การดำเนินการโพลิเมอร์และคอมโพสิตชีวภาพสำหรับการใช้งานขั้นสูง

Roger Gonçalves^1,3, Marco A. B. Ferreira¹, Ernesto C. Pereira^1,2,3

¹Center for Innovation on New Energies, Institute of Chemistry, Campinas State University, Campinas – SP, Brazil, ²Center of Excellence for Research in Sustainable Chemistry, Department of Chemistry, Federal University of São Carlos, São Carlos – SP, Brazil, ³Center for Research and Development of Functional Materials, Department of Chemistry, Federal University of São Carlos, São Carlos – SP, Brazil

Material Matters™ 2023, 18.1

ernesto@ufscar.br

• บทนำ
• วัสดุที่ใช้งานได้สำหรับการผสมสีเขียว
• Bio-based Polymers
• การเตรียม  สารผสมชีวภาพ
• ไบโอ - เบสคอมโพสิตประสิทธิภาพสูง

• ข้อควรพิจารณาสุดท้ายและความท้าทายในอนาคต
  
• การรับทราบ
• สินค้าที่เกี่ยวข้อง
• ข้อมูลอ้างอิง

บทนำ

การเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศได้กลายเป็นความจริงที่รุนแรงที่ไม่สามารถละเลยได้ เพื่อเป็นอุปสรรคต่อผลกระทบจากการทำลายล้างจึงจำเป็นต้องก้าวไปสู่เมทริกซ์พลังงานสะอาดที่มีการพึ่งพาเชื้อเพลิงฟอสซิลต่ำและลดจำนวนของสารตกค้างที่กระจายตัวอยู่ในสภาพแวดล้อม โพลิเมอร์ชีวภาพเป็นสิ่งจำเป็นในการลดขยะไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์และเพิ่มอายุการใช้งานสำหรับการใช้งานที่กำหนดเป้าหมาย รีวิวขนาดเล็กนี้กล่าวถึงความสำเร็จล่าสุดในการสังเคราะห์โพลิเมอร์ชีวภาพคุณสมบัติของพวกเขาและการใช้งานของพวกเขาเป็นคอมโพสิต

ความต้องการพลังงานทดแทนและเป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมที่เพิ่มขึ้นความต้องการพลังงานที่เพิ่มขึ้นรวมกับการเรียกร้องให้มีการเติบโตอย่างยั่งยืนในปัจจุบันเป็นหนึ่งในความท้าทายที่สำคัญที่สุดในสังคมร่วมสมัย ชีวมวลกำลังกลายเป็นทางเลือกที่ใช้ได้หรือเป็นแหล่งเสริมสำหรับการได้มาซึ่งผลิตภัณฑ์ที่ได้จากปิโตรเลียมเช่นเชื้อเพลิงโพลิเมอร์และสารเคมีชั้นดี ในมุมมองขนาดเล็กนี้เราจะพูดถึงความสำเร็จล่าสุดในโพลิเมอร์ชีวภาพที่นำไฟฟ้าและการใช้งานของพวกเขาในไบโออิเล็กทรอนิกส์เซ็นเซอร์และตัวเก็บประจุซุปเปอร์

วัสดุที่ใช้งานได้สำหรับการผสมสีเขียว

การสังเคราะห์วัสดุที่ยั่งยืนสำหรับการผลิตพลังงานทดแทนเป็นจุดสนใจของการวิจัยที่สำคัญในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา¹ ความท้าทายพื้นฐานคืออายุการใช้งานที่ยาวนานฟังก์ชันการทำงานสูงประสิทธิภาพสูงต้นทุนต่ำและการย่อยสลายทางชีวภาพ

วัสดุต่างๆเช่นวัสดุผสมคาร์บอนวัสดุผสมและโพลิเมอร์วิศวกรรมสามารถปรับให้เหมาะสมกับเกณฑ์ทั้งห้านี้ ในบรรดาทรัพยากรที่เกิดขึ้นใหม่เหล่านี้โพลิเมอร์ชีวภาพที่บริสุทธิ์และผสมมีแนวโน้มที่จะสร้างอุปกรณ์พลังงานที่สะอาดและยั่งยืน นอกจากนี้ความดึงดูดใจสำหรับโซลูชันเทคโนโลยีที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมช่วยกระตุ้นให้นักวิทยาศาสตร์แสวงหาแรงบันดาลใจในธรรมชาติกระตุ้นการวิจัยประเภทใหม่ที่มุ่งเน้นไปที่การพัฒนาวัสดุที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพ²

