Laut der UNESCO macht Plastikmüll 80 Prozent der gesamten Meeresverschmutzung aus. Jedes Jahr gelangen 8 bis 10 Millionen t Plastik in unsere Ozeane. Forscher der USC Viterbi haben ein Mineral entdeckt, das häufig in Muscheln vorkommt und der Schlüssel zu einer sichereren Plastikalternative sein könnte. Eine solche Alternative könnte eines Tages die verstörenden Bilder von Meereslebewesen, die sich in Getränkedosenverpackungen und Plastiktüten verfangen, verhindern.
Biologisch abbaubares Material für industrielle Anwendungen
Die Forschung wird von Eun Ji Chung geleitet, Inhaberin des Dr. Karl Jacob Jr. und Karl Jacob III Early-Career Chair an der USC Viterbi School of Engineering sowie führende Expertin auf dem Gebiet künstlich hergestellter Nanopartikel für klinische Anwendungen. Die Entwicklung eines Ersatzes für Plastik mag auf den ersten Blick wie ein unerwarteter Forschungsschwerpunkt erscheinen. Chung hat jedoch einen Hintergrund im Bereich Biomaterialien und ihr Labor hat kürzlich eine neue, biokompatible Plastikalternative entwickelt. Dafür wurde Calciumcarbonat aus Muscheln zu Poly (1,8-Octanediol-co-Citrat) (POC) hinzugefügt. POC ist ein von der FDA zugelassenes, biologisch abbaubares Material, das in orthopädischen Fixiervorrichtungen verwendet wird.
Während der Pandemie sei ihr der übermäßige Abfall durch Einwegmasken und -handschuhe sowie die zunehmende Nutzung von Einwegplastik deutlich bewusst geworden, so Chung. Sie begann, über mögliche Ersatzprodukte nachzudenken. „Ich habe mir Gedanken darüber gemacht, dass selbst in unserem Labor alles aus Einwegplastik besteht, weil alles steril sein muss. Nichts darf verunreinigt werden. Das alles war für mich persönlich einfach zu überwältigend“, sagte sie.
Chung begann, ihre Arbeit aus der Zeit ihrer Promotion wieder aufzugreifen. Damals hatte sie an einem biologisch abbaubaren Polymer aus Zitronensäure gearbeitet, die in Orangen vorkommt. Das Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von Polymeren für biomedizinische Anwendungen wie Nähte und Sehnenfixierungen. „Im Graduiertenkolleg haben wir Hydroxylapatit hinzugefügt, das sind Kalziumpartikel, die sich in ihren Knochen befinden. Ich habe sie zusammen hergestellt und jetzt sind es biologisch abbaubare Materialien, die bereits von der FDA zugelassen sind.“
„Ich kam auf die Idee, dass Muscheln ebenfalls Kalzium enthalten. Deshalb sind sie so steif wie Knochen. Aber sie enthalten eine andere Art von Kalziumpartikeln. Also habe ich meine Vorgehensweise entsprechend angepasst, um sie besser als alternatives Kunststoffmaterial verwenden zu können.“ Laut Chung ist die Konsistenz des Zitronensäurepolymers klebrig wie Kaugummi. Wenn Kalziumpartikel hinzugefügt und das Polymer im Ofen erhitzt und ausgehärtet wird, entsteht ein kunststoffähnliches Material. Das resultierende Material wurde zu einem Prototyp weiterentwickelt und zu robusten Getränkedosenhalterringen zugeschnitten.
Das Team stellte die Hypothese auf, dass das POC-CC-Material ein biokompatibler Kunststoffersatz ist, der in Meeresumgebungen abgebaut werden kann, während er gleichzeitig die für industrielle Anwendungen erforderliche Festigkeit beibehält. Um dies zu testen, wurde POC-CC mit unterschiedlichen Calciumcarbonatkonzentrationen synthetisiert. Über einen Zeitraum von sechs Monaten wurden verschiedene Faktoren beobachtet, darunter die Gewichtsabbaurate im Meerwasser und die Auswirkung des Materials auf den pH-Wert des Wassers nach längerer Inkubation. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Abbaurate mit steigendem POC-Gehalt zunimmt und die Zugabe von CC den pH-Wert des Meerwassers konstant hält“, sagte Chung.
Biokompatibler Kunststoffersatz aus Muschelmineralien
Ein weiterer Vorteil des Materials ist seine Biokompatibilität: Es schadet dem Meeresleben nicht, im Gegensatz zu eingeführtem Mikroplastik. Das Forschungsteam inkubierte eine Grünalgenart (Scenedesmus sp.) zusammen mit dem POC-CC-Material und hielt sie sechs Monate lang in simuliertem Meerwasser. Dabei stellte das Team eine hohe Zelllebensfähigkeit fest, was die Biokompatibilität des POC-CC-Kunststoffersatzes mit marinen Mikroorganismen bestätigt.
Chung und ihr Team planen nun eine verbesserte Version des Materials der zweiten Generation, um den Abbau zu beschleunigen. Chung fügte hinzu, dass das Material viele potenzielle Anwendungen habe, beispielsweise bei der Herstellung biologisch abbaubarer Strohhalme. Diese seien stabiler als Bambus- oder Papierstrohhalme und sicherer als wiederverwendbare Strohhalme aus Metall.
Aus dem Englischen mit DeepL übersetzt.
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