Едни от най-новите тенденции в използването на полимери от ново поколение: от транспортиране на лекарства за рак до космически материали
Доставяне на лекарства до опрелени клетки, възстановяване на изгубени части от тялото, заздравяване на драскотини по автомобили – това са само част от новите способности на съвременните полимери. Те се превърнаха в неразделна част от новата технологична вълна и областите на тяхното приложение са практически неограничени — от използването им при изследванията на дълбокия космос до потапянето им в дълбините на световния океан. В същото време съвременните полимери са способни да променят свойствата си, да се адаптират към външната среда и поставените им от човека задачи, като могат да бъдат рециклирани безкрайно.
Пластмаси за екстремни условия
По принцип пластмасата можем да я определим като синтетичен материал, получен от полимери и функционални добавки. Учените успяха да разработят полимери, съвместими с най-различни екстремни условия. Те са в състояние да издържат на големи температурни разлики, ефективно да „търпят“ въздействието на различни агресивни химикали, а също така да имат дълъг живот.
Самата концепция за екстремни условия придобива особено значение, когато става въпрос за космическата сфера. Високотемпературните полимери като PEEK ( Polyether ether ketone ) могат да издържат на продължително излагане на температура до 260 ºC. Ето защо те се използват при разработването на съвременните ракети-носители, както и като материал за конструиране на самолети. Този полимер, например, се използва за замяна на метални части в космическата индустрия, тъй като намалява теглото на изделията и позволява икономия на гориво, когато се използва в транспортни средства. Важен момент е, че тези полимерни елементи помагат за намаляване на вредните емисии.
Полимерни микрочастици, които ще помогнат за лечението на рак
Наночастиците на полимерна основа могат да се използват за доставяне на лекарства, тъй като могат лесно да проникнат в клетките и тъканите, предпазвайки активните вещества от разрушаване в организма. Например, наночастиците PLGA ,създадени от съполимер на млечната и гликоловата киселина, се използват широко за доставяне на противоракови лекарства, което им позволява ефективно да се натрупват в туморните клетки и да защитават здравите тъкани от токсични ефекти.
Полимерът PLGA има две важни свойства: биосъвместимост и биоразградимост. Благодарение на това тези полимери започнаха активно да се използват в медицината за прецизно доставяне на лекарства в тялото. PLGA е универсален, защото може да се използва за капсулиране на малки молекули, тоест за създаване на вид защитна обвивка. Способността да възпроизвежда всякакъв размер и да приема всякаква форма прави това съединение ключ към тъканното инженерство, системите за възстановяване на костите и други медицински технологии.
“Тъкан-електростанция”
Ние сме свикнали с факта, че пластмасата се използва като изолационен, тоест непроводим материал. Например оплетката на електрически проводници е направена от пластмаса. Но полимерите са способни да изненадват и да показват противоположни свойства. В края на октомври 2024 г. специалисти от Швеция съобщиха за създаването на тъкан, прошита с копринени нишки, покрита с проводими полимери: тя е достатъчно гъвкава и може да се използва в текстилното производство. Платът генерира електричество благодарение на температурната разлика между човешкото тяло и околния въздух. Прототипите показват добър потенциал и скоро може да получат USB интерфейс за зареждане на различни устройства.
Обхватът на приложението на разработката е доста широк: датчици, сензори и дори джаджи могат да бъдат пришити в дрехи, изработени от такава тъкан. Новият продукт представлява особен интерес преди всичко за медицината: благодарение на разработката ще бъде възможно постоянно да се следи състоянието на човек. Например холтерите за наблюдение на сърдечната функция в момента значително ограничават подвижността на пациента и причиняват дискомфорт и трябва да се носят без да се свалят в продължение на 24 часа. Разработването на плат с проводими полимери ще направи възможно ушиването на риза, в която ще бъде вграден сензор, който записва промените в сърдечната честота на човека, който я носи. Това ще позволи на лекарите да провеждат изследването, без да причиняват дискомфорт на пациента.
Въпреки че това все още е лабораторен прототип, учените активно работят за повишаване привлекателността му за масово производство. Основната задача сега е да се изработи „тъкан-електростанция“, издръжлива за почистване и пране. Според разработчиците сегашните образци могат да издържат на седем пранета, запазвайки 2/3 от възможностите на “батерията”. Тестовете показват, че тъканта е в състояние да произвежда електричество за срок от една година.
Одраскали сте колата си? Тя ще се „самовъзстанови“
Материалите, които ще могат да се използват за възстановяването на покритието на колите, така и се наричат – самовъзстановяващи се полимери. Вдъхновени от естествени процеси като заздравяването на кожата, разработчиците им са разработили възможност те да възстановят структурата си и дори функционалността си след повреда. Принципът на действие на такива пластмаси се основава на „затягането“ на увредените зони чрез химическа реакция или молекулярни промени.
Друг вид подобни съединения представляват полимерите с микрокапсули. Това са материали, в които се използва принципа на „вградените капсули“ с химически съединения, които „могат“ да се активират, когато самият полимер е повреден. Микрокапсулите са пълни с възстановяващи агенти – специални вещества, които допълват структурата на увредения материал. Планира се използването в масовото производство на автомобилни покрития със самовъзстановяващите се свойства: Nissan и Lexus вече експериментират с лакове и покрития, които могат автоматично да „лекуват“ драскотини при нагряване. Същата технология е била тествана за смартфони на LG.