Bio-based Polymers

ไบโอโ พลิเมอร์ที่แสดงในรูปที่ 1 ผลิตโดยสิ่งมีชีวิตหรือได้มาจากแหล่งวัตถุดิบทดแทนทำให้เป็นทางเลือกที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมมากขึ้นสำหรับโพลิเมอร์ทั่วไป ข้อดีอย่างหนึ่งของการใช้ไบโอโพลิเมอร์คือความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพในสิ่งแวดล้อม การย่อยสลายของโมเลกุลเหล่านี้เป็นผลมาจากการกระทำของจุลินทรีย์ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ^1,2 ดังนั้นไบโอโพลิเมอร์จึงได้รับแรงฉุดเนื่องจากลักษณะเหล่านี้เพิ่มวงจรชีวิตที่มีประโยชน์และความสามารถในการกำจัด “โพลิเมอร์สีเขียว”เช่นโพลีเอทิลีน“สีเขียว” (PE) ยังมีการใช้กันอย่างแพร่หลาย PE สีเขียวมีการใช้งานเช่นเดียวกับ PE ที่ใช้ฟอสซิลโดยมีข้อได้เปรียบพิเศษในการจับ CO₂ จากบรรยากาศในระหว่างการผลิต³ 

รูปที่ 1 ตัวอย่างของผู้สร้างไบโอโพลิเมอร์ที่มาจากสัตว์หรือพืช พิมพ์ซ้ำโดยได้รับอนุญาตจากบุคคลอ้างอิง 3 ลิขสิทธิ์ 2018 Elsevier

ไบโอโพลิเมอร์ยังได้รับการตรวจสอบเพื่อแทนที่โลหะที่ใช้งานทั่วไปและโลหะผสมที่ใช้ในอุปกรณ์สมาร์ทเพื่อการประหยัดพลังงานที่เพิ่มขึ้น³ วัสดุที่ใช้งานตอบสนองต่อสิ่งเร้าภายนอกเช่น pH อุณหภูมิความชื้นและไฟฟ้าโดยการเปลี่ยนรูปร่างสีและ/หรือขนาด แนวโน้มการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีนี้เกิดขึ้นเนื่องจากคุณสมบัติที่แท้จริงของโพลิเมอร์เช่นความหนาแน่นต่ำต้นทุนต่ำความต้านทานการแตกหักความยืดหยุ่นการประมวลผลง่าย และการผลิต⁴

ในขณะที่โพลิเมอร์ที่ใช้งานอยู่หลาย ตัวตอบสนองต่อสิ่งเร้าทางไฟฟ้า 1 ไบโอโพลิเมอร์เป็นวัสดุตัวนำไฟฟ้าที่ไม่ใช่ไฟฟ้า ดังนั้นสารตัวนำไฟฟ้าที่กระจายอยู่ในเมทริกซ์ไบโอโพลิเมอร์จึงได้รับการตรวจสอบ⁵ การกระจายตัวของฟิลเลอร์ในเมทริกซ์จะกำหนดเส้นทางการเกิด percolation สำหรับคอมโพสิตการนำไฟฟ้า ที่กล่าวถึงต่อไปคือเทคนิคการกระจายตัวที่แตกต่างกันที่ใช้ในการเตรียมคอมโพสิตนำไฟฟ้า

การเตรียมสารผสมชีวภาพ

เทคนิคการผสมทางกายภาพอย่างหมดจดเช่นการผสมความเร็วสูงการผสมละลายและการกัดม้วนเป็นขั้นตอนทั่วไปในการสังเคราะห์คอมโพสิตโพลิเมอร์ วิธีการเหล่านี้แต่ละวิธีใช้แรงเฉือนเพื่อทำให้ฟิลเลอร์กระจายตัวในเมทริกซ์โพลิเมอร์ อย่างไรก็ตามภายใต้สภาวะที่แตกต่างกันกระบวนการเหล่านี้อาจผลิตวัสดุที่มีคุณภาพต่ำกว่า เทคนิคเหล่านี้ไม่อนุญาตให้มีการเพิ่ม compatibilizers ที่ปรับปรุงการกระจายตัวซึ่งต้องมีการปรับเปลี่ยนสารตัวเติมล่วงหน้า

