Applications of Poly (lactic acid) in Tissue Engineering and Delivery Systems
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Applications of Poly (lactic acid) in Tissue Engineering and Delivery Systems Poly (lactic acid) is a thermoplastic derived from renewable resources and is at present, one of the most promising biodegradable and nontoxic biopolymers. In addition to its versatility and consequent large-scale production, PLA can be processed with a large number of techniques. Due to its excellent mechanical properties and biocompatibility, this polymer is becoming largely applied in the biomedical field such as in tissue engineering for scaffolds and in delivery systems in the form of micro and nanoparticles. Furthermore, because it’s relatively cheap and an eco-friend, it has been considered as one of the solutions to lessen the dependence on petroleum-based plastics and solid waste problems. In order to maximize the knowledge and development of this polymer, it is necessary to understand the material synthesis, proprieties, manufacturing processes, main applications, commercialization and its market state, which will be presented in this review.
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- 1. APPLICATIONS OF POLY (LACTIC ACID) IN TISSUE ENGINEERING AND DELIVERY SYSTEMS BIOMEDEEKS
- 2. CONTENTS POLY (LACTIC ACID) SYNTHESI S PROPRIETI ES PROCESSING BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS ECONOMIC POTENTIAL CONCLUSIONS POLY (LACTIC ACID) • An Introduction • Synthesis • Proprieties • Processing BIOMEDICAL APPLICATIONS • Tissue Engineering • Delivery Systems OTHER APPLICATIONS ECONOMIC POTENTIAL OF PLA CONCLUSIONS
- 3. POLY (LACTIC ACID) SYNTHESI S PROPRIETI ES PROCESSING BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS ECONOMIC POTENTIAL CONTENTS CONCLUSIONS BIODEGRADABLE POLYMERS Derived from naturally occurring polymers that are found in all living organisms Agro-Polymers • Polysaccharides • Proteins Biodegradable Polyesters • Poly (hydroxyalkanoate) • Poly (lactic acid) • Aromatic Copolyesters • Aliphatic Copolyesters
- 4. POLY (LACTIC ACID) SYNTHESI S PROPRIETI ES PROCESSING BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS ECONOMIC POTENTIAL CONTENTS CONCLUSIONS http://www.pakmenpc.com/content.aspx?Dyn=true&pageID=3 http://homepages.ihug.com.au/~sgregory/chem/polymer.html
- 5. POLY (LACTIC ACID) SYNTHESI S PROPRIETI ES PROCESSING BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS ECONOMIC POTENTIAL CONTENTS CONCLUSIONS PLA Basic Unit: Lactic acid is a chiral molecule : • L and D isomers Xiao L., Wang B., Yang G., Gauthier M. (2012). Poly(Lactic Acid)-Based Biomaterials: Synthesis, Modification and Applications, Biomedical Science, Engineering and Technology, Dhanjoo N. Ghista (Ed.) Poly (lactic acid) : • Pure poly-L-lactic acid (PLLA) • Pure poly-D-lactic acid (PDLA) • Poly-D,L-lactic acid (PDLLA)
- 6. POLY (LACTIC ACID) SYNTHESI S PROPRIETI ES PROCESSING BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS ECONOMIC POTENTIAL CONTENTS CONCLUSIONS Precursors: • Hydroxyl acid with an asymmetric carbon atom and two optically configurations: D and L isomers; • Produced by carbohydrate fermentation or common chemical synthesis; By chemical synthesis: • Hydrolysis of lactonitrile by a strong acid : racemic mix of the two isomers produced By bacterial fermentation of carbohydrates (90% of lactic acid produced ): • Heterofermentative: Lactic acid with significant quantities of metabolites; • Homofermentative: Greater yields of lactic acid and lower levels of metabolites.
- 7. POLY (LACTIC ACID) SYNTHESI S PROPRIETI ES PROCESSING BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS ECONOMIC POTENTIAL CONTENTS CONCLUSIONS Precursors: The carbon source for microbial production of lactic acid can be: • Basic sugars such as glucose and maltose from corn or potato, sucrose from cane or beet sugar; Processing conditions: • pH close to 6; • Temperature around 40°C; • Low oxygen concentration
- 8. POLY (LACTIC ACID) SYNTHESI S PROPRIETI ES PROCESSING BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS ECONOMIC POTENTIAL CONTENTS CONCLUSIONS POLY (LACTIC ACID) SYNTHESIS BY THREE MAIN METHODS Xiao L., Wang B., Yang G., Gauthier M. (2012). Poly(Lactic Acid)-Based Biomaterials: Synthesis, Modification and Applications, Biomedical Science, Engineering and Technology, Dhanjoo N. Ghista (Ed.)
- 9. POLY (LACTIC ACID) SYNTHESI S PROPRIETI ES PROCESSING BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS ECONOMIC POTENTIAL CONTENTS CONCLUSIONS Condensation Polymerization -Produces a low molecular weight and brittle polymer - unusable if there is no external agents to increase the chain length; Three phases: 1 - Removal of the free water • Rate determining step: Removal of water 2 - Oligomer polycondensation • Rate determining step: Chemical reaction 3 - Melt condensation of high molecular weight PLA • Rate determining step: Removal of water
- 10. POLY (LACTIC ACID) SYNTHESI S PROPRIETI ES PROCESSING BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS ECONOMIC POTENTIAL CONTENTS CONCLUSIONS Condensation Polymerization Vantages : • Low costs and easy control Disadvantages: • Reaction time and temperature, • Catalysis, • Pressure, • Susceptibility to impurities from the solvent Can strongly influence the molecular weight of the final products
- 11. POLY (LACTIC ACID) SYNTHESI S PROPRIETI ES PROCESSING BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS ECONOMIC POTENTIAL CONTENTS CONCLUSIONS Azeotopic dehydration condensation 1. Removal of the water from the reaction medium; 2. Addition of the catalyst and diphenyl ether; 3. Attachment of a tube packed with molecular sieves to the reaction vessel : for the returning of the refluxing solvent; 4. PLA is purified Vantages : • No chain extenders or adjuvants are needed • It can yield high molecular weight PLA directly Disadvantages: • Toxic catalyst residues that can cause degradation and hydrolysis: Drawbacks for biomedical applications
- 12. POLY (LACTIC ACID) SYNTHESI S PROPRIETI ES PROCESSING BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS ECONOMIC POTENTIAL CONTENTS CONCLUSIONS Ring-Opening Polymerization (ROP) • The most usual method to synthesized PLA; • Occurs by ring opening of the lactide with a catalyst; • Performed as a bulk polymerization, emulsion, dispersion or in solution; • Depends on the initiator: stannous octoate is preferred: high reaction rate, high conversion rate, and high molecular weights; • Chain length controlled by the OH impurities. Vantages : • Possibility to control the ratio and sequence of D- and L-lactic acid units in the final polymer ; • High molecular weight PLA. Disadvantages: • Polymerization and transesterification effect affected by the temperature and time; the monomer/catalyst ratio and the type of catalyst.
