الیاف زیستی، خواص و کاربردها

زیست فناوری را می‌توان به عنوان کاربرد بیولوژی برای حل مشکلات و تولید محصولات بهبود یافته و مفید تعریف کرد. در واقع بیوتکنولوژی، فناوری مبتنی بر زیست شناسی است که فرایندهای سلولی ومولکولی برای توسعه فناوری‌ها و محصولاتی که به بهبود زندگی و سلامت انسان کمک می‌کنند را ایجاد می‌کند. به همین ترتیب الیاف زیستی الیافی است که منشا زیستی ( بیولوژیکی) دارد و در فرایندی به صورت طبیعی و یا از طریق فرآیند بازسازی شده از مواد زیستی تولید شود.

اکثر الیاف زیست ساختار دارای مزیت زیست تخریب پذیری  هستند. استفاده از الیاف زیست ساختار توسعه یافته می تواند به طور موثر مشکلات آلودگی ناشی از منسوجات غیر زیست تخریب پذیر رها شده در محیط را کاهش دهد. در مقاله پیش رو به معرفی و ویژگی ها و برخی کاربردهای این نوع الیاف پرداخته شده است. همچنین به معرفی نوعی الیاف مصنوعی زیست ساختار با خواص پوششی عالی، خاصیت ضد باکتریایی و نیز زیست سازگاری، کاربرد مناسبی در منسوجات و پزشکی دارد، پرداخته شده است. در این سری از مقالات نفیس نخ برای آشنایی بیشتر با الیاف زیستی، خواص و کاربردها همراه ما باشید. تهیه و تنظیم: الهام محمدی

پیشینه و روند تولید الیاف زیستی

توسعه و کاربرد مواد اولیه برای تولید الیاف زیستی، از کاربرد محصولات غذایی و محصولات جانبی آن به عنوان مواد خام اولیه گرفته تا مواد خام زیست توده که هیچ ارتباطی با مواد غذایی موجود ندارد، متغیر است.

در دورنمای تولید و کاربرد الیاف، منسوجات به سمت راحتی، عملکرد، هوش، حفاظت از بدن، حفاظت از محیط زیست و منابع پایدار، توسعه خواهند یافت. به منظور ارتقاء آگاهی در مورد حفاظت از محیط زیست، باید تلاش هایی برای توسعه الیاف شیمیایی سازگار با محیط زیست که غنی از مواد خام، تولید آسان، راحت و بی ضرر برای سلامتی انسان باشد، انجام شود. هرچند به نظر میرسد الیاف مصنوعی زیست ساختار به طور موثر به توسعه خود ادامه می دهند، اما نمی توانند جایگزین مواد سنتزی و مبتنی بر نفت شوند. یکی از دلایل اصلی این چالش، عدم بلوغ و رشد کافی فناوری های تبدیل زیستی است. هنوز میزان استفاده مؤثر از مواد زیستی غیر دانه ای کم است، و فرآیند تصفیه و خالص سازی انها پیچیده است، که باعث می شود هزینه مواد خام تهیه شده بیش از حد بالا و کیفیت این مواد ناپایدار و متغیر باشد.

تولید الیاف زیستی

در نتیجه راندمان محصولات هدف پایین خواهد بود. اگرچه پیشرفت‌های بسیاری در سال های اخیر در زمینه پلیمرهای زیست‌تخریب‌پذیر و زیست‌ سازگار انجام شده است، قبل از جایگزینی کامل محصولات مبتنی بر نفت، تحقیقات بسیار بیشتری لازم است. هنوز مشکلاتی در مورد هزینه، فناوری و تجهیزات الیاف شیمیایی زیست ساختار وجود دارد. برای حل این مشکلات، باید به دنبال همکاری در فناوری فرآیند، توسعه محصول، بازار و توسعه تجهیزات ویژه بود و مسیر تولید جدیدی را با ترکیب فرآیندهای مختلف تولید ایجاد کرد. بنابراین، ایجاد و توسعه ی منابع مواد خام الیاف شیمیایی زیست ساختار، توسعه فن‌آوری‌های جدید تولید، بهینه‌سازی سیستماتیک تخمیر بیولوژیکی، تبدیل آنزیمی، سنتز شیمیایی و سایر فناوری‌ها و دستیابی به بازسازی مواد خام نو ترکیب یا در ترکیب با جداسازی و خالص‌سازی با سیستم های چند جزئی کارآمد ضروری است.

بیشتر بدانید: الیاف زیست سازگار، حرکتی به سمت کربن صفر در صنعت نساجی

در سالهای اخیر همچنین توجه زیادی به موضوع پایداری در بازار منسوجات شده است. بر همین مبنا الیاف مصنوعی زیست سازگار یکی از رویکردهای امیدوارکننده برای ایجاد پایداری در منسوجات با ایمنی زیستی، زیست سازگاری، و زیست تخریب پذیری است. از این رو الیاف شیمیایی زیست سازگار به عنوان ماده اولیه کاربرد بی نظیری در پوشاک، مواد نساجی، بسته بندی مواد غذایی، زیست پزشکی  و … دارد.

