharide und deren Derivate sowie einige biosynthetische Polyester unterteilt werden. Typische Proteine, Polysaccharide und ihre Derivate umfassen Kollagen, Gelatine, Cyclodextrin, Stärke, Dextran, Chitosan, Hyaluronsäure, Cellulose, Alginsäurederivate, Chondroitinsulfat und Heparin usw. .

2. Von Mikroorganismen synthetisierte abbaubare Materialien

Von Mikroorganismen synthetisierte abbaubare Materialien (biosynthetische oder biologisch gewonnene Materialien) umfassen hauptsächlich Poly-β-hydroxybutyrat (PHB), Polyhydroxyvalerat usw., die zu Polyhydroxyalkanoat (PHA) gehören. Unter ihnen ist Polyhydroxybuttersäure ein wenig toxisches Material, das zur kontrollierten Freisetzung von Arzneimitteln, Nahtmaterial und künstlicher Haut verwendet wird.

3. Synthetische biologisch abbaubare Materialien

Synthetische biologisch abbaubare Materialien sind meist aliphatische Polyester mit in ihre Molekülstrukturen eingeführten Estergruppen, und ihre Herstellungsmethoden umfassen hauptsächlich Kondensationspolymerisation und Ringöffnungspolymerisation. Allerdings können hochmolekulare Polyester nur durch Ringöffnungspolymerisation synthetisiert werden, da die Polykondensationsreaktion vom Reaktionsgrad und dem während der Reaktion entstehenden Wasser beeinflusst wird und es schwierig ist, hochmolekulare Produkte zu erhalten. Die wichtigsten Produkte, die bisher entwickelt wurden, sind Polymilchsäure (PLA), Polyhexylester (PCL), Polyglykolsäure (PGA), Polyglykolid, Polyglykolid, Polybutylensuccinat (PBS) usw.

Biologisch abbaubare Materialien können entsprechend ihrem biologischen Abbauprozess grob in zwei Kategorien eingeteilt werden: Eines sind vollständig biologisch abbaubare Materialien wie natürliche Polymerzellulose, künstlich synthetisiertes Polycaprolacton usw. und andere Die Zersetzung erfolgt hauptsächlich durch: ①Aufgrund des schnellen mikrobiellen Wachstums führt das Wachstum zum physischen Zusammenbruch der Kunststoffstruktur; ② Verschiedene Hydrolysen aufgrund der biochemischen Wirkung von Mikroorganismen, Enzymkatalyse oder Säure-Base-Katalyse; ③ Abbau der Kette freier Radikale durch verschiedene andere Faktoren. Die andere Art sind biologisch abbaubare Materialien wie Mischungen aus Stärke und Polyethylen, deren Zersetzung hauptsächlich auf die Zerstörung von Zusatzstoffen und die Schwächung der Polymerkette zurückzuführen ist, sodass das Molekulargewicht des Polymers so weit abgebaut wird, dass Mikroorganismen es verdauen und schließlich in Kohlendioxid und Wasser zerfallen können.

Biologisch abbaubare Materialien haben die folgenden Eigenschaften:

①Sie können zusammen mit dem Müll entsorgt oder zu Abfall verarbeitet werden kompostiert und der Natur wieder zugeführt;

②Das Volumen wird durch den Abbau reduziert, was die Lebensdauer der Deponie verlängert;

③ Es besteht kein Problem, dass gewöhnliche Kunststoffe verbrannt werden müssen, und es kann die Emission schädlicher Gase wie Dioxin (der schrecklichsten chemischen Substanz, die vom Menschen erzeugt wird und als „das giftigste Gift der Welt“ bekannt ist) unterdrückt werden);

④ Es kann den Schaden der willkürlichen Entsorgung für Wildtiere und Wildtiere verringern Pflanzen;

⑤Die Lagerung und der Transport sind bequem, solange es trocken gehalten wird, muss es nicht vor Licht geschützt werden.



2. Anwendungsgebiete biologisch abbaubarer Materialien



Als multifunktionales High-Tech-Material sind biologisch abbaubare Materialien weit verbreitet und haben ein großes Marktpotenzial, das viele Aspekte des täglichen Lebens der Menschen betrifft. Derzeit werden biologisch abbaubare Materialien hauptsächlich im Umweltschutz sowie in der medizinischen Forschung und im klinischen Bereich eingesetzt.

