Dlaczego P3HB — i dlaczego teraz?
Presja regulacyjna i społeczna na redukcję ilości odpadów plastikowych nie jest już trendem — to trwała zmiana warunków rynkowych. Dyrektywa SUP, rozporządzenie PPWR, rosnące wymagania łańcuchów dostaw w farmacji i branży opakowaniowej tworzą realny popyt na materiały, które są biodegradowalne, biokompatybilne i przemysłowo użyteczne zarazem.
Poli(3-hydroksymaślan) — P3HB — należy do grupy polihydroksyalkanianów (PHA) i od lat jest wymieniany jako jeden z najbardziej perspektywicznych polimerów biodegradowalnych. Naturalnie wytwarzany przez niektóre bakterie jako materiał zapasowy, charakteryzuje się właściwościami fizykochemicznymi zbliżonymi do polipropylenu, lecz z fundamentalną różnicą: ulega pełnej biodegradacji zarówno w środowiskach tlenowych, jak i beztlenowych.
Mimo tych właściwości P3HB przez dekady napotykał na barierę, która skutecznie ograniczała jego zastosowanie przemysłowe. Bariera ta ma charakter materiałowy — i właśnie ją przełamaliśmy.
| → Obszary zastosowań: opakowania i folie biodegradowalne, systemy kontrolowanego uwalniania leków (DDS), implanty i rusztowania tkankowe, materiały rolnicze (mulcze, kapsułki nawozowe), elektronika — wszędzie tam, gdzie konwencjonalne tworzywo musi ustąpić materiałowi o określonym czasie życia. |
Problem, który blokował branżę — i nasze rozwiązanie
Kruchość i wąskie okno przetwórcze
P3HB posiada wysoką krystaliczność, co przekłada się na jego kruchość i relatywnie wysoką temperaturę topnienia — niebezpiecznie bliską temperaturze termicznej degradacji polimeru. Zjawisko to opisuje się jako wąskie „okno przetwórcze”: parametry wytłaczania, formowania czy wtrysku muszą być utrzymane w bardzo wąskim przedziale, co w warunkach przemysłowych jest kosztowne i zawodne.
Dotychczasowe próby rozwiązania tego problemu sięgały po plastyfikatory i kopolimery. Skutkowało to jednak utratą jednorodności chemicznej materiału — co zaburza przebieg biodegradacji, obniża stabilność właściwości użytkowych i ogranicza wykorzystanie materiału w zastosowaniach wymagających wysokiej czystości, jak systemy dostarczania leków czy implanty.
Rozwiązanie: l-P3HB jako modyfikator reologii h-P3HB
Zespół badawczy Łukasiewicz – IChP opracował technologię kontrolowanej degradacji biopolimeru wysokocząsteczkowego (h-P3HB) do jego niskocząsteczkowej formy (l-P3HB). Drastyczna redukcja masy cząsteczkowej — z wartości powyżej 200 kDa do poniżej 10 kDa — pozwala uzyskać frakcję, która pełni rolę modyfikatora reologii.
l-P3HB pochodzi z tego samego polimeru co matryca — nie jest obcą substancją. Oznacza to, że układ zachowuje pełną jednorodność chemiczną. Jednocześnie obecność frakcji niskocząsteczkowej zakłóca uporządkowaną strukturę krystaliczną h-P3HB, obniżając temperatury przemian fazowych, redukując podatność na wtórną krystalizację i znacząco poszerzając okno przetwórcze.
| Efekt: materiał bardziej elastyczny, łatwiejszy w przetwórstwie i w pełni jednorodny chemicznie — bez konieczności stosowania zewnętrznych dodatków. Innowacja jest chroniona zgłoszeniami patentowymi krajowymi (P.443234, P.443240, PL443241) oraz europejskim (WO2024136685). |
Jak wygląda proces — co odróżnia tę technologię?
Zmodyfikowany genetycznie szczep E. coli jako maszyna produkcyjna
Naturalną zdolność do wytwarzania P3HB posiadają jedynie nieliczne mikroorganizmy — m.in. Cupriavidus necator czy Bacillus megaterium. Ich hodowla jest jednak wymagająca procesowo i trudna do skalowania. W technologii opracowanej w Łukasiewicz – IChP gospodarzem jest Escherichia coli — organizm dobrze poznany, łatwy w transformacji, charakteryzujący się wysoką szybkością wzrostu w relatywnie niewymagających warunkach.
Zdolność do produkcji P3HB nadano bakterii E. coli poprzez wprowadzenie plazmidu pIBA-phaCAB zawierającego operon phaCAB z C. necator — trzech genów kodujących enzymy kluczowe dla szlaku biosyntezy polihydroksymaślanu. Zastosowany hybrydowy układ promotorów zapewnia wysoki i stabilny poziom ekspresji niezależnie od warunków hodowli.
Potencjał aplikacyjny — konkretne kierunki
Farmacja i biomedycyna: mikrosfery do kontrolowanego uwalniania leków
Jednym z najbardziej zaawansowanych kierunków zastosowań P3HB, zbadanych w Łukasiewicz – IChP, są systemy kontrolowanego dostarczania substancji czynnych (Drug Delivery Systems, DDS). Potwierdzono możliwość wytworzenia mikrosfer zawierających API technikami emulsyjnymi — zarówno poprzez pojedynczą emulsją olej/woda (o/w), jak i podwójną emulsją woda/olej/woda (w/o/w).
Technika emulsji wielokrotnej pozwoliła uzyskać mikrosfery z zawartością substancji czynnej na poziomie wyższym niż w przypadku emulsji pojedynczej, przy czym ta ostatnia dawała bardziej jednorodny rozkład wielkości cząstek. Obie techniki potwierdzają przydatność P3HB jako nośnika API.
Opakowania i folie: materiał gotowy na regulacje
W branży polimerowej P3HB stanowi odpowiedź na rosnące oczekiwania marek konsumenckich w zakresie end-of-life produktu. W przeciwieństwie do polilaktydu (PLA), który wymaga przemysłowych warunków kompostowania, P3HB biodegraduje w szerokim spektrum środowisk — glebowym, wodnym, beztlenowym.
Dzięki zastosowaniu l-P3HB, jako modyfikatora h-P3HB możliwe jest poszerzenie okna przetwórczego tego materiału, co pozwala wytłaczać folie i formować elementy opakowaniowe metodami stosowanymi dla konwencjonalnych tworzyw sztucznych. Przetwarzanie odpadowych surowców węglowych (np. melasa) dodatkowo wzmacnia profil środowiskowy i ekonomikę procesu.
Rolnictwo: materiały o ograniczonym czasie życia
W zastosowaniach rolniczych P3HB może służyć do wytwarzania folii mulczujących, kapsułek nawozowych, osłon nasion czy matryc dla pestycydów o kontrolowanym uwalnianiu. Biodegradacja w glebie stanowi kluczową przewagę nad folią PE czy PP.
Szukamy partnera do rozwoju i skalowania
Jesteśmy otwarci na rozmowy z partnerami z sektora biotechnologicznego, biomedycznego, rolniczego, opakowaniowego i materiałowego którzy dostrzegają potencjał biodegradowalnych biopolimerów i poszukują technologii do rozwoju.
Możliwe formy współpracy: licencjonowanie technologii, wspólne projekty B+R, konsorcjum projektowe (KPO, Horyzont Europa, FENG).
Technologia opracowana w ramach projektu statutowego MNiSW (2020) oraz projektu BioBakCir Centrum Łukasiewicz (2021–2022).
