Vliv počáteční krystalické struktury fólií poly(epsilon-kaprolaktonu) na jeho biologickou rozložitelnost

The influence of initial crystal structure of poly(epsilon-caprolactone) films on its biodegradation mechanism

článek ve sborníku ve WoS nebo Scopus

čeština

Biodegradabilní polymery se nacházejí v popředí zájmu vědeckého i průmyslového výzkumu, jelikož jejich využití v široké praxi představuje jedno z řešení odpadového hospodářství použitých plastových materiálů. Představitelem biodegradabilních polymerů je alifatický polyester poly(epsilon-kaprolakton) (PCL), který našel své využití jako obalový materiál v potravinářství, jako senzor v optoelektronice, v medicíně v systémech s řízeným mechanismem uvolňování léčivých látek či jako chirurgický šicí materiál. Studie ukazují, že většina biodegradabilních polymerů nejběžněji degradují chemickou hydrolýzou a/nebo enzymaticky-katalyzovanou hydrolýzou esterových vazeb v řetězcích. Je známo, že degradace všech materiálů, biodegradabilních nevyjímaje, jsou do určité míry řízené chemickým složením, strukturou a vnějším prostředím. U PCL, který je představitelem semikrystalických polymerů, bylo prokázáno, že je jeho degradace velmi závislá na výchozí molekulové hmotnosti, podílu krystalické fáze a morfologii povrchu. Jedná se o materiál, který je rozložitelný jak v lidském těle, tak v ekosystému. Předmětem této práce bylo studium rozsahu degradace PCL fólií zpracovaných odpařením rozpouštědla z roztoku (SC), lisováním taveniny (CM) a prudkým ochlazením taveniny na 4 C (MI) v přítomnosti mikrobiálního kmene Bacillus subtilis (BS) se zaměřením na změnu struktury a morfologie testovaných PCL vzorků po dobu 14 dnů. Degradované a kontrolní vzorky byly charakterizované z hlediska úbytku hmotnosti a změny molekulové hmotnosti (MW). Morfologie povrchu byla hodnocená metodou konfokální laserové rastrovací mikroskopie (CLSM) a struktura PCL testována metodou termální analýzy (TGA), diferenční kompenzační kalorimetrie (DSC), difrakce rentgenova záření (WAXD) a Fourierovou spektroskopií v jednoodrazovém módu (FTIR-ATR). Úbytek hmotnosti u všech vzorků a vznik povrchových trhlin prokázal degradaci iniciovanou BS (u kontrolních vzorků byl úbytek hmotnosti menší než 1 %). U všech typů vzorků došlo k poklesu molekulové hmotnosti o přibližně 10 % a k zúžení distribuce molekulových hmotností. Největší úbytek hmotnosti byl zaznamenán po 14 dnech u vzorků MI v souladu s pozorovanou erozí povrchu. Rozdílný rozsah štěpení jednotlivých typů vzorků byl dán odlišnou počáteční nadmolekulární strukturou, což prokázaly odlišné záznamy DSC, WAXD i TGA nedegradovaných materiálů. Degradace se projevila různým průběhem změny karbonylového indexu a postupným nárůstem teploty krystalizace degradovaných vzorků. Proces degradace byl spojen s nárůstem krystalického podílu, degradované materiály se staly teplotně odolnějšími (TGA), nedošlo však ke změně krystalografické modifikace.

Degradation study of polyester poly(epsilon-caprolactone) (PCL) was carried out by submerged cultivation of Bacillus subtilis (BS) in nutrient medium at initial pH 7.0 and 30 C for 14 days. PCL was prepared by melt-pressing, rapid cooling of the melt to 4 C (MI) and evaporation of the solvent from 2% dichlormethane solution. Degraded and control specimens were characterized by the weight loss, differential scanning calorimetry, thermogravimetry, size exclusion chromatography, Fourier transform infrared spectroscopy with attenuated total reflection, and confocal laser scanning microscopy. The weight loss of all tested specimens and formation of surface cracks prove biodegradation initiated by BS because the weight loss of control specimens was less than 1% and no cracks were observed. Molecular weight of all biodegraded specimens decreased by approximately 10%. The greatest weight loss of MI specimens corresponds with significant surface erosion. The variance in PCL bond scission, initiated by biological agent, was done by different surface morphology and the structure as thermal and X-ray diffraction analysis of non-degraded specimens revealed. Biodegradation was accompanied by the increase of the crystallinity degree due to the degradation of amorphous phase but it is assumed that degradation of MI crystalline phase began after 14 days. Biodegraded materials became more thermal stable without the change of crystalline structure.

biodegradace, poly(epsilon-kaprolakton), krystalická struktura, morfologie, zpracování polymerů

biodegradation, poly(epsilon-caprolactone), crystal structure, morphology, polymer processing

Balkova, R.; Hermanova, S.; Slavickova, R.; Richtera, L.; Jancar, J.

2013

8. 4. 2013

ČSPCH

978-80-86238-37-1

Sborník konference 1. international Conference on Chemical Technology

1

1

B2.7-1

B2.7-7

7