Biopolymer
Die Anwendungen von Biopolymeren können in zwei Hauptbereiche eingeteilt werden, die sich durch ihre biomedizinische und industrielle Verwendung unterscheiden.
Biomedizin
Da einer der Hauptzwecke der Biomedizintechnik darin besteht, Körperteile nachzubilden, um normale Körperfunktionen aufrechtzuerhalten, werden Biopolymere aufgrund ihrer biokompatiblen Eigenschaften in großem Umfang für die Gewebezüchtung, medizinische Geräte und die pharmazeutische Industrie verwendet. Viele Biopolymere können aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften für die regenerative Medizin, die Gewebezüchtung, die Verabreichung von Medikamenten und allgemeine medizinische Anwendungen eingesetzt werden. Sie bieten Eigenschaften wie Wundheilung, Katalyse der Bioaktivität und Ungiftigkeit. Im Vergleich zu synthetischen Polymeren, die verschiedene Nachteile wie immunogene Abstoßung und Toxizität nach dem Abbau aufweisen können, sind viele Biopolymere in der Regel besser in den Körper integrierbar, da sie komplexere Strukturen besitzen, die denen des menschlichen Körpers ähneln.
Insbesondere Polypeptide wie Kollagen und Seide sind biokompatible Materialien, die in der bahnbrechenden Forschung verwendet werden, da es sich um kostengünstige und leicht zugängliche Materialien handelt. Gelatine-Polymere werden häufig bei Wundverbänden verwendet, wo sie als Klebstoff dienen. Gerüste und Filme mit Gelatine ermöglichen die Aufnahme von Arzneimitteln und anderen Nährstoffen, die einer Wunde zur Heilung zugeführt werden können.
Da Kollagen eines der beliebteren Biopolymere ist, die in der biomedizinischen Wissenschaft verwendet werden, hier einige Beispiele für ihre Verwendung:
Wirkstoffabgabesysteme auf Kollagenbasis: Kollagenfilme wirken wie eine Barrieremembran und werden zur Behandlung von Gewebeinfektionen wie infiziertem Hornhautgewebe oder Leberkrebs eingesetzt. Kollagenfilme wurden für Gentransporte verwendet, die die Knochenbildung fördern können.
Kollagenschwämme: Kollagenschwämme werden als Verband zur Behandlung von Brandopfern und anderen schweren Wunden verwendet. Implantate auf Kollagenbasis werden für gezüchtete Hautzellen oder Medikamententräger verwendet, die bei Verbrennungswunden und als Hautersatz eingesetzt werden.
Kollagen als Hämostat: Wenn Kollagen mit Blutplättchen interagiert, bewirkt es eine schnelle Blutgerinnung. Durch diese schnelle Gerinnung entsteht ein vorübergehendes Gerüst, so dass das faserige Stroma durch Wirtszellen regeneriert werden kann. Hämostatika auf Kollagenbasis verringern den Blutverlust in Geweben und helfen bei der Blutstillung in zellulären Organen wie Leber und Milz.
Chitosan ist ein weiteres beliebtes Biopolymer in der biomedizinischen Forschung. Chitosan wird aus Chitin gewonnen, dem Hauptbestandteil des Exoskeletts von Krustentieren und Insekten und dem zweithäufigsten Biopolymer der Welt. Chitosan hat viele hervorragende Eigenschaften für die biomedizinische Wissenschaft. Chitosan ist biokompatibel, es ist hochgradig bioaktiv, d. h. es stimuliert eine positive Reaktion des Körpers, es ist biologisch abbaubar, wodurch bei Implantatanwendungen eine zweite Operation vermieden werden kann, es kann Gele und Filme bilden und ist selektiv durchlässig. Diese Eigenschaften ermöglichen verschiedene biomedizinische Anwendungen von Chitosan.
Chitosan als Wirkstoffträger: Chitosan wird vor allem für die gezielte Verabreichung von Arzneimitteln verwendet, da es das Potenzial hat, die Arzneimittelabsorption und -stabilität zu verbessern. Darüber hinaus kann Chitosan, das mit Krebsmitteln konjugiert ist, auch bessere krebsbekämpfende Wirkungen erzielen, indem es eine allmähliche Freisetzung des freien Arzneimittels im Krebsgewebe bewirkt.
Chitosan als antimikrobielles Mittel: Chitosan wird verwendet, um das Wachstum von Mikroorganismen zu stoppen. Es übt antimikrobielle Funktionen bei Mikroorganismen wie Algen, Pilzen, Bakterien und grampositiven Bakterien verschiedener Hefearten aus.
Chitosan-Komposit für Tissue Engineering: Eine Mischung aus Chitosan und Alginat wird zusammen verwendet, um funktionelle Wundauflagen zu bilden. Diese Verbände schaffen eine feuchte Umgebung, die den Heilungsprozess unterstützt. Dieser Wundverband ist auch sehr biokompatibel, biologisch abbaubar und hat poröse Strukturen, die es Zellen ermöglichen, in den Verband hineinzuwachsen.
IndustrialEdit
Lebensmittel: Biopolymere werden in der Lebensmittelindustrie für Dinge wie Verpackungen, essbare Verkapselungsfolien und Beschichtungen von Lebensmitteln verwendet. Polymilchsäure (PLA) ist aufgrund ihrer klaren Farbe und ihrer Wasserbeständigkeit in der Lebensmittelindustrie sehr verbreitet. Die meisten Polymere sind jedoch hydrophil und beginnen zu zerfallen, wenn sie Feuchtigkeit ausgesetzt werden. Biopolymere werden auch als essbare Folien verwendet, die Lebensmittel einkapseln. Diese Folien können z. B. Antioxidantien, Enzyme, Probiotika, Mineralien und Vitamine enthalten. Das mit der Biopolymerfolie eingekapselte Lebensmittel kann dem Körper diese Stoffe zuführen.
Verpackung: Die am häufigsten für Verpackungen verwendeten Biopolymere sind Polyhydroxyalkanoat (PHA), Polymilchsäure (PLA) und Stärke. Stärke und PLA sind kommerziell verfügbar und biologisch abbaubar, weshalb sie häufig für Verpackungen verwendet werden. Ihre Barriereeigenschaften und thermischen Eigenschaften sind jedoch nicht ideal. Hydrophile Polymere sind nicht wasserbeständig und lassen Wasser durch die Verpackung dringen, was den Inhalt der Verpackung beeinträchtigen kann. Polyglykolsäure (PGA) ist ein Biopolymer mit hervorragenden Barriereeigenschaften, das jetzt eingesetzt wird, um die Barrierehindernisse von PLA und Stärke zu beseitigen.
Wasserreinigung: Ein neueres Biopolymer namens Chitosan wurde für die Wasserreinigung verwendet. Chitosan wird als Flockungsmittel verwendet, das nur wenige Wochen oder Monate und nicht Jahre braucht, um sich in der Umwelt abzubauen. Chitosan reinigt Wasser durch Chelatbildung, wenn es Metalle aus dem Wasser entfernt. Bei der Chelatbildung verbinden sich Bindungsstellen entlang der Polymerkette mit dem Metall im Wasser und bilden Spaltprodukte. Chitosan wurde in vielen Situationen zur Reinigung von kontaminiertem Regen- oder Abwasser eingesetzt.