- 13. POLY (LACTIC ACID) SYNTHESI S BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS ECONOMIC POTENTIAL CONTENTS CONCLUSIONS PLA - White powder; Tg=55ºC; Tm=175ºC; - High molecular weight; - Colorless, glossy, rigid thermoplastic material similar properties to polystyrene; http://www.futerro.com/products_pla.html - Transition temperatures influence all the physical characteristics: density, heat capacity, mechanical and rheological properties of PLA; - Lactic acid based polymers are not soluble in water, alcohols as methanol, ethanol; - Degrades by hydrolysis. Primarily : By hydrolyses after several months exposure to moisture. Degradation in two stages 1 - Random non-enzymatic chain scission of the ester groups leads to a reduction in molecular weight 2- Molecular weight is reduced until the lactic acid and low molecular weight oligomers are naturally metabolized by microorganisms to yield carbon dioxide and water PROPRIETIE S PROCESSING
- 14. POLY (LACTIC ACID) PROPRIETIE S SYNTHESI S PROCESSING BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS ECONOMIC POTENTIAL CONTENTS CONCLUSIONS Two isomers : L-Lactic acid and D-Lactic acid 4 Distinct Materials: Poly (D-lactic acid) : PDLA • Crystalline material with a regular chain structure • Soluble in common solvents • Degrade by simple hydrolysis of the ester bond Poly(L-lactic acid) : PLLA • Semi-crystalline material with a regular chain structure • Soluble in common solvents • Degrade by simple hydrolysis of the ester bond • Main fraction of PLA derived from renewable sources Poly(D,L-lactic acid) : PDLLA • Amorphous material • Soluble in common solvents • Degrade by simple hydrolysis of the ester bond Meso-PLA • Obtained by the polymerization of meso-lactide
- 15. POLY (LACTIC ACID) PROCESSIN G SYNTHESI S PROPRIETIES BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS ECONOMIC POTENTIAL CONTENTS CONCLUSIONS Properties PDLA PLLA PDLLA PLA can crystallize in three forms: α, β and γ Melting temperature (Tm) and glass transition temperature (Tg) decrease with decreasing amounts of PLLA Solubility All soluble in benzene, chloroform, acetonitrile, tetrahydrofuran, diexane…but insoluble on ethanol, methanol, and hydrocarbons Crystalline Structure Crystalline Hemicrystalline Amorphous Melting Temperature (Tm)/ ºC ~180 ~180 Variable Glass Transition Temperature (Tg)/ ºC 50-60 55-60 Variable Decomposition Temperature/ ºC ~200 ~200 185-200 Elongation at Break/ (%) 20-30 20-30 Variable Breaking Strength/ (g/d) 4.0-5.0 5.0-6.0 Variable Half-life in 37ºC normal saline 4-6 months 4-6 months 3. months
- 16. POLY (LACTIC ACID) PROCESSIN G SYNTHESI S PROPRIETIES BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS ECONOMIC POTENTIAL CONTENTS CONCLUSIONS The degradation rate of polymer is mainly determined by: Polymer reactivity with water Catalysts Factors that effect the reactivity: • Particle size and shape; • Temperature; • Moisture; • Crystallinity; • % isomer; • Residual lactic acid concentration; • Molecular weight; • Water diffusion • Metal impurities from the catalyst.
- 17. POLY (LACTIC ACID) PROCESSIN G SYNTHESI S PROPRIETIES BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS ECONOMIC POTENTIAL CONTENTS CONCLUSIONS Extrusion Thermoforming; Injection molding; Fiber drawing; Film blowing; Bottle blowing; Extrusion coating Main parameters during melt processing: • Temperature; • Residence time; • Moisture content; • Atmosphere; • Thermal stability http://www.cidaut.es/en/extrusion-reactive-extrusion-and-compounding
- 18. POLY (LACTIC ACID) SYNTHESI S PROPRIETI ES PROCESSING CONTENTS ECONOMIC POTENTIAL CONCLUSIONS BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS Biomaterials for Medical Applications Biocompatibility Biodegradable Poly(α- hydroxyacid)s PGA PDS PLA Non Biodegradable Sterilizability Nontoxicity Effectiveness http://www.chemsys.t.u-tokyo.ac.jp/laboratory_ito_e.html
- 19. POLY (LACTIC ACID) SYNTHESI S PROPRIETI ES PROCESSING CONTENTS ECONOMIC POTENTIAL CONCLUSIONS BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS 1966 - Kulkami et al found that PLLA had nontoxic tissue response when implanted in guinea pigs and rats 1971 - Cutright and Hunsuck reported the PLA application in orthopedic fixation and sutures Nowadays… Tissue Engineering • Porous Scaffold for Tissue Remodeling Delivery Systems • Dosage Forms • Sustained Release and Targeted Drug, peptide/protein and DNA/RNA delivery Other fields • Membrane applications (wound covers) • Implants and Medical Devices (fixation rods, plates, pins, screws, sutures) • Dermatological Treatments (facial lipoatrophy and scar rejuvenation)
- 20. POLY (LACTIC ACID) SYNTHESI S PROPRIETI ES PROCESSING CONTENTS ECONOMIC POTENTIAL CONCLUSIONS BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS PLA: Tissue engineering To improve and develop biological functions with methods to reconstruct living tissues by combining the cells and biomaterials • Donor is not required - no problem of transplant Metals Ceramics Linear aliphatic polyester s 3D PLA Scaffolds rejection Advantages • High level of porosity Disadvantages • Slow rate of degradability, hydrophobicity and lack of functional groups • Risk of immune response and disease transmission
- 21. POLY (LACTIC ACID) SYNTHESI S PROPRIETI ES PROCESSING CONTENTS ECONOMIC POTENTIAL CONCLUSIONS BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS Tissue engineering: Case studies • Bone formation Osteogenic stem cells seeded on PLA scaffolds in bone defects or subcutaneously • Cell differentiation; may be used in bone regeneration PLA-based hybrid materials : Chitosan/PLGA by heparin immobilization • Cell proliferation and secretion while the scaffold gradually degrades 3D scaffolds of PLA as synthetic extracellular matrices • Osteoblasts proliferation ; favorable substrate for cell infiltration and bone formation 3D electrospun fibrous scaffolds for bone regeneration: Microfibrous PLLA scaffolds • BioSeed-B and BioSeed-C by German industry Cartilage tissue engineering: PGA/PLA copolymer
