Materialen met een verbeterde structuur afkomstig van schaaldieren en zeewier zouden onderdeel kunnen zijn van een antwoord van de volgende generatie op de uitdaging van het vervangen van op aardolie gebaseerde plastic films, zo blijkt uit nieuw onderzoek van de North Carolina State University.

Door chitosan, een biopolymeer dat krabbenschalen hard maakt, te combineren met agarose, een biopolymeer gewonnen uit zeewier dat wordt gebruikt om gels te maken, ontstaan ​​unieke biopolymeercomposietfilms met verbeterde sterkte. De films zijn bovendien biologisch afbreekbaar, hebben antibacteriële eigenschappen, stoten water af en zijn transparant. De bevindingen zouden uiteindelijk kunnen leiden tot duurzame verpakkingsfolies voor voedsel en consumptiegoederen.

"Hoe vinden we duurzame vervangers voor synthetische polymeren?" vroegen Orlin Velev, S. Frank en Doris Culberson Distinguished Professor of Chemical and Biomolecular Engineering aan NC State en corresponderende auteur van een artikel waarin het onderzoek wordt beschreven.

‘Synthetische polymeren zijn hele goede films, maar we willen ze vervangen door natuurlijke biopolymeren. De vraag wordt hoe we de gewrichtsstructuur van deze natuurlijke polymeren – in ons geval agarose en chitosan – kunnen aanpassen, zodat we over alle gewenste eigenschappen kunnen beschikken. synthetische polymeren in een duurzame, biologisch afbreekbare film?"

Het is misschien niet voldoende om chitosan en agarose simpelweg met elkaar te mengen. Velev zegt dat eerdere pogingen om dergelijke mengsels te produceren verbeteringen in de eigenschappen opleverden, maar dat er bij het drogen korrelige films ontstonden die mogelijk niet de juiste sterkte hadden.

In plaats daarvan kozen Velev en zijn medewerkers voor een andere aanpak, waarbij ze de agarosefilms versterkten met gefibrilleerd colloïdaal schaalmateriaal – zachte dendritische colloïden genoemd – gemaakt van chitosan. De sterke chitosanfibrillen op micro- en nanoschaal zijn hiërarchisch vertakt om sterkte en stabiliteit te bieden aan de agarosefilm waarin ze zijn ingebed.

"Het is een uitdaging om natuurlijke polymeren chemisch te modificeren, maar we kunnen hun morfologie veranderen en ze als composieten gebruiken", zegt Yosra Kotb, een NC State Ph.D. afgestudeerd en eerste auteur van het artikel.

"We gebruiken dendritische deeltjes van chitosan om de agarosematrix te versterken vanwege de compatibiliteit van beide materialen, wat leidt tot goede mechanische eigenschappen; chitosandeeltjes hebben ook een tegenovergestelde lading als agarose. Wanneer ze gemengd worden, worden deze ladingen geneutraliseerd, zodat de resulterende materialen ook beter bestand zijn tegen water."

De biopolymeercomposieten zijn ongeveer vier keer sterker dan alleen agarosefilms, blijkt uit het onderzoek, en zijn ook bestand tegen E.coli, een veel bestudeerde bacterie. Het artikel toonde ook aan dat een vel gemaakt van biopolymeercomposietfilms na een maand onder de grond sterk achteruitging, terwijl, ter vergelijking, een gewoon plastic boterhamzakje na dezelfde periode onder de grond volledig intact bleef.

"Interessant is dat ons composiet in eerste instantie sterk antibacterieel is", zegt Velev, "maar omdat het van natuurlijke materialen is gemaakt, zullen bacteriën het na verloop van tijd nog steeds koloniseren. Na een maand onder de grond zal het dus gemakkelijk biologisch afbreekbaar zijn,"

Velev voegde eraan toe dat zijn laboratorium zal blijven werken aan verbeteringen in de structuur van de biopolymeercomposietfilms met als doel uiteindelijk de eigenschappen van synthetische polymeerfilms te evenaren.

"Als je voedsel verpakt, wil je dat de verpakking ondoordringbaar is voor zuurstof en water", zei hij. "Maar natuurlijke materialen zijn doorlaatbaar, dus we zullen blijven werken om onze films ondoordringbaarder te maken voor water en zuurstof."

Het vergroten van de schaalbaarheid van het materiaalproductieproces is ook een van de toekomstige doelstellingen. "Hoe maak je de polymeervervangende film in een continu proces dat snel genoeg is om er voldoende grote hoeveelheden van te maken, zoals bij het maken van papier?" Velev zei.

De bevindingen verschijnen in Cell Reports Physical Science .

Meer informatie: Yosra Kotb et al, Hiërarchisch versterkte biopolymeercomposietfilms als multifunctionele kunststoffenvervanger, Cell Reports Physical Science (2023). DOI:10.1016/j.xcrp.2023.101732

Journaalinformatie: Celrapporten natuurwetenschappen

Aangeboden door North Carolina State University