Wytłaczanie w świecie biopolimerów

Istnieje wiele prac omawiających problemy wytłaczania. Przykładem są współwytłaczane folie z maksymalnie 65 warstwami dwóch niedopasowanych reologicznie systemów polimerowych - polistyren/poli(metakrylan metylu) (PS/PMMA) i twarde/miękkie termoplastyczne poliuretany (TPU) ¹². Aby złagodzić degradację warstw, standardowy 2- lub 3-warstwowy blok zasilający zastąpiono 9-warstwowym, zmniejszając w ten sposób grubość każdej warstwy na końcu bloku zasilającego. W systemie zastosowano jeszcze wiele innych ciekawych modyfikacji. Najważniejszą konkluzją jest informacja, że ta nowa matryca powielająca zapewnia bardziej jednolity profil przepływu i nadaje stopowi bardziej jednorodną historię termomechaniczną, co skutkuje lepszą stabilnością warstwy. 

Należy też wspomnieć o wykorzystywaniu różnych technik w dzisiejszej inżynierii materiałowej; jedną z nich (stosowaną w branży medycznej) jest uzyskiwanie struktur polimerowych poprzez drukowanie metodą wytłaczania FDM.

Do stworzenia struktur dostarczania leków wykorzystano nowatorski system drukowania ekstruzyjnego, w którym sól disodowa deksametazonu21-fosforanu (dexamethasone21-phosphate disodium salt) (Dex21P) została zamknięta w biodegradowalnym polimerze (PLGA) i rozpuszczalnym w wodzie poli(alkoholu winylowym) (PVA) ¹³. Możliwość kontrolowania profilu uwalniania leku została uzyskana poprzez przestrzenne rozmieszczenie leku w drukowanych strukturach trójwymiarowych. Analiza powierzchni potwierdziła właściwe rozmieszczenie leku w przygotowanej strukturze przestrzennej, a uzyskane wyniki uwalniania leku ze struktur wykazały dwuetapowy profil uwalniania deksametazonu, co monitorowano przez 4 miesiące. Takie podejście wyraźnie pokazuje, że technika druku ekstruzyjnego zapewnia łatwe i wszechstronne podejście do wytwarzania nowych platform dostarczania leków.

Kolejnym przykładem wykorzystania tej metody jest drukowanie ekstruzyjne naprzemiennie ułożonych elektrod do elastycznych mikrosuperkondensatorów (fMSC) co stanowi atrakcyjną drogę do wytwarzania elastycznych urządzeń, w przypadku których krytyczne znaczenie mają koszt i skalowalność. W pracy Liu ¹⁴ opracowano wysoce skoncentrowane, lepkie i dyspergowalne w wodzie atramenty na bazie kompozytu tlenku grafenu (GO) i polianiliny (PANi) do druku wytłaczanego. Zoptymalizowane, w pełni półprzewodnikowe symetryczne fMSC na bazie GO/PANi otrzymane przez wytłaczanie naprzemiennie ułożonych mikroelektrod mogą zapewnić wyjątkową pojemność powierzchniową i wolumetryczną. Przedstawione tutaj proste przygotowanie tuszu oraz łatwe w obsłudze protokoły produkcji urządzeń sprawiają, że skalowalne wytwarzanie drukowanych ekstruzyjnie fMSC jest obiecującą technologią.