- 22. POLY (LACTIC ACID) SYNTHESI S PROPRIETI ES PROCESSING CONTENTS ECONOMIC POTENTIAL CONCLUSIONS BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS PLA: Delivery Systems Methods of administering bioactive compounds to achieve therapeutic effect Advantages • Mechanical strength; • Heat processability; • Solubility in organic solvents ; • Ability to produce small size dosage forms. Disadvantages • Poor chemical proprieties; • Restricted sustained release of hydrophilic molecules; • Low encapsulation efficiency; • Weak interactions between hydrophilic molecules and the polymer Xiang Yuan Xiong, Liang Guo, et al. In vitro & in vivo targeting behaviors of biotinylated Pluronic F127/poly(lactic acid) nanoparticles through biotin–avidin interaction. European Journal of Pharmaceutical Sciences, Volume 46, Issue 5, 2012, Pages 537–544
- 23. POLY (LACTIC ACID) SYNTHESI S PROPRIETI ES PROCESSING CONTENTS ECONOMIC POTENTIAL CONCLUSIONS BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS Delivery Systems: Case Studies • To overcome the low delivery efficiency of the therapeutic DNA PLGA nanoparticles for genetic diseases • To modify the polymeric matrix by adding a hydrophilic part Incorporation of monomeric substrates : PEG • Mucoadhesivity, biodegradability, ability to enhance the penetration of large molecules across mucosal surfaces. Incorporation of monomeric substrates : Polysaccharide CS • To obtain not only cationic particle but also with uniform size and spherical shape Incorporation of monomeric substrates and mixture with PVA • To generate materials able to interact with polar substrates Surface modification of PLA nano/microparticles • For the magnetic drug targeting Incorporation of magnetic compounds (based on iron oxides) • To overcome the injectable microspheres or implant systems drawbacks Hybrid PLA-based materials
- 24. POLY (LACTIC ACID) SYNTHESI S PROPRIETI ES PROCESSING CONTENTS ECONOMIC POTENTIAL CONCLUSIONS BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS PLA: Other Biomedical Applications Wound treatment: Fracture fixation: • Applications : fixation rods, plates, pins, screws, sutures in orthopedics and dentistry; • Surgical sutures: VICRYL - based on PGA/PLA copolymers; • PLLA fibers not suitable for sutures: slow degradation rate but used as stents in cardiovascular and urological surgery. http://www.hongjianbio.com/en/about.asp www.cantaertaxel.be
- 25. POLY (LACTIC ACID) SYNTHESI S PROPRIETI ES PROCESSING CONTENTS ECONOMIC POTENTIAL CONCLUSIONS BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS PLA: Other Biomedical Applications Dermatological treatments : • Lipodystrophy : Active antiretroviral therapy containing protease inhibitors or nucleoside reverse transcriptase inhibitors for HIV patients; • Sculptra PLLA: The first injectable facial “volumizer” and with the stimulation of the fibroblastic activity, generates connective tissue fibers; • PLA - to treat scars due to acne, traumas, surgeries and sutures; • PLLA injectable microspheres: -To filling in facial reconstructive surgery; -Embolic material in transcatheter arterial embolization to manage arteriovenous fistula and malformations, massive hemorrhage, and tumors. http://www.celebcosmeticsurgery.com/category/sculptra/
- 26. POLY (LACTIC ACID) SYNTHESI S PROPRIETI ES PROCESSING CONTENTS ECONOMIC POTENTIAL CONCLUSIONS BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS PLA: Other Applications http://polymerinnovationblog.com/poly-lactic-acid-pla-is-gaining-traction-in-the-market/ Economically and biodegradable material for packaging : The most important market
- 27. POLY (LACTIC ACID) CONTENTS CONCLUSIONS SYNTHESI S PROPRIETI ES PROCESSING ECONOMIC POTENTIAL BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS GLOBAL POLYLACTIC ACID (PLA) MARKET SHARE FOR 2012 Global market of Lactic Acid is dominated by North America Mainly in Industrial applications http://www.plastemart.com/PrintFile.asp?LiteratureId=1694&REF=/webtech/upload/literature/global-lactic-acid-PLA-market-pie-chart-world-consumption-lactic-acid-polyethylene-terephthalate.asp http://www.gii.co.jp/report/arm256244-polylactic-acid-pla-global-market-watch.html
- 28. POLY (LACTIC ACID) CONTENTS CONCLUSIONS SYNTHESI S PROPRIETI ES PROCESSING ECONOMIC POTENTIAL BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS It is expected that Europe will be the most dominant market and Asia- Pacific, the fastest growing market www.marketsandmarkets.com
- 29. POLY (LACTIC ACID) CONTENTS CONCLUSIONS SYNTHESI S PROPRIETI ES PROCESSING ECONOMIC POTENTIAL BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS THE AMERICAS: USA, BRAZIL, CANADA AND REST OF THE AMERICAS EUROPE: GERMANY, UNITED KINGDOM, THE NETHERLANDS, BELGIUM, FRANCE AND REST OF EUROPE ASIA-PACIFIC: JAPAN, CHINA, SOUTH KOREA, AUSTRALIA, INDIA AND REST OF ASIA-PACIFIC Restrictions Shortage of major suppliers High-quality of L-lactic acid REST OF THE WORLD
- 30. POLY (LACTIC ACID) CONTENTS CONCLUSIONS SYNTHESI S PROPRIETI ES PROCESSING ECONOMIC POTENTIAL BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS NatureWorks LLC (US) Purac (Netherlands) GmBH (Germany) MAJOR COMPANIES Henan Jindan (China) Archer Daniels Midland Company (US)
