En ny typ av bioplast skulle kunna bidra till att minska plastindustrins miljöavtryck. Forskare under ledning av University of California San Diego har utvecklat en biologiskt nedbrytbar form av termoplastisk polyuretan (TPU), en mjuk men ändå hållbar kommersiell plast som används i skor, golvmattor, kuddar och minnesskum. Den är fylld med bakteriesporer som, när de utsätts för näringsämnen som finns i kompost, gror och bryter ner materialet i slutet av dess livscykel.
Arbetet beskrivs i detalj i en artikel publicerad den 30 april i Nature Communications .
Den biologiskt nedbrytbara TPU:n gjordes med bakteriesporer från en stam av Bacillus subtilis som har förmågan att bryta ner plastpolymermaterial.
"Det är en inneboende egenskap hos dessa bakterier", säger studiens medförfattare Jon Pokorski, professor i nanoteknik vid UC San Diego Jacobs School of Engineering och medledare för universitetets Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC). "Vi tog några stammar och utvärderade deras förmåga att använda TPU:er som en enda kolkälla, och valde sedan den som växte bäst."
Forskarna använde bakteriesporer, en vilande form av bakterier, på grund av deras motståndskraft mot tuffa miljöförhållanden. Till skillnad från svampsporer, som har en reproduktiv roll, har bakteriesporer en skyddande proteinsköld som gör det möjligt för bakterier att överleva i ett vegetativt tillstånd.
För att göra den biologiskt nedbrytbara plasten matade forskarna Bacillus subtilis-sporer och TPU-pellets i en plastextruder. Ingredienserna blandades och smältes vid 135 grader Celsius och extruderades sedan som tunna plastremsor.
För att bedöma materialets biologiska nedbrytbarhet placerades remsorna i både mikrobiellt aktiva och sterila kompostmiljöer. Kompostuppsättningarna hölls vid 37 grader Celsius med en relativ luftfuktighet som sträckte sig från 44 till 55 %. Vatten och andra näringsämnen i komposten utlöste groning av sporerna i plastremsorna, som nådde 90 % nedbrytning inom fem månader.
"Det som är anmärkningsvärt är att vårt material bryts ner även utan närvaron av ytterligare mikrober," sa Pokorski. "Det är troligt att de flesta av dessa plaster sannolikt inte kommer att hamna i mikrobiellt rika komposteringsanläggningar. Så denna förmåga att självnedbrytas i en mikrobfri miljö gör vår teknik mer mångsidig."
Även om forskarna fortfarande behöver studera vad som blir kvar efter att materialet bryts ned, noterar de att kvarvarande bakteriesporer sannolikt är ofarliga. Bacillus subtilis är en stam som används i probiotika och anses allmänt vara säker för människor och djur – den kan till och med vara fördelaktig för växternas hälsa.
I denna studie var bakteriesporerna evolutionärt konstruerade för att överleva de höga temperaturer som krävs för TPU-produktion. Forskarna använde en teknik som kallas adaptiv laboratorieutveckling för att skapa en stam som är motståndskraftig mot extruderingstemperaturer. Processen går ut på att odla sporerna, utsätta dem för extrema temperaturer under eskalerande tidsperioder och låta dem mutera naturligt. Stammarna som överlever denna process isoleras sedan och förs genom cykeln igen.
"Vi utvecklade ständigt cellerna om och om igen tills vi kom fram till en stam som är optimerad för att tolerera värmen", säger studiens co-senior författare Adam Feist, en bioingenjörsforskare vid UC San Diego Jacobs School of Engineering. "Det är otroligt hur väl denna process av bakteriell evolution och urval fungerade för detta ändamål."
Sporerna fungerar också som ett förstärkande fyllmedel, liknande hur armeringsjärn förstärker betong. Resultatet är en TPU-variant med förbättrade mekaniska egenskaper, som kräver mer kraft för att bryta och uppvisar större töjbarhet.
"Båda dessa egenskaper förbättras avsevärt bara genom att lägga till sporerna," sa Pokorski. "Detta är bra eftersom tillsatsen av sporer driver de mekaniska egenskaperna bortom kända begränsningar där det tidigare fanns en avvägning mellan draghållfasthet och töjbarhet."
Medan den aktuella studien fokuserade på att producera mindre kvantiteter i labbskala för att förstå genomförbarheten, arbetar forskarna med att optimera tillvägagångssättet för användning i industriell skala. Pågående ansträngningar inkluderar att skala upp produktionen till kilogram kvantiteter, utveckla bakterierna för att bryta ner plastmaterial snabbare och utforska andra typer av plast utöver TPU.
"Det finns många olika typer av kommersiell plast som hamnar i miljön - TPU är bara en av dem", säger Feist. "Ett av våra nästa steg är att bredda omfattningen av biologiskt nedbrytbara material som vi kan tillverka med den här tekniken."
Mer information: Jonathan Pokorski, Biokomposit termoplastiska polyuretaner som innehåller utvecklade bakteriesporer som levande fyllmedel för att underlätta polymersönderdelning, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-47132-8. www.nature.com/articles/s41467-024-47132-8
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av University of California - San Diego