อีกวิธีหนึ่งคือการใช้กระบวนการทางเคมีเพื่อปรับปรุงการกระจายตัว ในหมู่พวกเขามีเทคนิคเช่นการสะสมไอสารเคมีและใน situ polymerization แม้ว่ากระบวนการเหล่านี้จะมีประสิทธิภาพแต่ก็ต้องมีขั้นตอนเพิ่มเติมและมีต้นทุนที่เพิ่มขึ้นสำหรับการปรับขนาดอุตสาหกรรม อย่างไรก็ตามพวกเขายังอนุญาตให้มีการเพิ่ม compatibilizers โดยไม่จำเป็นต้องปรับเปลี่ยนทั้งเมทริกซ์และ/หรือฟิลเลอร์

หนึ่งในนวัตกรรมใหม่คือเทคนิค Spatial Scinforced Network Assembly (SCFNA) ซึ่งช่วยให้การนำไฟฟ้าที่ดีโดยใช้ฟิลเลอร์ขั้นต่ำ การนำไฟฟ้าของเส้นใยโพลีโพรพิลีน/คาร์บอนสั้นที่เตรียมโดยใช้วิธีนี้สูงกว่าที่ผลิตโดยใช้เทคโนโลยีการรวมตัวทั่วไปถึงสี่ระดับ² นอกจากนี้ยังมีคุณค่าของการกล่าวถึงเป็นเทคนิคการประกอบตัวเองที่เกี่ยวข้องกับการใช้โพลีไอออนและโพลีไอออนที่ปฏิสัมพันธ์ไฟฟ้าสถิตช่วยให้การก่อตัวของฟิล์ม จุดต้นทุนต่ำของขั้นตอนนี้และความเป็นไปได้ในการเตรียมฟิล์มโพลีไอออน/โพลีแอนที่ประกอบด้วยขึ้นร้อยชั้นทำให้เป็นวิธีที่น่าสนใจ⁶

รูปที่ 2 แสดงถึงวิธีการหลายชนิดที่ใช้ในการกระจายประจุนำไฟฟ้าในเมทริกซ์โพลิเมอร์

รูปที่ 2 ภาพประกอบของเทคนิคที่แตกต่างกันของการกระจายตัวของสารตัวนำในเมทริกซ์พอลิเมอร์ พิมพ์ซ้ำบางส่วนภายใต้ใบอนุญาตการระบุแหล่งที่มาของครีเอทีฟคอมมอนส์

ไบโอ - เบสคอมโพสิตประสิทธิภาพสูง

เซลลูโลสของพืชและแบคทีเรียเป็นตัวอย่างที่ยอดเยี่ยมของการผลิตไบโอโพลิเมอร์ได้อย่างง่ายดายจากแหล่งพลังงานหมุนเวียน ส่วนย่อยต่อไปนี้จะนำเสนอความก้าวหน้าล่าสุดในแอปพลิเคชัน biopolymer

ฟาร์ฮานาและคณะ⁷ ได้รับเซ็นเซอร์ที่มีความยืดหยุ่นจากแบคทีเรียเซลลูโลสและสารละลายที่มี 1 mg ของท่อนาโนคาร์บอน (CNT) (Cat. Nos 901019 900788 755168) ต่อมิลลิลิตรของเซลลูโลส คอมโพสิตนำไฟฟ้า (สูงถึง 1.6 MS ซม.^-1) แสดงให้เห็นถึงคุณสมบัติทางกลที่ยอดเยี่ยมและการตอบสนองทางไฟฟ้าที่ดีต่อการเสียรูป ในสิ่งพิมพ์อื่นเซนและคณะ⁸ ใช้เซลลูโลสและกราฟีน (Cat. /TH/th900561) นาโนคอมโพสิตเพื่อให้ได้คอมโพสิตที่มีการนำไฟฟ้าของ 5¹ mS/cm ใช้ฟิลเลอร์กราฟีน 0.50 wt.% เท่านั้น โดยใช้วิธีการอื่น Peng et al.⁹ ประดิษฐ์ฟิล์มกราฟีนเซลลูโลสนาโนคอมโพสิตโดยการหล่อโดยใช้ของเหลวไอออนิกที่ใช้ imidazolium (หมายเลข 900771) ภาพยนตร์เหล่านี้แสดงให้เห็นถึงการนำไฟฟ้าสูงสุด 10 mS/cm เริ่มต้นจาก 200 mL ของสารละลายที่มี 80 mg ของ rGO และ 30 g ของ [bmim] Cl. นอกจากนี้ยังใช้ของเหลวไอออนิก, Javed et al.¹⁰ ได้รับ nanofibers โดย electrospinning ขึ้นอยู่กับเซลลูโลสอะซิเตท (Cat หมายเลข 419028 180955), กราฟีนออกไซด์ (GO แมว หมายเลข 921556) และ 1 บิวทิล 3 เมทิลิมิดาโซเลียมคลอไรด์ ([bmim] Cl, Cat. หมายเลข 94128) ข้อดีของ GO และ [bmim] วัสดุ Cl ช่วยให้การกระจายตัวที่เป็นเนื้อเดียวกันของ GO และความสามารถในการละลายของเซลลูโลสได้ดีขึ้นแสดงให้เห็นถึงผลความเข้ากันได้ของของเหลวไอออนิกเหล่านี้ confer บนเมทริกซ์พอลิเมอร์¹¹ ความเข้มข้นเพียง 0.43 wt.% ของแกรฟีนออกไซด์ก็เพียงพอที่จะให้การนำไฟฟ้า 5.30 mS/cm