- 31. POLY (LACTIC ACID) CONTENTS CONCLUSIONS SYNTHESI S PROPRIETI ES PROCESSING BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS ECONOMIC POTENTIAL Renewability Can help to alleviate the energy crisis and reduce the dependence on fossil fuels Biocompatibility Degraded by simple hydrolysis of the ester bonds which prevents inflammatory reactions Processability Good thermal proprieties, it can be processed by film casting, extrusion, blow molding, injection molding and fiber spinning Energy saving Significant reductions in air and water pollution , 25-55% less fossil energy than petroleum-based polymers Advantages:
- 32. POLY (LACTIC ACID) CONTENTS CONCLUSIONS SYNTHESI S PROPRIETI ES PROCESSING BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS ECONOMIC POTENTIAL Slow degradation rate It can prevent its biomedical and food packaging applications Brittleness < than 10% elongation at break Unsuitable for mechanical performance applications Limited gas barrier proprieties Prevent its complete access to industrial sectors such as packaging Strongly hydrophobic In tissue engineering, its low affinity with cells can induce an inflammatory response Disadvantages:
- 33. POLY (LACTIC ACID) CONTENTS CONCLUSIONS SYNTHESI S PROPRIETI ES PROCESSING BIOMEDICAL AND OTHER APPLICATIONS ECONOMIC POTENTIAL • High cost, low availability and limited molecular weight • Surface modification; • Introduction of components; • Optimizing LA and PLA manufacturing processes; • Increasing demand. In the present: • Promising results that cannot be generalized to the biomedical applications : experiments in vitro; • Advances: Chance to increase associations between the proprieties and functionalities of PLA with the biological systems: cell adhesion, biological responses and biodegradability. Next objectives: • Prove to companies based on petrochemicals, the advantages of the PLA; • Overcome its drawbacks with some modifications of the bulk and surface proprieties.
- 34. Novel and economical technologies are being explored and improved with large expectations of revolutionizing the world of biomedicine and a wide range of products can be marketed in the future, with a great success THANKS FOR THE ATTENTION! Follow us: http://biomedeeks.blogspot.pt/
Hinweis der Redaktion
- Ao longo da apresentação iremos falar do Ácido Poliláctico em geral, dando uma pequena introdução, e explicando brevemente a sua síntese, propriedades e processamento. Seguidamente iremos focar-nos nas aplicações biomédicas, nomeadamente na engenharia de tecidos e sistemas de libertação controlada, mas também iremos falar de outros tipos de aplicações de sucesso deste polímero. Posteriormente mencionaremos o potencial económico do PLA e retiraremos as respectivas conclusões.
- Para enquadrar o nosso tema, falaremos primeiramente acerca de polímeros biodegradáveis. A biodegradabilidade é a capacidade de um material ser degradado sob a ação de elementos vivos. Portanto, este tipo de polímeros diz respeito a todos aqueles que derivam de polímeros naturais e que são encontrados em todos os organismos. Estes podem ser classificados em 2 grupos: os agropolímeros, de origem agrícola ou da biomassa, como os polissacáridos e proteínas; ou poliésteres biodegradáveis como o ácido poliláctico, de origem biotecnológica; polihidroxi alcanoato, de origem microbiana; e copoliesteres aromáticos e alifáticos, que derivam do petróleo. Entre todos estes polímeros, o ácido poliláctico tem captado a atenção de muitos cientistas como um potencial biopolímero usado como substituto para plásticos convencionais baseados no petróleo.
- Nesta primeira imagem, está esquematizada então, a família dos poliésteres, ou seja, todos os polímeros com um grupo funcional éster na cadeia principal, onde podemos destacar o nosso polímero em estudo, que pertence à família dos poliésteres alifáticos, que são lineares ou ligeiramente ramificados, como é o caso. Como é possível verificar, de entre todos os outros polímeros, o PLA destaca-se dos demais como sendo o único polímero sintético renovável. Na segunda figura podemos verificar a estrutura molecular deste mesmo composto.
- O PLA deriva do ácido láctico que é uma molécula quiral, o que na química orgânica diz respeito a objetos não sobreponíveis à sua própria imagem no espelho. Sendo assim este ácido existe sob a forma de dois isómeros: L e D. Como podemos ver na imagem. Sendo assim, quando falamos em ácido poliláctico, não falamos numa só molécula, mas sim, numa família de polímeros: PLLA, PDLA, PDLLA, cujas características serão explanadas seguidamente. É de realçar que entre essas moléculas, o isómero L constitui a principal fracção de PLA, pois é um metabolito biológico derivável de recursos biológicos e renováveis.
- Falando agora dos percursores do ácido poliláctico. A unidade básica deste polímero como pudemos ver, é o ácido láctico. Esta molécula pode ser produzida através de fermentação láctea ou através de reacção química em laboratório. O ácido láctico produzido por síntese química, é baseado na hidrólise da lactonitrila (que é um solvente e intermediário do acido láctico) por um ácido forte, produzindo uma mistura racémica dos dois isómeros. Porém, cerca de 90% do total do ácido láctico produzido provém da fermentação bacteriana e a parte restante é produzida sinteticamente pelo processo de reacção química. Os processos de fermentação podem ser classificados de acordo com o tipo de bactéria que é usado. Pode ser heterofermentativa e produz ácido láctico com quantidades significativas de metabolitos (dióxido de carbono, ácido acético, etanol, glicerol e manitol), ou homofermentativa, com rendimentos mais elevados de ácido láctico e de menores níveis de metabolitos.