Ново лице от пластмаса
Трансплантацията на лице в момента е една от най-сложните и модерни хирургични процедури. Тя включва подмяна на повредени или липсващи части от лицето на пациента и изисква комплексна подготовка и планиране. Полимерите играят важна роля в тази област, особено при създаването на биосъвместими материали за временни импланти и конструкции, които поддържат възстановяването и интегрирането на трансплантираните тъкани. Тези материали спомагат за формирането и поддържането на структурата на трансплантираното лице, както и за ускоряване процеса на регенерация на тъканите. Например, полимерни импланти и протези се използват за възстановяване на изгубените части на лицето, като нос, уши или челюсти. Подобни съединения се използват и в реконструктивната и контурната пластична хирургия.
Съвременните полимери като силикон или полиуретан са подходящи за създаване на висококачествени, биосъвместими импланти, които могат да възстановят формата и функцията на загубени части от тялото. Тези материали имат висока здравина, гъвкавост и добра поносимост, което ги прави идеални за сложни хирургични процедури. Тук отново споменаваме полимера PEEK, който заема челно място в костната имплантация, поради своята устойчивост на износване, устойчивост на химикали и биосъвместимост. Това свойство определя неговото видно място в ендопротезирането (протезиране на ставите). Тук е важно да споменем 3D принтирането – именно с помощта на тази технология се създават издръжливи протези от полимери, които на практика са почти аналогични по функционалност на естествените тъкани.
Назад в бъдещето: петрол – пластмаса – отново петрол
Общоизвестен факт е , че всяка година се произвеждат 400 милиона тона пластмаса. За съжаление не особено голям процент от тях се утилизират. Но тези отпадъци от човешка дейност могат да бъдат превърнати в полезен ресурс.
Японски инженери са предложили технология, която е напълно адаптирана за масово производство. Компанията Environment Energy през 2025 г., планира да отвори фабрика, която ще обработва 20 000 тона пластмасови отпадъци годишно, като ще ги превръщат отново в суров петрол! Това ще стане възможно благодарение на първата комерсиална инсталация за каталитичен крекинг. Компанията твърди, че може да произвежда висококачествен нефт от пластмасови отпадъци, съблюдавайки високи изисквания за безопасност.
Домове от пластмаса
Най-богатият човек в света и визионер Илон Мъск нееднократно е споделял идеята си за производство на достъпни модулни домове. Става въпрос за високотехнологични, лесни за монтаж и достъпни мини къщи, в чиято конструкция се използват полимери. По принцип полимерите намират широко приложение в неговите проекти, например полимерът PEEK играе важна роля както в електромобилите Тесла, така и в космически ракети Falcon и Starship.
Но докато Мъск само планира да отпечатва пластмасови къщи за живота на Марс на 3D принтер, то на Земята това отдавна е реалност. В началото на 2018 г. във Франция беше отпечатана полимерна къща. Петстайната сграда по проекта Yhnova беше построена като скелетен вариант за 54 часа, след което на необходимите места са били запълнени с бетон и доведена до експлоатационно състояние. Къщата е отпечатана от два слоя полиуретан, известен със своите изолационни свойства. 3D принтирането в строителството изглежда има голям потенциал. Например, емирството на Дубай е приело постановление, че до 2030 г. една четвърт от всички построени сгради ще бъдат изградени чрез 3D принтиране.
Пътища от пластмаса
Технологията, използвана от компанията MacRebur, позволява значителни подобрения в експлоатационните свойства на пътната мрежа. Тя строи пътища с пластмасови отпадъци в 30 страни по света. За полагането на един километър пътна настилка се използва материал с тегло, еквивалентно на 740 541 найлонови торбички. А 1 тон от специално разработената строителна смес съдържа отпадъци, тежащи колкото десетки хиляди пластмасови бутилки. Тези пътища превъзхождат характеристиките на конвенционалните асфалтови или бетонови аналози.
Пречиствател на вода
На база на полимерите се разработват различни материали, играещи огромна роля в системите за пречистване на питейната, отпадъчната и промишлената вода. Полимерите помагат за решаването на проблемите със замърсяването и осигуряват високо качество на водните ресурси, които в момента стават обект на все по-сериозна загриженост за експертите по света. Куриозно е, че полимерните съединения, благодарение на човешката ръка, са голям замърсител на Световния океан и в същото време могат да помогнат за очистване на околната среда.
През декември 2024 г. бразилски учени представиха разработка, която позволява отстраняването на пластмасови частици от водата. Новият метод се характеризира с ниската си цена, което е важно за последващото мащабиране. Магнитни наночастици премахват замърсяването с помощта на полимера полидопамин. Той имитира адхезивните, или с други думи, лепкавите свойства на мидите, които залепват много силно за много повърхности. Тоест полимерът буквално залепва за пластмасовите фрагменти във водата и позволява на магнитните наночастици да ги улавят. В следващия етап на пречистване замърсителят се отстранява от водата с помощта на магнит.