ตามที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้การนำไฟฟ้าของ biopolymers ต่ำมากในขณะที่โพลิเมอร์สังเคราะห์เช่น polyaniline (Pani, Cat. หมายเลข 912891), โพลี (3,4 ethylenedioxithiophene) (PEDOT), polypyrrole (PPy, Cat. ฉบับที่ 912573) และ polythiophene (PTH) มีการนำไฟฟ้าสูง (รูปที่ 3) ในขณะที่โพลิเมอร์เหล่านี้แสดงความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดีความสามารถในการย่อยสลายต่ำของพวกเขาเป็นตัวทำลายที่สำคัญสำหรับการใช้งานของพวกเขา กลยุทธ์ในการปรับปรุงความสามารถในการผลิตนี้คือการรวมสังเคราะห์กับ biopolymers การได้รับสารประกอบนำไฟฟ้าที่มีการย่อยสลายทางชีวภาพที่แข็งแกร่งและความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดีเยี่ยม ความท้าทายในการสังเคราะห์คอมโพสิตเหล่านี้คือการค้นหาองค์ประกอบที่ดีที่สุดเพื่อเพิ่มการนำไฟฟ้าสูงสุดและลดสัดส่วนของส่วนประกอบคอนจูเกตที่ย่อยสลายไม่ได้ อีกวิธีหนึ่งที่สอดคล้องกับกฎของแรงบันดาลใจทางชีวภาพคือการใช้โมเลกุลทั่วไปเช่นอนุพันธ์แคโรทีน (รูปที่ 5A) ที่มีอยู่ในแครอทเพื่อผลิตคอมโพสิตนำไฟฟ้าตามโมเลกุลเดียว¹² แม้ว่าประสิทธิภาพจะยังไม่ได้เปรียบกับโมเลกุลที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าแต่ก็เป็นสาขาการวิจัยที่มีแนวโน้มมาก

รูปที่ 3 โครงสร้างทางเคมีของโมโนเมอร์หลักและโพลิเมอร์ที่ดำเนินการตามลำดับ

Pani ได้รับความสนใจอย่างมากเนื่องจากการนำไฟฟ้าสูงการสังเคราะห์สารในน้ำได้ง่ายเสถียรภาพทางความร้อนและสิ่งแวดล้อมที่ดีเยี่ยมการนำไฟฟ้าที่สามารถควบคุมได้และความสะดวกในการปรับเปลี่ยนโครงสร้าง พอลิเมอร์นี้มีแนวโน้มที่จะใช้งานในอนาคตในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่นเช่นอิเล็กโทรดและเซ็นเซอร์ความเครียด¹³ เพื่อใช้เมทริกซ์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพและใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าของ polyaniline, Han et al.,¹⁴ ศึกษาการทำโพลิเมอร์ในสถานที่ของ aniline ใน เทมเพลตนาโนเซลลูโลส (หมายเลข 561126) เพื่อรวมเข้ากับเมทริกซ์ยางธรรมชาติ (รูปที่ 4) Aniline ถูกรวมเข้ากับยางผ่านการทำโพลิเมอร์และการทำให้ผิวของเซลลูโลสนาโนคาร์บอน (CNF) เพื่อให้มั่นใจได้ว่าส่วนที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าจะกระจายตัวได้ดีขึ้นและส่งผลให้เกิดคอมโพสิตนำไฟฟ้าที่เป็นเนื้อเดียวกันและมีความยืดหยุ่น (สูงสุด 90 MSM -1) วัสดุมีลักษณะเป็นเซ็นเซอร์ความเครียดและตัวเก็บประจุยิ่งยวดแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่ยอดเยี่ยมสำหรับการใช้งานทั้งสอง

