Sustainable plastics derived from renewable resources
Authors:   , Zakharova Elena 
Published: September 2023

In this century, the major use of synthetic polymers have been as replacements for more traditional materials, particulary in packaging. Today the packaging industry is by far the major user of plastics. Another interesting application of these materials is drug delivery systems. Polymers have played an integral role in the advancement of drug delivery technology by providing controlled release of therapeutic agents in constant doses over long periods, cyclic dosage and tunable release of both hydrophilic and hydrophobic drugs. Modern advances in drug delivery are now predicated upon the rational design of polymers tailored for specific cargo and engineered to exert distinct biological functions. Aliphatic polyesters such as poly(L-lactic acid), poly(butylene succinate), and polyhydroxyalkanoates among others, constitute primary examples of bio-based polymers that distinguish by being fully renewable and displaying partial or total biodegradability. This Ph.D. Thesis is devoted to the synthesis of aliphatic random and block polyesters from renewable resources with application for packaging and drug delivery. The main goal of this project is to develop new bio-based polymers with similar or even improved properties compared to those of conventional plastics obtained from non-renewable sources.
The two cyclic acetals, 2,3-di-O-methylene-L-threitol and dimethyl 2,3-di-O-methylene-L-threarate, were used for the synthesis of two series of PBS copolyesters differing in which unit, butylene or succinate, was replaced, in addition of the corresponding parent homopolyesters. 2,4:3,5-di-O-methylene-D-glucitol was used for the synthesis of PBS copolyesters by melt polycondensation. Three series of polyalkanoates (adipates, suberates and sebacates) were synthesized using as monomers three sugar-based bicyclic diols derived from D-glucose and D-mannose. ABA triblock copolyesters were synthesized by ROP of L-lactide in solution initiated by telechelic D-glucose- and L-tartaric-based polyester macroinitiators. The synthesized polyesters were characterized by nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy, gel permeation chromatography (GPC) and viscosimetry. Thermal properties were analyzed by differential scanning calorimetry (DCS) and thermogravimetry (TGA). Crystalline structure of polyesters was studied by X-ray and its mechanical properties were evaluated as well. Hydrolytic degradation and biodegradation assays were followed by GPC and NMR. Nanoparticles made from triblock copolyesters were characterized by scanning electron microscopy (SEM) and dynamic light-scattering (DLS).
En este siglo, el mayor empleo que se les ha dado a los polímeros sintéticos ha sido como sustitutos de materiales más tradicionales, en particular, materiales para envase y embalaje. Hoy en día la industria de envasado es, por mucho, la mayor consumidora de plásticos. Otra aplicación interesante de estos materiales son los sistemas de administración de fármacos. Los polímeros han jugado un papel fundamental la tecnología de administración de fármacos al proporcionar un medio de liberación controlada de agentes terapéuticos en dosis constantes durante largos periodos; la dosificación cíclica y la liberación sintonizable de fármacos hidrofílicos e hidrofóbicos. Actualmente, los avances modernos en la administración de fármacos se basan en el diseño racional de polímeros para la liberación de dosis controladas que modifican distintas funciones biológicas de forma específica. Los poliésteres alifáticos tales como el poli(ácido L-láctico), el poli(succinato de butileno) y los polihidroxialcanoatos, entre otros, constituyen ejemplos primarios de polímeros de base biológica que se distinguen por ser completamente renovables y presentar biodegradabilidad parcial o total. Este trabajo de doctorado está dedicado a la síntesis de poliésteres alifáticos al azar y de bloques a partir de recursos renovables con aplicación para el envasado y la administración de fármacos. El objetivo principal de este proyecto es desarrollar nuevos polímeros biológicos con propiedades similares o incluso mejores en comparación a los plásticos convencionales obtenidos a partir de fuentes norenovables. Los dos acetales cíclicos, 2,3-di-O-metileno-L-treitol y dimetil 2,3-di-O-metileno-L-trearato, se usaron para la síntesis de dos series de copoliésteres de PBS que difieren en qué unidad, butileno o succinato, se reemplazó, además de los homopoliésteres originales correspondientes. Se usó 2,4:3,5-di-O-metileno-D-glucitol para la síntesis de copoliésteres de PBS mediante policondensación en estado fundido. Se sintetizaron tres series de polialcanoatos (adipatos, suberatos y sebacatos) usando como monómeros tres dioles bicíclicos base azúcar derivados de D-glucosa y D-manosa. Los copoliésteres tribloques ABA se sintetizaron mediante ROP de L-láctido en solución iniciada por macroiniciadores de poliester telequelico basados en D-glucosa y L-tartárico. Los poliésteres sintetizados se caracterizaron por espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN), cromatografía de permeación en gel (GPC) y viscosimetría. Las propiedades térmicas se analizaron mediante calorimetría de barrido diferencial (DCS) y termogravimetría (TGA). La estructura cristalina de los poliésteres se estudió mediante rayos X y sus propiedades mecánicas también se evaluaron. La degradación hidrolítica y los ensayos de biodegradación fueron seguidos por GPC y NMR. Las nanopartículas hechas de copoliésteres tribloque se caracterizaron por microscopía electrónica de barrido (SEM) y dispersión de luz dinámica (DLS).