Material med förbättrad struktur som härrör från kräftdjur och tång kan vara en del av nästa generations svar på utmaningen att ersätta petroleumbaserade plastfilmer, enligt ny forskning från North Carolina State University.
Genom att kombinera kitosan, en biopolymer som gör krabbskal hårda, med agaros, en biopolymer extraherad från tång som används för att göra geler, skapas unika biopolymerkompositfilmer med ökad styrka. Filmerna är även biologiskt nedbrytbara, har antibakteriella egenskaper, avvisar vatten och är transparenta. Resultaten kan på sikt leda till hållbara förpackningsfilmer för livsmedel och konsumentvaror.
"Hur hittar vi hållbara ersättningar för syntetiska polymerer?" frågade Orlin Velev, S. Frank och Doris Culberson Distinguished Professor of Chemical and Biomolecular Engineering vid NC State och motsvarande författare till en artikel som beskriver forskningen.
"Syntetiska polymerer gör mycket bra filmer, men vi vill ersätta dem med naturliga biopolymerer. Frågan blir hur vi justerar fogstrukturen för dessa naturliga polymerer - i vårt fall agaros och kitosan - så att vi kan ha alla önskvärda egenskaper av syntetiska polymerer inuti en hållbar, biologiskt nedbrytbar film?"
Det kanske inte räcker att bara blanda kitosan och agaros tillsammans. Velev säger att tidigare ansträngningar för att producera sådana blandningar rapporterade förbättringar i egenskaper, men när de torkades skapade de grusiga filmer som kanske saknar rätt styrka.
Istället tog Velev och hans medarbetare ett annat tillvägagångssätt och förstärkte agarosfilmerna med fibrillerat material i kolloidal skala - kallade mjuka dendritiska kolloider - gjorda av kitosan. De starka kitosanfibrillerna i mikro- och nanoskala är hierarkiskt förgrenade för att ge styrka och stabilitet till agarosfilmen där de är inbäddade.
"Det är utmanande att modifiera naturliga polymerer kemiskt, men vi kan ändra deras morfologi och använda dem som kompositer", säger Yosra Kotb, en NC State Ph.D. examen och första författare av tidningen.
"Vi använder kitosan dendritiska partiklar för att förstärka agarosmatrisen på grund av att båda materialens kompatibilitet leder till goda mekaniska egenskaper; kitosanpartiklar har också en motsatt laddning till agaros. När de blandas neutraliseras dessa laddningar så att de resulterande materialen också blir mer motståndskraftiga mot agaros. vatten."
Biopolymerkompositerna är ungefär fyra gånger starkare än enbart agarosfilmer, visar forskningen, och motstår även E.coli, en vanlig studerad bakterie. Tidningen visade också att ett ark tillverkat av biopolymerkompositfilmer försämrades kraftigt efter en månad under jorden, medan, som jämförelse, en vanlig plastpåse förblev helt intakt efter samma period under jorden.
"Intressant nog är vår komposit från början starkt antibakteriell," sa Velev, "men eftersom den är gjord av naturliga material, kommer bakterier efter en tid fortfarande att kolonisera den - så efter en månad under jorden kommer den lätt att brytas ned biologiskt,"
Velev tillade att hans labb kommer att fortsätta arbeta för att göra förbättringar av strukturen hos biopolymerkompositfilmerna med målet att så småningom matcha egenskaperna hos syntetiska polymerer.
"Om du förpackar mat vill du att förpackningen ska vara ogenomtränglig för syre och vatten", sa han. "Men naturliga material är genomsläppliga, så vi kommer att fortsätta arbeta för att göra våra filmer mer ogenomträngliga för vatten och syre."
Att öka skalbarheten i materialproduktionsprocessen är också ett av de framtida målen. "Hur gör man polymerersättningsfilmen i en kontinuerlig process som är tillräckligt snabb för att göra den i tillräckligt stora mängder - som papperstillverkning?" sa Velev.
Resultaten visas i Cell Reports Physical Science .
Mer information: Yosra Kotb et al, Hierarkiskt förstärkta biopolymerkompositfilmer som multifunktionell plastersättning, Cell Reports Physical Science (2023). DOI:10.1016/j.xcrp.2023.101732
Journalinformation: Cell Reports Physical Science
Tillhandahålls av North Carolina State University