รูปที่ 4 a) ภาพประกอบแผนผังสำหรับกระบวนการเตรียมและสังเคราะห์อีลาสโตเมอร์ไฮบริด CNF-PANI/NR ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าที่มีโครงสร้างเครือข่าย 3 มิติแบบลำดับชั้นและการสาธิตความยืดหยุ่น B) C) ความสามารถในการโค้งงอ D) ความยืดหยุ่นและ E) การนำไฟฟ้า พิมพ์ซ้ำโดยได้รับอนุญาตจากบุคคลอ้างอิง 14 ลิขสิทธิ์ 2019 Elsevier

PPY เป็นหนึ่งในโพลิเมอร์นำไฟฟ้าตัวแรกที่ศึกษาและมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในไบโออิเล็กทรอนิกส์และไบโอเซนเซอร์ มันถูกจัดทำขึ้นโดยเคมีไฟฟ้าหรือออกซิเดชันทางเคมีของไพโรล สารเติมแต่งที่แตกต่างกันสามารถแทรกได้ในระหว่างการเกิดออกซิเดชันซึ่งมีผลต่อคุณสมบัติในการนำไฟฟ้า ตัวอย่างของปรากฏการณ์นี้คือการแนะนำของโพลี (กรด L-glutamic) เป็นสารเติมแต่งใน PPy (รูปที่ 5B) ให้กลุ่มกรดที่ปรับปรุงการนำไฟฟ้าและการย่อยสลายทางชีวภาพของ PPy¹⁵ นอกจากนี้ polypyrrole บล็อกโพลี (Caprolactone) (Cat. หมายเลข 735817) เป็นอีกหนึ่งโพลิเมอร์ที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ

PEDOT เป็นโพลิเมอร์นำไฟฟ้าที่ใช้โมโนเมอร์ 3,4 ethylenedioxithiophene (EDOT) หลอดนาโน PEDOT ถูกนำมาใช้สำหรับการบันทึกภาพประสาทอย่างใกล้ชิดเลียนแบบความสามารถของเซลล์ประสาท¹⁶ นอกจากนี้โพลี (3,4 ethylenedioxithiophene) - โพลี (สไตรีนซัลโฟเนต) (PEDOT: PSS, Cat. ฉบับที่ 900208) คอมโพสิตอยู่ในการใช้งานปกติเนื่องจากคุณสมบัติที่เป็นเอกลักษณ์เช่นการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมเสถียรภาพที่ดีความโปร่งใสของแสงสูงและความเป็นพิษต่ำ ดังนั้นเนื่องจากความจำเป็นในการมีอยู่ของห่วงโซ่ที่สองเพื่อปรับปรุงคุณสมบัติของ PEDOT โดยใช้ lignin (Cat. No. 370959) เป็น biopolymer (รูปที่ 5C) ยังได้รับการยอมรับความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพที่มากขึ้นในคอมโพสิตของพอลิเมอร์นำไฟฟ้านี้โดยไม่เกิดความเสียหายต่อทรัพย์สินที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ในฐานะที่เป็นลิกนินยังทำหน้าที่เป็นโมเลกุล dopant และประสบความสำเร็จในการใช้เป็นวัสดุ supercapacitor¹⁷

