Met de afkorting polyASPs wordt verwezen naar poly-aspartaten: op aminozuren gebaseerde polymeren die kunnen worden gemodificeerd zodat ze volwaardige vervangers kunnen zijn van polyacrylzuur in diverse toepassingen. Met een belangrijk verschil: polyASPs zijn wel afbreekbaar in het milieu.
Het onderzoek binnen GREENER, dat nu is afgesloten, was gericht op het gebruik van polyASPs in industriële toepassingen die relevant zijn voor Zuid-Nederland en Vlaanderen. Zo zijn er toepassingen geïdentificeerd in papier, coatings, cosmetica, biomedische applicaties en super-absorberende middelen voor bijvoorbeeld zelfhelend beton. Bernaerts: “De uitdaging daarbij was dat we ook onze kennis van en vaardigheden met het modificeren van polyASPs onder de knie moesten krijgen. Want iedere toepassing vereist een modificatie om een optimale performance te verkrijgen.”
Milde methode
Sofiya Vynnytska, PhD student aan de Universiteit van Maastricht in de groep van Associate Professor Katrien Bernaerts is één van de wetenschappers die een rol hebben gespeeld in het onderzoek naar deze modificaties. Zij werkte daarbij aan een efficiënte milde methode voor de synthese van biodegradeerbare amfifiele copolymeren op basis van polyASP. Terwijl standaard hoogkokende, toxische solventen worden gebruikt voor dit type syntheses, heeft zij een methode ontwikkeld met weinig en minder toxische oplosmiddelen op een lage temperatuur (56 graden Celsius). Amfifiele copolymeren bevatten zowel hydrofobe als hydrofiele componenten. De verhouding tussen beide typen bepaalt de uiteindelijke eigenschappen van het polymeer. Mogelijke toepassingen zijn te vinden in dispersiemiddelen en oppervlakte-actieve stoffen.
Deze middelen zouden mogelijk kunnen worden gebruikt in onder meer de papierindustrie. Zo heeft consortiumpartner Millvision deze onderzocht voor de toepassing als bindmiddel in coatingformuleringen en in wet-end applicaties, voor het verbeteren van de sterkte en de waterafstotende eigenschappen van het papier. Maar ze zijn ook prima bruikbaar in de chemische industrie. Dat is bijvoorbeeld interessant voor consortiumpartner Govi, fabrikant van proceschemicaliën en additieven en marktleider in wax-emulsies en zepen. R&D manager Jan Coquyt: “De hydrofoob gemodificeerde polyASPs maken het voor ons mogelijk om stabiele was-dispersies te maken die 100% biobased zijn en zelfs na maanden nog steeds herdisperseerbaar blijven, simpelweg door het product te schudden.”
Netwerkstructuren
Een andere onderzoeksrichting koos Lauren De Grave, PhD student aan de Universiteit Gent in de groep van Professor Sandra Van Vlierberghe. Zij werkte in haar onderzoek aan vernette (crosslinkable) polyASPs, waarmee bijvoorbeeld biocompatibele hydrogels te maken zijn, maar ook superabsorberende polymeren. Zij slaagde erin om de eigenschappen van hydrogels op maat te maken door de samenstelling van de formulering te veranderen.
Met de superabsorberende hydrogels is bijvoorbeeld beton zelf-verzegelend en zelfhelend te maken. Daar wordt aan de Universiteit Gent al langere tijd onderzoek naar gedaan. Als via een scheur water in het beton komt, zwelt de hydrogel op. Het daarin opgesloten water zorgt weer voor interne hydratatie en het neerslaan van calciumcarbonaat in het beton, waarmee de scheur definitief wordt gedicht.
Hydrogels zijn ook te gebruiken om wel gedefinieerde objecten te maken met 3D printen. Tenco DDM uit Vlaanderen print er bijvoorbeeld medische hulpmiddelen mee, zoals de zogeheten scaffolds: constructies die in het menselijk lichaam worden aangebracht om de weefselgroei te ondersteunen. In het bijzonder gaat het daarbij om spierweefsel, een specialiteit van Professor Lieven Thorrez van Katholieke Universiteit Leuven, campus Kortrijk. De cellen moeten aan zo’n scaffold hechten. Deze moet dus niet alleen biologisch afbreken op het moment dat hij zijn functie heeft vervuld, maar ook biocompatibel zijn, zodat het lichaam hem niet afstoot. De hechting van de cellen aan de scaffold kon bovendien worden geoptimaliseerd door laponiet (een reologiemodificator) aan de hydrogel toe te voegen.
Biodegradeerbaarheid
Hoe beïnvloeden de diverse modificaties van polyASPs de potentiële biodegradeerbaarheid van de ontwikkelde materialen? Die vraag is nader bestudeerd door Associate Professor Jules Harings van Universiteit Maastricht. “We hebben een protocol ontworpen waarmee we degradatie versneld kunnen testen”, zegt hij. Daarbij is gebruik gemaakt van subtilisin, een veelvoorkomend enzym dat eiwit afbreekt. “Zo worden de omstandigheden bij industriële compostering, afbraak in de bodem of in een mariene omgeving in het lab nagebootst. De afbraak duurt dan een paar dagen in plaats van 3, 6 of zelfs 12 maanden.” De snelheid van dit protocol is een belangrijke stap voorwaarts voor het ontwikkelen van nieuwe materialen. En de conclusie voor wat betreft polyASPs is dat deze, ook in gemodificeerde vorm, goed biodegradeerbaar zijn onder de gespecificeerde omstandigheden.
Voortzetting
Het GREENER project is nu afgerond en heeft veelbelovende resultaten laten zien, die nader zullen worden onderzocht. Uiteindelijk is alleen het topje van een ijsberg aan bod gekomen. De markt voor fossiele polyacrylzuren is namelijk enorm en groeiend: zo’n 100.000 ton per jaar op dit moment. De mogelijkheden om ze te vervangen door de duurzamere polyASPs zijn dan ook nog lang niet uitgeput. Katrien Bernaerts heeft er vertrouwen in dat er een vervolg zal komen, misschien in de vorm van een tweede GREENER project onder het nieuwe Interreg VI programma, maar in ieder geval in de samenwerking tussen de betrokken bedrijven en kennisinstellingen.
Dit artikel kwam tot stand in samenwerking met GREENER.
Beeld bovenaan: hydrogel, door Gilmanshin/Shutterstock
