Multifunktionaler Kunststoffzusatz ist gut für Mensch und Planet

Joe Darrah | 10. August 2023

Da die alternde Bevölkerung in den Vereinigten Staaten immer älter wird, ist nicht damit zu rechnen, dass die Häufigkeit von Krebs und anderen chronischen Erkrankungen in absehbarer Zeit nachlässt. Im Gegenzug besteht eine erhöhte Nachfrage nach Produkten, darunter Kunststoffe, Metalle und Beschichtungen, die durch Bioverarbeitungsmethoden hergestellt werden und dazu beitragen können, die Gesundheit der Bevölkerung zu verbessern und gleichzeitig die Umwelt zu schützen. Nach Angaben des US-Landwirtschaftsministeriums kann Biotechnologie ein wichtiges Instrument zur Erreichung gesundheitlicher und gesellschaftlicher Ziele sein, etwa zur Verringerung der Armut und zur Verbesserung der globalen Ernährungssicherheit sowie zur Eindämmung der Ursachen und Folgen des Klimawandels.

Allerdings ist die Bioverarbeitung nicht ohne Konsequenzen und Einschränkungen. Besonders besorgniserregend ist das Vorhandensein von oxidativem Stress, einem Ungleichgewicht von freien Radikalen und Antioxidantien, das die Ausbeute an Arzneimitteln und Therapeutika, die durch Bioverarbeitung hergestellt werden, um bis zu 10 bis 15 % verringert. Oxidativer Stress ist ein Phänomen, das durch ein Ungleichgewicht zwischen der Produktion und Anreicherung reaktiver Sauerstoffspezies (ROS) in Zellen und Geweben und der Fähigkeit eines biologischen Systems, diese reaktiven Produkte zu entgiften, verursacht wird und verschiedene Zellstrukturen wie Membranen, Lipide und Proteine ​​beeinträchtigen kann , Lipoproteine ​​und DNA.

Bei Xheme Inc., einem Unternehmen für Spezialmaterialien mit Sitz in Newton, MA, das Additive herstellt, die dazu beitragen, Kunststoffe und Beschichtungen „intelligenter“ zu machen, indem sie Oxidation, UV-Strahlung und mikrobiellem Wachstum besser widerstehen, haben Forscher und Wissenschaftler etwas entwickelt, das ihrer Meinung nach programmierbar ist ungiftiges nanoporöses Mikropartikel – das Xheme Multifunktionsadditiv (XMA) – das durch oxidativen Stress verursachte Schäden deutlich reduziert oder beseitigt. Da XMA außerdem antioxidative und antimikrobielle Eigenschaften besitzt, ist es mit seiner Fähigkeit, die Ausbeute an Therapeutika zu steigern, zu einer Klasse von Zusatzstoffen für sich geworden.

„Eine 50-prozentige Steigerung der Ausbeute an Therapeutika, die mit XMA-Zusätzen und XMA-basierten Einweg-Kunststoffbioreaktoren hergestellt werden, kann zu erheblichen Einsparungen führen und Millionen weiterer Leben retten“, sagte Dr. SSR Kumar Challa, Präsident und Chief Scientific Officer von und Mitbegründer von Xheme. „Es bleibt eine große Herausforderung, die Kosten der Bioproduktion zu senken, um sicherzustellen, dass biologische Arzneimittel mehr Patienten erreichen können. Viele biologische Therapien kosten zwischen 10.000 und 40.000 US-Dollar, und einige kosten bis zu 500.000 US-Dollar pro Jahr.“

Berichten zufolge schützen die Zusatzstoffe bei Einarbeitung in eine Kunststofffolie oder -beschichtung die Oberfläche oder das enthaltene Produkt vor Oxidation, Korrosion, UV-Strahlung und bakteriellen Schäden. „Im Gegensatz zum aktuellen Ansatz zum Oberflächenschutz, bei dem ein einziger Zusatzstoff für eine einzelne Funktion verwendet wird, verwendet der XMA-Ansatz einen einzigen Zusatzstoff mit mehreren Funktionen“, erklärt Challa. „Dieser Ansatz reduziert die Anzahl der Zusatzstoffe, die sowohl in Kunststoffen als auch in Farben verwendet werden. Da viele der derzeitigen Zusatzstoffe bekanntermaßen sowohl für den Menschen als auch für die Umwelt toxisch sind, wird erwartet, dass die erhebliche Reduzierung der Anzahl der erforderlichen Zusatzstoffe ohne Beeinträchtigung der Leistung zu einer Verringerung oder Beseitigung der für den Menschen und die Umwelt toxischen Wirkung führen wird.“

XMA-Additive sind nanoporöse, makrostrukturierte Mikropartikel auf der Basis von Bimetalloxiden, die eine einzigartige bimodale Größen- und Porositätsverteilung bieten (wie unten schematisch dargestellt). Bei der Forschung wurde festgestellt, dass XMA-Additive auch Schutz vor Schäden durch freie Radikale, Peroxiden und bakterieller Kontamination bieten können und Röntgenstrahlung. Laut Tests, die von der Cell Culture Core Facility des Institute for Applied Life Sciences an der UMass Amherst und anderen Labors durchgeführt wurden, soll ihre überlegene Fähigkeit mit herkömmlichen Metalloxid-Nanopartikeln verglichen werden und reaktive Sauerstoffspezies abfangen. Die Auswirkungen auf oxidativen Stress bleiben jedoch von größter Bedeutung.