เพื่อปรับปรุงคุณสมบัติทางกลที่ไม่ดี hydrophobicity และความไม่ย่อยสลายของโพลิเมอร์นำไฟฟ้าภายในเหล่านี้ผสมผสานกับ biopolymers ได้รับการสำรวจและวิจัยอย่างกว้างขวาง 1 บาง biopolymers ที่ประสบความสำเร็จสำหรับส่วนผสมเหล่านี้รวมถึง polylactide (PLA) Cat. เลขที่ 764620, 764612, 767344), polycaprolactone (PCL, Cat. Nos 440744, 440752, 704105), โพลี (lactide-co-glycolide) (PLGA, Cat. หมายเลข 901021, 790214, 900316, 900289), polycaprolactone fumarate, โพลี (lactide-co-polycaprolactone) (PLA-CO-PCL, Cat. Nos 906840, 900321, 900300 , 900312), โพลียูรีเทน (หมายเลข 446084), ไคโตซาน (หมายเลขแมวC3646, 900342, 900341), เจลาติน (แมวหมายเลข 1.04078), คอลลาเจน (แมวหมายเลข 234149) และเฮปาริน (แมวหมายเลขY0001282) เป็นสิ่งสำคัญที่จะพูดถึงว่าการประยุกต์ใช้ biopolymers ในการผลิตคอมโพสิตย่อยสลายได้ได้ได้รับการขึ้นอยู่กับวิธีการทดสอบที่จัดตั้งขึ้นอย่างดีเช่น ISO 14855 2 ซึ่งควบคุมคุณสมบัติความทนทานของวัสดุเหล่านี้ในสภาพอากาศจำลองต่างๆ¹⁸

รูปที่ 5 โครงสร้างทางเคมีของไบโอคอมโพสิตขึ้นอยู่กับโพลิเมอร์นำไฟฟ้า: ก) carotene analogues, ข) py doped กับ poly (L-glutaminic acid), C) PEDOT: ลิกนิน, D) oligo Pani-graphitized polysaccharide, E) polyaniline/poly [(L-lactide) - ร่วม - (ε -caprolactone)] และ F) 5 2 '' - bis (hydroxymethyl) - 3,3 2 '' - 5 '' - 5 '' - กรด - 2,2 '' - กรด - 2 ''

วังและคณะ¹⁹ ผลิตพอลิเมอร์ขึ้นอยู่กับโพลีแซคคาไรด์กระดูกสันหลัง graphitized กับ tetramers polyaniline (รูปที่ 5 มิติ) ที่ละลายน้ำได้ย่อยสลายได้ทางไฟฟ้าและ noncytotoxic นอกจากนี้โพลิเมอร์นวัตกรรมนี้ยังแสดงให้เห็นถึงการเกิดไฟฟ้าสถิตความสามารถในการรีดอกซ์ย้อนกลับได้และคุณสมบัติการเติม/ถอนตัวที่สามารถย้อนกลับได้ซึ่งพิสูจน์ให้เห็นว่าเป็นผู้สมัครที่ยอดเยี่ยมสำหรับการใช้งานทางการแพทย์เช่นไบโอเซนเซอร์การจัดส่งยาที่ใช้งานอยู่และการตรวจสอบเส้นประสาท ดังนั้นเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้ชีวการแพทย์ polyaniline (Cat. No. 912891) โพลีที่เพิ่มขึ้น [(L-lactide) - co-(ε -caprolactone)] copolymer (Cat. No. 769851) พัฒนาโดย Bhang et al.²⁰ (รูปที่ 5E) ใช้สำหรับควบคุมการทำงานของเซลล์ประสาท เส้นใยของพอลิเมอร์นี้ถูกสังเคราะห์โดย electrospinning แล้ววางไว้ในตัวกลางการเพาะเลี้ยงเซลล์ PC12 ได้รับวัสดุที่มีรูพรุนที่มีโครงสร้างปกติและมีความสามารถในการสร้างระบบประสาทที่ดี เพื่อรับประกันความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพและได้รับการนำไฟฟ้า Guimard และผู้ร่วมงาน²¹ ได้ศึกษาการรวมตัวกันของโอลิโกเมอร์ thiophene (Cat. No.T31801)ในโพลีเอสเตอร์ธรรมชาติได้รับโพลิเมอร์ชีวภาพนำไฟฟ้า โดยใช้ปฏิกิริยา polycondensation ที่เรียบง่ายหน่วย quaterthiophene ไฟฟ้าสลับและหน่วยเอสเทอร์ย่อยสลายได้ถูก copolymerized ส่งผลให้โพลิเมอร์นวนิยาย 5,5 2 '' - bis (hydroxymethyl) -5 '' - dimethyl- 2,2 ': 5 ', 2 '', 5 '' - quaterthiophene - co-adipic acid polyester (QAPE) รูปที่ 3,3 F) วัสดุนี้แสดงกิจกรรม redox ผ่านทาง voltammetry ตามรอบรวมทั้งการดูดซึมสูงสุดสีแดงเลื่อนเมื่อเติมยืนยันว่าหน่วย quaterthiophene รักษาไฟฟ้าของพวกเขา ตัวอย่างเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าการใช้คอมโพสิตชีวภาพสำหรับการใช้งานที่แตกต่างกันสามารถกว้างและมีแนวโน้มโดยเฉพาะอย่างยิ่งในกระบวนการและอุปกรณ์พลังงานที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและสะอาด

