MIT badacze opracowali przyjazną dla środowiska alternatywę dla szkodliwych mikrogranulków stosowanych w niektórych produktach zdrowotnych i kosmetycznych.
Te nowe polimery rozkładają się na nieszkodliwe cukry i aminokwasy i mógłby również zawierać składniki odżywcze w celu wzbogacenia żywności, co jest obiecujące zarówno w zastosowaniach kosmetycznych, jak i odżywczych.
Rozwiązania biodegradowalne opracowane przez MIT
Mikroplastiki to maleńkie cząsteczki tworzyw sztucznych, które stanowią poważne zagrożenie dla środowiska i występują niemal wszędzie na Ziemi. Pochodzą one z rozkładu przedmiotów codziennego użytku, takich jak opony, odzież i plastikowe opakowania. Innym kluczowym źródłem są maleńkie plastikowe koraliki powszechnie dodawane do środków czyszczących, kosmetyków i innych produktów kosmetycznych.
Aby stawić czoła temu narastającemu problemowi, inżynierowie chemicy z MIT opracowali biodegradowalne materiały, które mają zastąpić plastikowe kulki w produktach kosmetycznych. Te przyjazne dla środowiska polimery w naturalny sposób rozkładają się na bezpieczne produkty uboczne, takie jak cukry i aminokwasy.
Znaczenie rozwiązań przyszłościowych
„Jednym ze sposobów złagodzenia problemu mikroplastików jest znalezienie sposobu na oczyszczenie istniejących zanieczyszczeń. Ale równie ważne jest, aby patrzeć w przyszłość i skupiać się na tworzeniu materiałów, które w pierwszej kolejności nie będą wytwarzać mikroplastików” – mówi Ana Jaklenec, główna badaczka w Instytucie Koch Institute for Integrative Cancer Research w MIT.
Cząstki te mogłyby znaleźć także inne zastosowania. W nowym badaniu Jaklenec i jej współpracownicy wykazali, że cząstki te można wykorzystać do kapsułkowania składników odżywczych, takich jak witamina A. Wzbogacanie żywności kapsułkowaną witaminą A i innymi składnikami odżywczymi może pomóc niektórym z 2 miliardów ludzi na całym świecie cierpiących na niedobory składników odżywczych.
Jaklenec i Robert Langer, profesor Instytutu MIT i członek Instytutu Kocha, są głównymi autorami artykułu, który został opublikowany 6 grudnia w czasopiśmie Inżynieria chemiczna przyrody. Głównym autorem artykułu jest Linzixuan (Rhoda) Zhang, absolwentka inżynierii chemicznej na MIT.
Wyzwania badawcze i rozwojowe
W 2019 roku Jaklenec, Langer i inni zgłosili materiał polimerowy, który według nich można wykorzystać do kapsułkowania witaminy A i innych niezbędnych składników odżywczych. Odkryli również, że u osób spożywających chleb z mąki wzbogaconej żelazem kapsułkowanym stwierdzono podwyższony poziom żelaza.
Jednak od tego czasu Unia Europejska sklasyfikowała ten polimer, znany jako BMC, jako mikroplastik i objęła go zakazem, który zaczął obowiązywać w 2023 r. W rezultacie Fundacja Billa i Melindy Gatesów, która sfinansowała oryginalne badania, zapytał zespół MIT, czy mógłby zaprojektować alternatywę, która byłaby bardziej przyjazna dla środowiska.
Innowacyjny projekt materiału
Naukowcy pod przewodnictwem Zhanga zajęli się rodzajem polimeru opracowanym wcześniej w laboratorium Langera, znanym jako poli(beta-aminoestry). Polimery te, które okazały się obiecujące jako nośniki genów i inne zastosowania medyczne, ulegają biodegradacji i rozkładają się na cukry i aminokwasy.
Zmieniając skład elementów budulcowych materiału, badacze mogą dostosować takie właściwości, jak hydrofobowość (zdolność do odpychania wody), wytrzymałość mechaniczną i wrażliwość na pH. Po stworzeniu pięciu różnych kandydatów zespół MIT przetestował je i zidentyfikował taki, który wydaje się mieć optymalny skład do zastosowań w postaci mikroplastików, w tym zdolność do rozpuszczania się pod wpływem środowiska kwaśnego, takiego jak żołądek.