- Como grande parte do ácido láctico é feito por fermentação, podemos acrescentar que as matérias-primas principais para o fabrico do percursor monomérico do acido poliláctico consistem em: Açúcares básicos, como a glucose e a maltose, a partir do milho e da batata; ou sacarose a partir da cana do açúcar. Uma outra fonte de carbono pode ser também a partir de uma bactéria presente no açúcar do leite. As condições de processamento são um pH ácido próximo de 6, uma temperatura de cerca de 40 ° C e uma baixa concentração de oxigénio. Na figura podemos verificar o ciclo do PLA, que começa com as matérias-primas que já mencionamos; e para obtermos o ácido láctico, o método principal de separação consiste em adicionar carbonato de cálcio, hidróxido de cálcio ou de magnésio, entre outros para neutralizar o ácido de fermentação e para dar soluções de lactato solúveis, que são filtradas para remover tanto as células (biomassa) como os produtos insolúveis. O produto é então evaporado, cristalizado, e acidificado com ácido sulfúrico para se obter o ácido láctico bruto. As etapas seguintes serão explicadas mais à frente.
- A síntese de PLA começa a partir da produção do ácido láctico e termina com a sua polimerização. Para este processo, existem três métodos principais, a policondensação directa do ácido lactico, a polimerização por abertura do anel láctico,, que são as rotas mais comuns, e por métodos diretos, como a desidratação azeotrópica, como podemos ver na figura 2.
- A polimerização por condensação é o método menos dispendioso e produz polímeros de baixo peso molecular e frágeis que não podem ser utilizados se não houverem agentes externos para aumentar o comprimento da cadeia. Este método tem três fases, a remoção da água livre; a policondensação do oligómero e a condensação por fusão do PLA de elevado peso molecular. Na primeira e terceira fases, a remoção de água é o passo determinante. Para a segunda etapa, o passo determinante é a reacção química, a qual depende do catalisador utilizado.
- As vantagens principais de policondensação são o baixo custo e fácil de controlo, mas as desvantagens são as reacções à temperatura, o tempo de reacção, a catálise, a pressão e a susceptibilidade a impurezas do solvente. Estes parâmetros podem influenciar fortemente o peso molecular do produto final
- Na desidratação azeotrópica, não são necessários extensores de cadeia ou adjuvantes e que pode obter-se directamente PLA de alto peso molecular, o que é vantajoso. O próximo passo é a adição do catalisador e éter difenílico, e a ligação de um tubo n o recipiente de reacção para o retorno de refluxo do solvente. Em seguida, o PLA é purificado. Por este método, as desvantagens são os resíduos catalíticos, que são tóxicos e podem causar a degradação e hidrólise, que apresenta muitas desvantagens em aplicações biomédicas.
- O último processo, é a polimerização por abertura do anel láctico (ROP) e é o principal e o método mais usual para síntese de PLA. Esta é uma via eficaz para o fabrico de PLA com elevado peso molecular e ocorre por abertura do anel do láctico com um catalisador. Este processo pode ser realizado como uma polimerização em massa, emulsão, dispersão ou solução. É necessário um iniciador para começar a polimerização. E o octato de estanho é o preferido porque oferece altas velocidades de reacção, alta taxa de conversão, e pesos moleculares elevados. Esta polimerização é afectada por diferentes parâmetros, tais como a temperatura de polimerização e do tempo, a proporção de monómero / catalisador e do tipo de catalisador. É também importante mencionar que o comprimento da cadeia é controlado pelas impurezas OH. É possível controlar a taxa e a sequência de unidades D-e L- no polímero final por monitorização do tempo e temperaturas em combinação com um catalisador e concentração.
- Quanto às propriedades do PLA, os dois isómeros do ácido láctico, D e L, ou a mistura de ambos, são necessárias para a síntese do PLA. O homopolímero do ácido láctico é um pó branco, à temperatura ambiente com valores de temperaturas de transição e de fusão de 55 e 175º, respectivamente O Ácido Poliláctico de alto peso molecular é um material incolor, brilhante e um termoplástico rígido, com propriedades semelhantes ao poliestireno. As características físicas como a densidade, capacidade térmica e propriedades mecânicas e reológicas do PLA estão dependentes das suas temperaturas de transição. Para o PLA amorfo, esta temperatura é o parâmetro principal já que alterações dramáticas na mobilidade da cadeia do polímero têm lugar acima dessa mesma temperatura. O PLA tem uma propriedade importante, quanto à sua degradabilidade. Este degrada-se primeiramente por hidrólise, e essa degradação ocorre em duas etapas principais: - 1- Cisão dos grupos de ésteres na cadeia não enzimática aleatória, que leva à redução do peso molecular; - 2- Seguidamente o peso molecular é reduzido até o ácido láctico e os oligómeros de baixo peso molecular serem naturalmente metabolizados por microorganismos para produzir CO2 e água.
- Os dois isómeros do ácido láctico podem produzir quatro materiais distintos: PDLA, que é um material cristalino com uma estrutura regular de, o PLLA, que é semi cristalino, e do mesmo modo com uma estrutura regular; o PDLLA, que é amorfo, e o meso-PLA, obtido pela polimerização do láctido meso. O PDLA, PLLA e PDLLA são solúveis em solventes comuns, como o benzeno, clorofórmio, dioxano, etc, e degradam por hidrólise simples da ligação éster. O isómero L constitui a fracção principal do PLA, pois deriva de fontes renováveis, uma vez que a maioria do ácido láctico que provém de fontes biológicas existe nesta mesma forma.