ตารางที่ 1 สรุปคอมโพสิตชีวภาพที่จำเป็นที่ครอบคลุมในการทบทวนพร้อมกับการประยุกต์ใช้หลักและขนาดการนำไฟฟ้าซึ่งเป็นคุณสมบัติที่สำคัญที่สุดสำหรับวัสดุประเภทนี้

ข้อควรพิจารณาสุดท้ายและความท้าทายในอนาคต

แม้ว่าการพัฒนาโพลิเมอร์ชีวภาพที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าจะยังคงมีวิธีที่สำคัญในการเปลี่ยนคอมโพสิตโพลิเมอร์ทั่วไปแต่ก็มีศักยภาพ " สีเขียว " ที่สำคัญในโลกที่ความยั่งยืนอยู่ในโฟกัส ที่กล่าวว่าการปรับปรุงที่สำคัญยังคงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับวิสัยทัศน์นี้ที่จะได้รับการตระหนัก โดยเฉพาะอย่างยิ่งฟิลเลอร์ที่ใช้ในปัจจุบันเพื่อเพิ่มการนำไฟฟ้าของคอมโพสิตเหล่านี้ไม่ย่อยสลายได้หรือ " สีเขียว " และความพยายามอย่างต่อเนื่องยังคงจำเป็นต้องค้นพบสารเติมแต่งที่ตรงกับผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมต่ำของวัสดุฐาน โชคดีที่การวิจัยที่ตรวจสอบการผลิตโหลดนำไฟฟ้าที่ยั่งยืนมากขึ้นได้ดึงดูดความสนใจอย่างมากและมีการทำงานที่สำคัญ - เหมือนในกรณีของกราฟีนที่ผลิตจากชีวมวล²² ในความเป็นไปได้เหล่านี้มีพื้นที่ที่ดีสำหรับการมองโลกในแง่ดี

การรับทราบ

ผู้เขียนรับทราบการสนับสนุนทางการเงินที่จัดทำโดย GlaxoSmithKline สภาแห่งชาติบราซิลเพื่อการพัฒนาวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี - CNPq, São Paulo Research Foundation (ทุนไม่มี 2013/07296/2/2014/50249/8/2017/11986/5 และ Coordenação de Aperfeiemento de Pessoal de Nível Superior (CAPES - รหัสทางการเงิน 001

ข้อมูลอ้างอิง

1. Feig VR, Tran H, Bao Z. 2018. Biodegradable Polymeric Materials in Degradable Electronic Devices. ACS Cent. Sci. 4(3):337-348. https://doi.org/10.1021/acscentsci.7b00595

2. Huang Y, Kormakov S, He X, Gao X, Zheng X, Liu Y, Sun J, Wu D. Conductive Polymer Composites from Renewable Resources: An Overview of Preparation, Properties, and Applications. Polymers. 11(2):187. https://doi.org/10.3390/polym11020187

3. Xiong R, Grant AM, Ma R, Zhang S, Tsukruk VV. 2018. Naturally-derived biopolymer nanocomposites: Interfacial design, properties and emerging applications. Materials Science and Engineering: R: Reports. 1251-41. https://doi.org/10.1016/j.mser.2018.01.002

4. Samatham R, Kim KJ, Dogruer D, Choi HR, Konyo M, Madden JD, Nakabo Y, Nam J-, Su J, Tadokoro S, et al. Active Polymers: An Overview.1-36. https://doi.org/10.1007/978-1-84628-372-7_1

5. Maciejewska M, Sowińska A. Influence of Fillers and Ionic Liquids on the Crosslinking and Performance of Natural Rubber Biocomposites. Polymers. 13(10):1656. https://doi.org/10.3390/polym13101656

6. Christinelli WA, Gonçalves R, Pereira EC. 2016. A new generation of electrochemical supercapacitors based on layer-by-layer polymer films. Journal of Power Sources. 30373-80. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.10.077

7. Toomadj F, Farjana S, Sanz-Velasco A, Naboka O, Lundgren P, Rodriguez K, Toriz G, Gatenholm P, Enoksson P. 2011. Strain Sensitivity of Carbon Nanotubes Modified Cellulose. Procedia Engineering. 251353-1356. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2011.12.334