Ochrona i dostarczanie składników odżywczych
Naukowcy wykazali, że mogą wykorzystać te cząstki do kapsułkowania witaminy A, a także witaminy D, witaminy E, witaminy C, cynku i żelaza. Wiele z tych składników odżywczych jest podatnych na degradację pod wpływem ciepła i światła, ale naukowcy odkryli, że gdy są zamknięte w cząsteczkach, mogą wytrzymać wystawienie na działanie wrzącej wody przez dwie godziny.
Wykazano również, że nawet po sześciu miesiącach przechowywania w wysokiej temperaturze i dużej wilgotności ponad połowa kapsułkowanych witamin pozostała nieuszkodzona.
Potencjał w zakresie wzbogacania żywności
Aby wykazać ich potencjał do wzmacniania żywności, naukowcy dodali cząstki do kostek bulionowych, które są powszechnie spożywane w wielu krajach Afryki. Odkryli, że po dodaniu do bulionu składniki odżywcze pozostały nienaruszone po gotowaniu przez dwie godziny.
„Bulion jest podstawowym składnikiem Afryki Subsaharyjskiej i oferuje znaczącą szansę na poprawę stanu odżywienia wielu miliardów ludzi w tych regionach” – mówi Jaklenec.
W tym badaniu naukowcy przetestowali także bezpieczeństwo cząstek, wystawiając je na działanie hodowanych ludzkich komórek jelitowych i mierząc ich wpływ na komórki. Przy dawkach, które można byłoby zastosować do wzbogacania żywności, nie stwierdzono uszkodzeń komórek.
Bezpieczeństwo i skuteczność w zastosowaniach czyszczących
Aby zbadać zdolność cząstek do zastąpienia mikrokulek często dodawanych do środków czyszczących, naukowcy zmieszali cząstki z pianką mydlaną. Odkryli, że ta mieszanina może znacznie skuteczniej usuwać marker permanentny i wodoodporny eyeliner ze skóry niż samo mydło.
Naukowcy odkryli, że mydło zmieszane z nowym mikroplastikiem było również skuteczniejsze niż środek czyszczący zawierający mikrogranulki polietylenowe. Odkryli także, że nowe cząstki ulegające biodegradacji lepiej absorbują potencjalnie toksyczne pierwiastki, takie jak metale ciężkie.
„Chcieliśmy wykorzystać to jako pierwszy krok, aby zademonstrować, jak możliwe jest opracowanie nowej klasy materiałów, rozszerzenie istniejących kategorii materiałów, a następnie zastosowanie jej do różnych zastosowań” – mówi Zhang.
Bieżące badania i przyszłe kierunki
Dzięki grantowi od Estée Lauder naukowcy pracują obecnie nad dalszymi testami mikrokulek jako środka czyszczącego i potencjalnie do innych zastosowań, a pod koniec tego roku planują przeprowadzić małe badanie na ludziach. Zbierają także dane dotyczące bezpieczeństwa, które można wykorzystać do ubiegania się o klasyfikację GRAS (ogólnie uważaną za bezpieczną) od amerykańskiej Agencji ds. Żywności i Leków i planują badanie kliniczne żywności wzbogaconej tymi cząsteczkami.
Naukowcy mają nadzieję, że ich praca może pomóc w znacznym zmniejszeniu ilości mikroplastiku uwalnianego do środowiska z produktów zdrowotnych i kosmetycznych.
„To tylko niewielka część szerszego problemu mikroplastików, ale jako społeczeństwo zaczynamy zdawać sobie sprawę z powagi problemu. Ta praca stanowi krok naprzód w rozwiązaniu tego problemu” – mówi Jaklenec. „Polimery są niezwykle przydatne i niezbędne w niezliczonych zastosowaniach w naszym codziennym życiu, ale mają wady. To przykład tego, jak możemy zmniejszyć niektóre z tych negatywnych aspektów”.
Odniesienie: „Degradowalne mikrocząstki poli(β-aminoestrowe) do produktów czyszczących i wzbogacania żywności” Linzixuan Zhang, Ruiqing Xiao, Tianyi Jin, Xinyan Pan, Katharina A. Fransen, Shahad K. Alsaiari, Alicia Lau, Ruizhe He, Jooli Han , Benjamin J. Pedretti, Jing Ying Yeo, Xin Yang, Bradley D. Olsen, Alfredo Alexander-Katz, Zachary P. Smith, Robert Langer i Ana Jaklenec, 6 grudnia 2024 r., Inżynieria chemiczna przyrody.
DOI: 10.1038/s44286-024-00151-0
Badania zostały sfinansowane przez Fundację Gatesów i amerykańską Narodową Fundację Nauki.