- Na tabela podemos verificar o que foi explicado anteriormente, e outras caracteristicas, como a temperatura de fusão, que é aproximadamente 180º para o PDLA E PLLA, já o PDLLA como é amorfo, não tem uma temperatura de fusão definida. O mesmo sucesse na temperatura de transição, alongamento e resistência à rotura. O tempo médio de vida é também maior para os primeiros polímeros em relação ao último. Uma outra característica de realçar é a cristalização do PLA que pode suceder-se em 3 formas distintas, porém é a forma alfa a que tem uma maior estabilidade e maior temperatura de fusão. Uma propriedade importante do PLA é também a quantidade do PLLA, que caso seja maior a 90% no material, este tem uma grande tendência a ser cristalino. Porém, com o decréscimo de PLLA a temperatura de fusão e de transição também diminuem, e o material tem tendência a ser amorfo.
- A taxa de degradação do polímero é essencialmente determinada pelos catalisadores usados e a reactividade do polímero com a água. E os factores que afectam essa mesma reactividade podem ser: O tamanho e forma das particulas, a temperatura, a humidade, cristalinidade, percentagem isomérica, entre outros.
- Quanto ao processamento, os principais processos de conversão do PLA em produtos passíveis de serem utilizados, são baseados em processos de fusão, que implicam o aquecimento do polímero acima da sua temp. de fusão, seguida da sua modelação até à forma desejada e o posterior arrefecimento até as dimensões serem estabilizadas. Exemplos de processos de fusão para o PLA são o Thermoforming; Injection molding; Fiber drawing; Film blowing; Bottle blowing; Extrusion coating, entre outros, associados ao método essencial que é a extrusão, que podemos ver na figura. Associados às diversas técnicas de processamento, estão algum parâmetros essenciais a ter em consideração, como a temperatura, tempo, humidade, atmosfera. Mas o problema principal está na limitada estabilidade térmica durante a fusão, e para ultrapassar este obstáculo e dar novas propriedades ao polímero, uma variedade de materiais multifásicos têm sido desenvolvidos, ao misturar o PLA com outros produtos.
- Como sabemos, os principais requisitos para um biomaterial ser passível de ser usado em aplicações médicas inclui a biocompatibilidade, esterilizabilidade, não toxicidade e eficácia. A combinação do biomaterial com a função para a qual ele é projectado sem respostas indesejáveis, constitui a biocompatibilidade e os materiais com esta característica, podem ser considerados, biodegradáveis, se permanecem temporariamente no corpo e desaparecem após degradação ou não biodegradáveis, se permanecem no corpo a longo termo, e requerem maior biocompatibilidade. A maior vantagem dos materiais biodegradáveis sobre os não biodegradáveis consiste na não remoção de implantes. Entre os polímeros biodegradáveis sintéticos, os mais comuns em aplicações médicas são o PGA, PDS e o PLA. Este último é o mais promissor entre estes polímeros devido às suas propriedades mecânicas e tem sido usado em muitas aplicações médicas com sucesso e aprovado em vários países.
- A aplicação do PLA na medicina vem desde 1966, quando descobriram que o PLLA tinha respostas não tóxicas nos tecidos quando implantados em ratos e porcos. Mais tarde em 1971, reportaram a aplicação do PLA em suturas e materiais de fixação ortopédicos. Hoje em dia, as principais aplicações médicas deste polímero são, em implantes cirúrgicos, libertação controlada e também em scaffolds porosos para o crescimento de tecidos e devido à sua lenta degradação, o polímero pode ser misturado ou copolimerizado com outros componentes de forma a aumentar a taxa de degradação. Na imagem, podemos ver as principais aplicações médicas de que vamos falar, com maior vigor na engenharia de tecidos e libertação controlada.
- Quanto ao campo da engenharia de tecidos, este polímero foi desenvolvido para melhorar e desenvolver funções biológicas e está intimamente associado a métodos de reconstrução de tecidos vivos pela combinação de células e biomateriais. Esta associação fornece um scaffold, uma estrutura de suporte temporária onde as células podem proliferar tridimensionalmente e sob as mesmas condições fisiológicas. A principal vantagem da engenharia de tecidos sobre a transplantação é que não é necessário um dador e assim não há o problema de rejeição. Um scaffold adequado deve ser biocompatível e ter uma boa integração com os tecidos nativos, ser poroso e ter um tamanho de poros e distribuição adequados para a remoção de resíduos e para permitir o crescimento de células e tecidos. Em adição, deve ser biodegradável e mecanicamente apto para suportar stresses locais e estruturais. Nem todos os biomateriais têm a capacidade de ser usados neste campo, por exemplo, embora alguns metais tenham boas propriedades mecânicas e consequentemente sejam usados como implantes biomédicos, eles não são vantajosos para scaffolds devido á falta de degradabilidade. Os cerâmicos também são limitados e apesar da sua boa osteocondutividade e posterior mineralização, têm uma pobre processabilidade em estruturas porosas. Alguns poliésteres alifáticos, como o PLA e seus copolimeros, devido à sua estrutura e propriedades podem ser usados como scaffolds. Esses polímeros são aprovados pela FDA no campo biomédico, mas tal como os outros materiais têm algumas desvantagens como a sua baixa taxa de degradação, hidrofobicidade e a falta de grupos funcionais, o que condiciona a adesão celular.