(1) Anwendungen im Bereich Umweltschutz

Die Anwendung biologisch abbaubarer Materialien im Bereich Umweltschutz spiegelt sich hauptsächlich in den folgenden Aspekten wider:

1. Bereich Wasserressourcen und Umwelt

In den letzten Jahren hat das Aufkommen von Polyhexylester neue Möglichkeiten für die Anwendung biologisch abbaubarer Materialien in diesem Bereich eröffnet. Die in der Wasserumgebung verwendeten abbaubaren Materialien können unter der Wirkung von Enzymen, die von Mikroorganismen im Ozean nach der Entsorgung abgesondert werden, zu niedermolekularen Verbindungen abgebaut werden. Die Verbindungen nehmen schließlich an der neuen Generation von Mikroorganismen teil und werden zu Kohlendioxid und Wasser.

2. Lebensmittelbehälter- und Verpackungsindustrie

Unter den Verpackungsmaterialien ist die Menge an Einwegverpackungen sehr groß, die die Hauptquelle der „weißen Verschmutzung“ darstellen. Daher werden Lebensmittelbeutel, Verpackungsbeutel, Müllbeutel und verschiedene Verpackungen aus biologisch abbaubaren Materialien bevorzugt.

3. Land- und Forstwirtschaft

Ideale landwirtschaftliche Materialien würden synergetisch mit anderen biologisch abbaubaren Materialien zusammenarbeiten, um sie in bodenverbessernde Materialien umzuwandeln. Biologisch abbaubare Materialien werden in der Landwirtschaft hauptsächlich als landwirtschaftlicher Mulch und als Behälter für das Pflanzenwachstum verwendet. Biologisch abbaubare Materialien können auch als Rasenpflanzplatten, Beutel für die Kompostierung und Materialien zur kontrollierten Freisetzung von landwirtschaftlichen Arzneimitteln verwendet werden.

(2) Anwendungen im medizinischen Bereich

Im medizinischen Bereich werden biologisch abbaubare Materialien häufig in Arzneimittelbeschichtungen mit verzögerter Freisetzung, chirurgischen Implantatmaterialien, Materialien für Anästhesieantagonisten, Arzneimittelfreisetzungsträgern, nicht permanenten Implantatgeräten und anderen medizinischen Hilfsgütern sowie Ersatzstoffen für die Gewebereparatur usw. verwendet. Das Forschungsgebiet des Tissue Engineering spiegelt sich vor allem in folgenden Aspekten wider:

1. Chirurgisches Nahtmaterial

Ein ideales Nahtmaterial sollte eine gute Anpassungsfähigkeit aufweisen, ungiftig und nicht reizend im Körper sein und vom Gewebe absorbiert werden können, nachdem es über einen bestimmten Zeitraum eine bestimmte Festigkeit im Körper aufrechterhalten hat. Seine Naht, Knüpfleistung und Flexibilität sollten den betrieblichen Anforderungen genügen. Derzeit bestehen die meisten resorbierbaren chirurgischen Nähte aus Chitin, Chitosan, Polymilchsäure und Polyglykolsäure, die innerhalb von 2 bis 6 Wochen vollständig abgebaut und resorbiert werden können. Da jedoch in der orthopädischen Chirurgie die Knochenheilungszeit 3 ​​bis 6 Monate oder sogar länger beträgt, müssen die Nähte der mit den Knochen verbundenen Weichteile eine entsprechende Abbaurate aufweisen, und die Nähte aus Polyhexylester-Spinnverfahren können diese Anforderung sehr gut erfüllen.

2. Wirkstoff mit verzögerter Wirkstofffreisetzung

Zu den biologisch abbaubaren Polymeren, die für Wirkstoffe mit verzögerter Wirkstofffreisetzung verwendet werden, gehören Polymilchsäure, Polyhexylester-Copolymer, Chitin, Kollagen usw. Diese biologisch abbaubaren Materialien sind ideale Träger für Langzeitmedikamente für Patienten mit Krebs, Herzerkrankungen und Bluthochdruck.

3. Knochenfixierungsmaterial

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Materialwissenschaft und Orthopädie werden biologisch abbaubare Materialien in der Orthopädie klinisch häufig eingesetzt. Zu den abbaubaren Polymermaterialien, die üblicherweise als orthopädische Materialien verwendet werden, gehören hauptsächlich Polymilchsäure, Chitin usw., und auch Antibiotika-Polyanhydrid-Wirkstoffe mit langsamer Freisetzung wurden eingehend untersucht. Durch das molekulare Design von Chitin ist der Einsatz von Tissue-Engineering-Methoden zur Reparatur und Rekonstruktion von Gelenkknorpel zu einem neuen Ziel der Forschungs- und Entwicklungsprogramme für Chitin geworden.

4. Künstliche Haut

Künstliche Haut aus biologisch abbaubaren Polymermaterialien kann zur Behandlung von Verbrennungen, zum Hautersatz, zur Wundversorgung und zu anderen Anlässen verwendet werden. Vorhandenes Kollagen, Chitin, Poly-L-Leucin und andere enzymkatalysierte biologisch abbaubare Materialien.