خواص مورد انتظار از الیاف زیستی

1. قابلیت پوشیدن

الیاف زیست سازگار دارای مزایای تماس خوب با پوست (نرمی، سازگاری با پوست)، راحتی پوشیدن خوب، جذب رطوبت مناسب، فرایند تکمیل آسان، خشک شدن سریع، جذب رطوبت بالا و پایداری ابعادی خوب است. شرکت توری یک نایلون  با نام ان 510 (N510) از الیاف مصنوعی 100٪ زیست سازگار ایجاد کرده است که از سباسیک اسید در گیاه روغن کرچک و پنتا متیلن دی آمین در ذرت ساخته شده است و به اندازه نایلون 6 سخت، و مقاوم در برابر حرارت است و دارای ثبات ابعادی عالی در شرایط مرطوب است که نام تجاری فیبر پلی آمید زیستی را در زمینه نساجی به خود اختصاص داده است.

1،5-پنتان­دیامین (DN5) زیست سازگار بوده و از مواد گیاهی تجدیدپذیر استخراج شده و با اسیدهای دی کربوکسیلیک با زنجیره بلند مختلف (LCDA) پلیمریزه می شود تا پلی آمید زیست سازگار سنتز شود که می تواند به طور موثری استفاده از نفت و سایر مواد مبتنی برترکیبات فسیلی و نیز تولید و انتشار کربن را کاهش دهد. در جدول 1 مشخصات این الیاف نشان داده شده است.

برای مطالعه کلیک کنید: تاثیر زمان دهی و متغیرهای دستگاه تکسچرایزینگ بر خواص فیزیکی PBT

از جدول 1 می توان دریافت که دمای ذوب، ویسکوزیته و سایر خواص فیزیکی Terryl™ PA56 مشابه فیبر پلی آمیدی (مانند PA6 یا PA6,6) حاصل از نفت و سایر منابع مبتنی برترکیبات فسیلی است. لباس حاصل از این الیاف دارای خواص  عالی مانند رنگرزی در دمای پایین، نرمی، سازگاری با پوست و مقاومت در برابر سایش است. عملکرد ذاتی ضد شعله آن نیز تجربه کاربردی منحصر به فردی را در برخی زمینه های خاص به ارمغان می آورد.

مواد خام زیست سازگار را می توان از طریق باکتری های مختلف به اسید گلوتامیک تخمیر کرد و از طریق گلوتامیک اسید دکربوکسیلاز γ-آمینوبوتیریک اسید به گلوتامیک اسید تبدیل کرد. برخی محققان از الیاف پلی بوتیرولاکتام (PBY) به عنوان ماده خام استفاده کردند، الیاف PBY نیز زیست تخریب پذیری مناسبی دارد و می تواند بدون آلودگی محیط زیست تخریب شود.

جدول 1 مشخصات PA6, PA66 و Terryl™ PA56

عملکرد ضد باکتریایی

عملکرد ضد باکتریایی  نه تنها می تواند از آسیب دیدن منسوجات به دلیل خوردگی میکروارگانیسم ها جلوگیری کند، بلکه راه منسوجات را برای انتقال باکتری های بیماری زا قطع می کند و از تجزیه باکتری ها برای تولید بو و ایجاد عفونت و سایر بیماری ها جلوگیری می کند.

الیاف بایوسریکا (Bioserica) تولید شده توسط شرکت مواد ضد میکروبی نانجینگ (Nanjing Bioserica ERA)، یک لیف نساجی سبز با مصرف کربن کم است که عملکرد ضد باکتریایی فوق‌العاده‌ای را از خود نشان می‌دهد. الیاف ایوسریکا بر اساس دو رزین پلیمری زیست تخریب پذیر PLA و پلی هیدروکسی بوتیرات کووالرات (PHBV) ساخته شده است و با اصلاح رئولوژیکی ترکیبات و با فرایند ذوب ریسی، تهیه می شود که بدون افزودنی های خاص و سمی، سبز و دوستدار محیط زیست محسوب میگردد.