- Alguns estudos foram relatados acerca do uso do PLA na Eng. Tecidos: Há estudos que envolveram células estaminais osteogénicas semeadas em scaffolds de PLA e implantadas em defeitos ósseos ou subcutaneamente, o que permitiu o desenvolvimento de processos de ossificação tanto endocondral como intramembranosa. Devido à alta resistência da malha de PLLA, foi possível criar estruturas 3D dos mais diversos tipos. Algumas pesquisas também mostraram que os materiais híbridos baseados em PLA são particularmente promissores e têm sido testados com sucesso em muitos tecidos como pulmões, fígado, cartilagem e adiposo. Materiais com quitosano e PLGA com imobilização por heparina são um exemplo de um scaffold novo que tem sido clinicamente testado. A introdução do quitosano melhora a fixação de biomoléculas. Estes scaffolds mostraram um efeito estimulatorio na diferenciação celular e podem ser usados também na regeneração óssea. Outra aplicação foi em scaffolds 3D como matrizes sintéticas extracelulares que permitiram a proliferação celular e secreção enquanto o scaffold degradou gradualmente. Esses scaffolds normalmente consistem em compósitos poliméricos e cerâmicos, como matrizes poliméricas revestidas com biovidros, fosfatos de cálcio, vidros cerâmicos, que combinam as vantagens de ambos os materiais. Os scaffolds fibrosos 3D por electrospun têm também sido estudados para a regeneração óssea. A técnica electrospinning usa uma carga elétrica para construir micro e nano fibras através de um liquido de PLLA. Estes têm sido reportados com um alto nível de proliferação de osteoblastos e um substrato favorável para a infiltração celular e formação óssea. Na cartilagem, as matrizes baseadas em colagénio e acido hialoronico estão entre os scaffolds mais usados nos dias de hoje, devido aos seus substratos que são normalmente essenciais na cartilagem nativa. O PLA é usado em alguns casos como copolimeros PGA/PLA, por uma companhia alemã- biotissue technologies. Porém, para além dos recentes desenvolvimentos, os materiais à base de PLA têm ainda a grande limitação que é o risco de resposta imune e transmissão de doenças.
- Os sistemas de libertação controlada são métodos e processos de administração bioactiva de compostos para alcançar efeitos terapêuticos. Em contraste com muitos materiais, que têm sido testados para este tipo de aplicação e com o objectivo de minimizar os riscos, o PLA pode ser considerado um bom componente pela sua biocompatibilidade, resistência mecânica, processabilidade térmica, solubilidade em solventes orgânicos e habilidade para produzir partículas de dosagem pequenas como microcápsulas, micro e nanopartículas para a sua possível penetração em barreiras biológicas. Essas cápsulas são compostas por uma parede poliméricas contendo internamente um núcleo onde a droga é encapsulada. Tal como na Engª tecidos, alguns materiais à base de PLA têm sido aprovados pela FDA neste campo, apesar de algumas limitações como as suas pobres propriedades químicas para promover a interação celular, a restrita libertação de moléculas hidrofilicas como proteínas e a baixa eficiência de encapsulação. Para ultrapassar esses obstáculos, medidas como grandes dosagens, administração para sítios específicos e introdução de grupos funcionais nestes materiais torna se necessária.
- Alguns casos de estudo foram por exemplo para doenças genéticas, em que as nanopartículas de PLGA foram exploradas com o objetivo de ultrapassar o maior obstáculo no uso de ácidos nucleicos: a baixa eficiência de entrega de DNA terapêutico ao sitio de doença. No contexto da incorporação de substratos monomérico em materiais baseados em PLA, o PEG é considerado um dos polímeros mais promissores e tem sido impregnado em muitas aplicações comerciais. Esta incorporação contribui para a modificação da matriz polimérica pela adição de uma parte hidrofilica que pode alterar as propriedades físico químicas dos segmentos hidrofóbicos de PLA. (O PEG tem sido o mais efectivo devido à sua flexibilidade de cadeia, neutralidade elétrica e ausência de grupos funcionais que evitam interações indesejáveis com componentes biológicas in vivo, formando uma capa protectora na superfície da partícula.) Outra alternativa válida ao PEG é o uso de polissacarídeos que fornecem grupos OH e um carácter hidrofilico às nano e micro partículas. (Estes têm sido reconhecidos pela sua muco adesividade, biodegradabilidade e habilidade para aumentar a penetração de grandes moléculas através de superfícies.) Porém, muitos estudos concluíram que não há formação de nanopartículas quando estes compostos actuam sozinhos, pelo que a melhor escolha é uma mistura com PVA de modo a obter não só partículas cationicas como um tamanho uniforme mas também uma forma esférica. Os melhores substratos, para induzir alterações em nano e micro partículas de PLA são então o PVA, PEG e CS. A modificação de superfície destes materiais é outra estratégia para gerar materiais possíveis de interagir com substratos polares. Neste contexto, tem uma especial atenção a incorporação de componentes magnéticos, baseados em óxidos de ferro, nas partículas, com muita aplicabilidade na entrega magnética de drogas. O objectivo deste tipo de libertação, é transportar a quantidade desejável de droga para o sítio desejável e a libertação a uma taxa controlada. Nos últimos desenvolvimentos, versões híbridas de PLA têm sido potenciadas, mas muitas questões continuam a ser levantadas como a presença de surfactantes ou estabilizadores nas micropartículas necessárias para armazenar as ligações do antigénio e estabilidade coloidal.
- No tratamento de feridas, os materiais mais comuns para a sua aplicação são nanopartículas de prata e quitosano devido a sua elevada actividade intrínseca contra um largo espectro de bactérias. Para fixação de fraturas, os metais ainda são os materiais mais populares. No entanto, existem algumas desvantagens, tais como stress acumulado nos tecidos, hipersensibilidade, restrição de crescimento, a dor, a corrosão, e interferência com técnicas de imagiologia. A fim de atenuar todos estes inconvenientes, o PLA tem sido alvo de diversos estudos devido à sua força satisfatória durante a cura do tecido ósseo e da degradação. As aplicações do PLA como materiais de fixação, placas, parafusos, suturas, entre outros, em ortopedia e odontologia também tem aumentado. Suturas cirúrgicas são filamentos de fecho de feridas fabricadas de várias formas. O PLA foi aprovado pela FDA para a utilização como um material de sutura. Um exemplo de um produto comercial para este tipo de aplicações clínicas é o material de sutura VICRYL, com base em copolimeros PGA / PLA . Devido à sua taxa de degradação lenta, fibras de PLLA não são adequadas para suturas, mas em aplicações que necessitam de uma retenção longa da força, tal como ligamentos e reconstrução de tendões, e stents para a cirurgia vascular e urológica, fibras de PLLA são o material preferido.