8. Sen I, Seki Y, Sarikanat M, Cetin L, Gurses BO, Ozdemir O, Yilmaz OC, Sever K, Akar E, Mermer O. 2015. Electroactive behavior of graphene nanoplatelets loaded cellulose composite actuators. Composites Part B: Engineering. 69369-377. https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2014.10.016

9. Peng H, Meng, L, Niu L, Lu Q. 2012. Phys. Chem. C . 116 (30)16294–16299. 10.1021/jp3043889/asset/images/large/jp-2012-043889_0005.jpeg

10. Javed K, Krumme A, Viirsalu M, Krasnou I, Plamus T, Vassiljeva V, Tarasova E, Savest N, Mere A, Mikli V, et al. 2018. A method for producing conductive graphene biopolymer nanofibrous fabrics by exploitation of an ionic liquid dispersant in electrospinning. Carbon. 140148-156. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.08.034

11. Green MD, Long TE. 2009. Designing Imidazole-Based Ionic Liquids and Ionic Liquid Monomers for Emerging Technologies. Polymer Reviews. 49(4):291-314. https://doi.org/10.1080/15583720903288914

12. He J, Chen F, Li J, Sankey OF, Terazono Y, Herrero C, Gust D, Moore TA, Moore AL, Lindsay SM. 2005. J. Am. Chem. Soc. 127 (5)1384–1385. 10.1021/ja043279I/suppl_file/ja043279ISI20041220_080257.pdf

13. Khmelnitskiy IK, Aivazyan VM, Andryukhin KA, Lagosh AV, Kalyonov VE. 2019. PEDOT and PANI Electrodes for IP²C Actuators. https://doi.org/10.1109/eiconrus.2019.8656744

14. Han J, Lu K, Yue Y, Mei C, Huang C, Wu Q, Xu X. 2019. Nanocellulose-templated assembly of polyaniline in natural rubber-based hybrid elastomers toward flexible electronic conductors. Industrial Crops and Products. 12894-107. https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2018.11.004

15. Gomez N, Schmidt CE. 2007. Nerve growth factor-immobilized polypyrrole: Bioactive electrically conducting polymer for enhanced neurite extension. J. Biomed. Mater. Res. 81A(1):135-149. https://doi.org/10.1002/jbm.a.31047

16. Moral-Vico J, Carretero N, Pérez E, Suñol C, Lichtenstein M, Casañ-Pastor N. 2013. Dynamic electrodeposition of aminoacid-polypyrrole on aminoacid-PEDOT substrates: Conducting polymer bilayers as electrodes in neural systems. Electrochimica Acta. 111250-260. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.08.041

17. Ajjan FN, Casado N, Rębiś T, Elfwing A, Solin N, Mecerreyes D, Inganäs O. High performance PEDOT/lignin biopolymer composites for electrochemical supercapacitors. J. Mater. Chem. A. 4(5):1838-1847. https://doi.org/10.1039/c5ta10096h

18. Funabashi M, Ninomiya F, Kunioka M. Biodegradability Evaluation of Polymers by ISO 14855-2. IJMS. 10(8):3635-3654. https://doi.org/10.3390/ijms10083635

19. Wang Q, He W, Huang J, Liu S, Wu G, Teng W, Wang Q, Dong Y. 2011. Synthesis of Water Soluble, Biodegradable, and Electroactive Polysaccharide Crosslinker with Aldehyde and Carboxylic Groups for Biomedical Applications. Macromolecular Bioscience. 11(3):362-372. https://doi.org/10.1002/mabi.201000256

20. Bhang SH, Jeong SI, Lee T, Jun I, Lee YB, Kim B, Shin H. 2012. Electroactive Electrospun Polyaniline/Poly[(L-lactide)-co-(ε-caprolactone)] Fibers for Control of Neural Cell Function. Macromol. Biosci. 12(3):402-411. https://doi.org/10.1002/mabi.201100333

21. Guimard NKE, Sessler JL, Schmidt CE. 2009. Macromolecule. 42 (2)502–511. 10.1021/ma8019859/suppl_file/ma8019859_si_001.pdf

22. Safian MT, Haron US, Mohamad Ibrahim MN. A review on bio-based graphene derived from biomass wastes. BioRes. 15(4):9756-9785. https://doi.org/10.15376/biores.15.4.safian