بیشتر بدانید: الیاف ضد‌ باکتری چیست؟

نانوذرات نقره موادی آنتی باکتریال، تمیز و سلامت، مقرون به صرفه و برای محیط زیست بی ضرر هستند. یون‌های نقره را می‌توان در عوامل ضد باکتریایی الیاف نساجی بارگذاری کرد تا خواص ضد باکتریایی به آنها بدهد برخی پژوهشگران عملکرد نخ های رشته ای PLA/PHBV را مورد مطالعه قرار داده و آنها را با پایه نفتیPET، PA6  مقایسه کردند. آنها دریافتند که نخ فیلامنت PLA/PHBV دارای خواص حرارتی و مکانیکی مناسب بوده و علاوه بر این، در مطالعه خواص ضد باکتریایی نخ به ترتیب 99.99%، 99.99% و 99.31 %باکتریهای  استافیلوکوکوس اورئوس، کلبسیلا پنومونیه و کاندیدا آلبیکنس را مهار می کند نتایج برخی تحقیقات  نشان داد که الیاف PLA عمل شده با ان هالامین ها می تواند به طور موثر باکتری های گرم مثبت و گرم منفی را غیرفعال کند.

الکتروریسی مبتنی بر PLA از بیوپلیمر ضد باکتری

عملکرد زیست پزشکی

الیاف زیست سازگار، دارای خواص ضد باکتریایی، زیست تخریب پذیری و سازگار خوبی در داخل بدن و در شرایط آزمایشگاهی هستند. بنابراین استفاده از الیاف زیست پزشکی (biomedical) در عملکردهای بهداشت و سلامت چشم انداز خوبی دارد. آلژینات استخراج شده از جلبک کلپ یا جلبک قهوه ای سارگاسوم، از پلی ساکاریدهای طبیعی با آنیون های خطی است. الیاف آلژینات غیر سمی، از نظر زیستی غنی، دارای ابدوستی بالا، زیست سازگاری و زیست تخریب پذیری خوب است و می تواند به عنوان الیاف نساجی پزشکی عالی استفاده شود.

پانسمان سنتی زخم مانع از بازسازی زخم می شود. پانسمان آلژینات می تواند به شکل هیدروژل و یا الیاف و ترکیبی ظاهر شود، ترشحات زخم را جذب کرده و سپس ژلی را برای مرطوب نگه داشتن زخم تشکیل دهددر پژوهشی کیتوزان و منیزیم چهارتایی شده را به محلول ریسندگی آلژینات اضافه شد تا پانسمانی با عملکرد ضد باکتریایی برای درمان زخم های دیابت تهیه گردد. تثبیت ترکیب پاپائین بر روی پانسمان یاد شده آلژینات می تواند به پانسمان توانایی التیام زخم را بدهد. پاپائین اضافه شده می تواند تولید سیتوکین ها را برای ترویج تکثیر سلولی موضعی، کاهش اسکار و کمک به بهبود زخم تحریک کند.

برای اطلاع بیشتر کلیک کنید: مقدمه ای بر الیاف پلی استر بازیافتی

گروه دیگری از محققان آلژینات سدیم (SA) و پلی وینیل الکل (PVA) را در آب خالص حل کردند تا محلول ریسندگی را بسازند، آن را الکتروریسی کردند و روی فویل آلومینیومی حاوی فیبر PLA جمع آوری کردند تا فیبر کامپوزیت PLA/PVA/SA به دست آید. آنها بهبود زخم موش ها را با الیاف کامپوزیت، فیبر PLA و گاز تجاری مقایسه کردند. شکل 2  نشان می دهد که نرخ انقباض زخم در مرهم PLA و PLA/PVA/SA بیشتر از گاز تجاری است. در روز شانزدهم، زخم‌های گروه‌های PLA و PLA/PVA/SA تقریباً به طور کامل با زخم‌های کمی بهبود می‌یابند که زیست سازگاری عالی را نشان می‌دهند.

سرعت بهبودی و تصویر بسته شدن زخم الیاف PLA و PLA / PVA / SA

الیاف PHBV زیست سازگار و زیست تخریب پذیر بوده و برای استفاده در منسوجات پزشکی ماده اولیه خوبی هستند. شرکت TIANAN بزگترین تامین کننده PHBV است. محدودیتهای این الیاف، شکنندگی، فرایندپذیری سخت و ثبات حرارتی پایین است که از روشهای کوپلیمریزاسیون پیوندی، دسته ای و غیره برای رفع این مشکل استفاده میکنند.

نتیجه گیری

مشکلات زیست محیطی ناشی از الودگی های مواد اولیه و محصولات مبتنی بر نفت خام و ترکیبات فسیلی و نیز روند های منجر به تولید کربن زیاد در محیط زیست، توجه دانشمندان را در صنایع نساجی و پوشاک به سمت محصولات سبز با الایندگی کمتر و زیت سازگاری و زیست تخریب پذیری بالاتر سوق داده است. استفاده از مواد اولیه و نیز پسماند های زیستی، توسعه روش ها و مواد نوترکیب، و توجه به روند های تولید و توسعه محصولات پایدار زیستی و توسعه و ترویج این دیدگاه حاصل پژوهش های دانشمندان و امید بخش زندگی سالم تر و محیط زیستی پایدارتر خواهد بود.