- No campo dos tratamentos dermatológicos, a lipodistrofia está associada com o uso de uma terapia antiretroviral altamente ativa para pacientes com HIV. O Sculptra de PLA foi o primeiro "volumizador" facial injectável no tratamento da síndrome e que actua com a estimulação da actividade de fibroblastos, gerando fibras de tecido conjuntivo. O PLA também pode tratar cicatrizes devido à acne, traumas, cirurgias e suturas. Por exemplo, o PLLA pode ser aplicado sob a forma de microesferas injectáveis para enchimento na cirurgia de reconstrução facial. Estas microesferas podem também ser utilizadas como um material embólico na embolização transcateter arterial, que é um método eficaz para tratar fístulas artério-venosas e malformações, hemorragia, e tumores.
- Fora do campo médico, actualmente, materiais à base de PLA também são aplicados na indústria têxtil (principalmente no Japão) e nas embalagens (por exemplo, embalagem de alimentos) de mercado. O PLA é considerado um material de embalagem economico e é o mais importante mercado em embalagens biodegradáveis. Uma das primeiras empresas a usar PLA como material de embalagem foi a Danone em copos de iogurte e durante os últimos anos, a aplicação deste material tem aumentado em todo EUA, Japão e Europa, principalmente na embalagem de produtos frescos. Atualmente, este polímero pode ser encontrado em recipientes, copos, embalagens para doces, filmes de laminação, pacotes de bolhas, garrafas de água e papelões. Para esse mercado, principalmente as desvantagens são limitadas as propriedades mecânicas e de resistência ao calor.
- Recentemente, o PLA ganhou muita popularidade entre os plásticos biodegradáveis que estão disponíveis no mercado. No futuro, espera-se que a sensibilização em relação às questões ambientais da utilização de materiais plásticos convencionais que causem um aumento no mercado de ácido láctico e PLA. Estatisticamente, o mercado mundial de ácido lático é dominado pela América do Norte, sendo responsável por 35,8% do mercado global em 2010. A Europa e Ásia-Pacífico são os mercados segundo e terceiro maiores para o ácido láctico; respondendo por 29,9% e 29,2% do mercado global, respectivamente, em 2010. As Aplicações industriais são as maiores para o ácido láctico, o que representa 42,4% do mercado global em 2010. As Aplicações industriais superaram as aplicações nos alimentos e bebidas como aplicação líder para o consumo de ácido láctico. Este tem sido principalmente um resultado de um forte crescimento no PLA e mercados em que o ácido láctico é a principal matéria-prima.
- Alguns pesquisadores estimam a capacidade global deste biopolímero nos próximos anos. Espera-se que a Europa será o mercado mais dominante e Ásia-Pacífico, o mercado de crescimento mais rápido nos próximos cinco anos, devido a sua demanda interna significativa.
- Um desafio para as indústrias que produzem este material é aumentar as competências e as alternativas em relação à eficiência de custos. No entanto, este mercado tem algumas restrições quanto ao fornecimento, devido à escassez de grandes fornecedores numa plataforma global e mais alta qualidade do ácido L-láctico é necessária. Especialmente na região da Ásia-Pacífico, os intervenientes no mercado estão a aumentar as suas capacidades de produção, principalmente devido a sua abundância de matérias-primas como cana de açúcar , beterraba e mandioca para a produção de ácido láctico. Em 2011, a capacidade de ácido láctico total na China chega a 385 mil t / ano, foi de milhões de toneladas, respectivamente. O mercado PLA está previsto para muitas regiões geográficas, como América do Norte, Europa, Ásia-Pacífico, e em algumas regiões-chave de crescimento, como o Brasil. Os principais países produtores são EUA, Reino Unido, China e Japão.
- Em termos de volumes, receita, desenvolvimentos, estratégias e principais aplicações deste biopolímero, as principais empresas que nos próximos anos continuará a liderar são NatureWorks LLC (EUA), Purac (Holanda), bioplásticos Pirâmide Guben GmbH (Alemanha), Archer Daniels Midland Company (EUA), e Henan Jindan (China).
- As vantagens mais atraentes que distinguem PLA dos polímeros mais comuns são renovabilidade, processabilidade, biocompatibilidade e economia de energia. Primeiro de tudo, o PLA é um termoplástico de alta resistência e alto módulo ,derivado de fontes renováveis e biodegradáveis, como milho e arroz, o que pode ajudar a aliviar a crise de energia, bem como reduzir a dependência de combustíveis fósseis da nossa sociedade. Também é degradado por hidrólise simples das ligações de éster, que não requerem a presença de enzimas e, por sua vez evita reacções inflamatórias. Os produtos hidrolíticos da degradação são em seguida transformados em subprodutos não tóxicos que são eliminados através da actividade celular normal e na urina, tornando-o um material óptimo para aplicações biomédicas. Além do mais, este polímero tem boas propriedades térmicas e, assim, ele pode ser processado por variadas tecnicas. Este processamento térmico é maior do que em outros biomateriais, tais como (PEG), (PHA) e (PCL), contribuindo para a aplicação em têxteis e embalagem de alimentos. Finalmente, a produção de PLA consome menos 25-55% da energia fóssil que os polímeros à base de petróleo que irão conduzir a reduções significativas nA poluição da água e ar e a quantidade total de água requerida para a produção de PLA também é competitivo.
- No entanto, confrontado com muitos requisitos para certas aplicações, PLA tem algumas desvantagens como a sua taxa de degradação lenta por meio de hidrólise dos grupos éster que pode levar vários anos e pode impedir as suas aplicaçoes biomédicas e aplicações em embalagem de alimentos. Outro obstáculo, a menos que seja adequadamente modificado, é a fragilidade do polímero, com alongamento de menos de 10% à ruptura, não é adequado para aplicações exigentes de desempenho mecânico. O PLA é também fortemente hidrofobico e quando é aplicado como um material de engenharia de tecidos, devido à sua baixa afinidade com as células, pode induzir uma resposta inflamatória dos tecidos e hospedeiros vivos. A última limitação é as suas propriedades limitadas como barreira de gases que impedem o seu acesso completo aos sectores industriais, tais como embalagens. A partir deste ponto de vista e considerando seu alto custo, baixa disponibilidade e peso molecular limitado, o PLA não tem recebido a atenção que merece, e é por isso que a modificação da superfície, a introdução de outros componentes, ou controlo de propriedades tem sido examinado.