Na koniec parę słów o najnowszych osiągnięciach, a mianowicie czujnikach, które również można uzyskiwać za pomocą technologii wytłaczania. W najnowszej pracy Kelly ¹⁵ opisano wytłaczane, fosforyzujące, wrażliwe na O2 materiały kompozytowe zawierające usieciowane mikrosfery polistyren-diwinylobenzen (PS-DVB) impregnowane barwnikiem Pt-benzoporfirynowym i zdyspergowane w nośniku z polietylenu o małej gęstości (LDPE) lub polikwasu mlekowego (PLA). Czujniki produkowane za pomocą wytłaczania na gorąco są specjalnie dostosowane do zastosowań związanych z pakowaniem na dużą skalę i nieniszczącego pomiaru resztkowego O2 w opakowanych produktach spożywczych. Wytworzono panel materiałów czujnikowych na bazie LDPE i PLA w postaci ekstrudowanych granulek i struktur cienkowarstwowych, a ich cechy konstrukcyjne i właściwości wykrywania O2 oceniono pod kątem zastosowań opakowaniowych. Wytłaczane czujniki z folii LDPE zostały również zintegrowane z materiałami opakowaniowymi poprzez laminowanie termiczne, aby uzyskać ''inteligentne'' materiały opakowaniowe, które również chronią czujnik przed bezpośrednim kontaktem z żywnością.

Jak widać na wyżej wymienionych przykładach, rozwój technologii wytłaczania trwa w najlepsze. Obecnie można wskazać 2 główne kierunki badań nad tą metodą. Pierwszy prowadzi do osiągania coraz większych wydajności w produkcji przemysłowej, a drugi ma na celu wytwarzanie produktów o specjalnych właściwościach, takich jak np. wspomniane w artykule wyroby oparte na przyjaznych dla środowiska biopolimerach. 

Dr hab. Andrzej Swinarew

Literatura
¹. H. Wang, J.K. Keum, A. Hiltner, E. Baer, B. Freeman, A. Rozanski, A. Galeski, „Science”, 323, 2009, 757.
². M. Mackey, D.E. Schuele, L. Zhu, L. Flandin, M.A. Wolak, J.S. Shirk, A. Hiltner, E. Baer, „Macromolecules”, 45, 2012, 1954.
³. C.-Y. Lai, M.T. Ponting, E. Baer, „Polymer”, 53, 2012, 1393.
⁴. R. Sluijter, U.S. Patent 3 051 453 (1962).
⁵. J. E. Tollar, U.S. Patent US3239197 A (1966).
⁶. C. Johansson, J. Bras, I. Mondragon, P. Nechita, D. Plackett, P. Simon, D.G. Svetec, S. Virtanen, M.G. Baschetti, C. Breen, F. Clegg, S. Aucejo, „BioResources” 2012, 7, 2506.
⁷. V. Krikorian, D.J. Pochan, „Chem. Mater.”, 2003, 15, 4317. 
⁸. J.W. Rhim, „Food Sci. Biotechnol.”, 2007, 16, 691. 
⁹. J. Weiss, P. Takhistov, D.J.J. McClements, „Food. Sci.”, 2006, 71, 107. 
¹⁰. O. Harkki, M. Karttunen, S. Kortet, M. Koponen, A. Harlin, „In Proceedings of Nanocomposites”, 2011, Université Paris-Est Creteil, COST Action MP 0701, 2011; 6.
¹¹. J. Vartiainen, Y. Shen, T. Kaljunen, T. Malm, M. Vaha-Nissi, M. Putkonen, A. Harlin, „Appl. Polym. Sci.”, 2015, 132, 42260.
¹². R. Huang, J. Silva, B.A. Huntington, J. Patz, R. Andrade, P.J. Harris, K. Yin, M. Cox, R.T. Bonnecaze, J.M. Maia, „Intern. Polymer Processing”, 30, 2015, 3.
¹³. P. Rattanakit, S.E. Moulton, K.S. Santiago, S. Liawruangratha, G.G. Wallace, „International Journal of Pharmaceutics”, 2012, 422, 254.
¹⁴. Y. Liu, B. Zhang, Q. Xu, Y. Hou, S. Seyedin, S. Qin, G.G. Wallace, S. Beirne, J.M. Razal, J. Chen, „Adv. Funct. Mater.”, 2018, 1706592.
¹⁵. C. Kelly, D. Yusufu, I. Okkelman, S. Banerjee, J.P. Kerry, A. Mills, D.B. Papkovsky, „Sensors and Actuators B: Chemical”, 304, 2020, 127357.