„Oxidativer Stress schädigt alle wichtigen Makromoleküle“, sagte Challa. „Lipidperoxidation, Proteinoxidation und DNA-Fragmentierung können zu mehreren Zellsignaleffekten führen, die Apoptose auslösen können. Es beeinflusst die Leistung biomedizinischer In-vivo- und In-vitro-Geräte durch die nahtlose Integration von Stents, Prothesen, Wundheilung, Blutbeuteln, Dialysebeuteln und Bioverarbeitungsbeuteln. Die Fähigkeit, oxidativen Stress mit räumlich-zeitlicher Präzision zu kontrollieren, ist der Schlüssel zur Verbesserung der Leistung sowohl in vivo als auch in vitro biomedizinischer Geräte.“

Laut Challa waren die Erkenntnisse des Unternehmens besonders relevant für die Kühllagerung roter Blutkörperchen, die von Natur aus anfällig für oxidativen Stress sind. „Dieses neue Materialdesign reduzierte die oxidative Hämolyse sowohl als freie Pulver, wenn sie in einem handelsüblichen Beutel dem menschlichen Blut zugesetzt wurden, als auch wenn sie in Bioreaktorfolien eingearbeitet wurden“, sagte er. „Die XMAs schützten vor oxidativem Stress und reduzierten die experimentelle oxidative Hämolyse um bis zu 60 bis 70 %, die beobachtet wurde, wenn die Prototyp-Blutbeutel während einer Lagerung von bis zu acht Wochen Röntgenstrahlen ausgesetzt wurden. Das ist eine Verbesserung von 60 % im Vergleich zu aktuellen Speicherstandards.“

Zu den neuartigen Anwendungen von XMA gehört heute seine Verwendung in zwei Arten von Blutbeuteln der nächsten Generation, in denen der Zusatzstoff den Weichmacher Di(2-ethylhexyl)phthalat (DEHP) ersetzt, eine Substanz, die aufgrund von verstärkter Prüfung ausgesetzt ist seine verschiedenen negativen Auswirkungen auf die Gesundheit. Berichten zufolge wird es ab 2025 von der Europäischen Union verboten.

Laut Challa ist das erste Produkt ein DEHP-freier PVC-Beutel und das zweite ein PVC-freier Beutel. „Wir bauen diese Technologie derzeit aus“, sagte er. „Der Ersatz des giftigen Weichmachers DEHP in aktuellen branchenüblichen PVC-Beuteln durch XMA beeinträchtigt nicht die aktuellen Lagerungsstandards oder Herstellungsmethoden. Die ersten Proof-of-Concept-Ergebnisse zeigen, dass die XMA-PVC-Blutbeutel die oxidative Hämolyse deutlich über die derzeitige Lagerzeit von 42 Tagen für rote Blutkörperchen hinaus reduzieren.“ Challa sagt auch, dass der Einsatz von XMA dazu beiträgt, andere große Herausforderungen in Angriff zu nehmen die Kunststoffindustrie – Nachhaltigkeit, giftige Produkte und kompliziertes Lieferkettenmanagement. „Aktuelle UV- und Korrosionsschutzmittel sind instabil und oft giftig“, sagte er. „Behördliche Zulassungen für antimikrobielle Mittel sind zeitaufwändig und teuer. Beschichtungs- und Kunststoffhersteller bewegen sich ständig auf der Grenze zwischen dem Angebot umwelt-, sozial- und unternehmensführungsfreundlicher Produkte und bekannten, vertrauenswürdigen und kostengünstigen Produkten. Als programmierbare, multifunktionale, ungiftige Additive lösen XMAs die Herausforderungen, denen sich Hochleistungskunststoffe, Folien und Beschichtungen gegenübersehen. Die Bioverarbeitungsbeutelindustrie hat im Jahr 2023 einen Wert von 4,2 Milliarden US-Dollar und wird bis 2028 schätzungsweise etwa 10 Milliarden US-Dollar erreichen. Unternehmen bevorzugen zunehmend Einweg-Bioverarbeitungsbeutel, da sie die Prozesseffizienz steigern und die mit komplizierten Schritten wie Reinigung, Sterilisation usw. verbundenen Kosten senken Wartung von stahlbasierten Bioreaktorsystemen.“

Im weiteren Sinne wird die Industrie in der Lage sein, die aktuellen Leistungsstandards beizubehalten und gleichzeitig die Human- und Ökotoxizität zu verringern und die Abhängigkeit von der zunehmenden Zahl „einfunktioneller“ Zusatzstoffe zu verringern, die zu einer größeren chemischen Belastung für den menschlichen Körper und die Umwelt führen können. sagte Challa.

„Darüber hinaus arbeitet Xheme daran, weitere umweltfreundliche Funktionen in seine Additive zu integrieren, die eine bessere Recyclingfähigkeit, Biokompatibilität und biologische Abbaubarkeit am Ende des Lebenszyklus von Kunststoffen bewirken würden“, sagte er.

Die von Xheme hergestellten multifunktionalen Additive werden Berichten zufolge auch von mehreren Fortune-500-Farben- und Kunststoffunternehmen getestet. „Wir haben sieben ausstehende Patentanmeldungen und arbeiten derzeit an der Technologievalidierung, der Skalierung und dem Erhalt behördlicher Genehmigungen“, sagte Challa. „Die Mission des Unternehmens besteht darin, völlig ungiftige Blutbeutel und Bioverarbeitungsbeutel auf den Markt zu bringen, die die gleiche oder eine bessere Leistung bieten und sowohl Menschen als auch den Planeten vor einer Überlastung durch giftige Zusatzstoffe schützen. Indem wir Industrien Zusatzstoffe mit vielfältigen Fähigkeiten zur Verfügung stellen, arbeiten wir daran, die Verwendung von Einwegzusatzstoffen zu begrenzen und den ökologischen Fußabdruck von Zusatzstoffen zu verringern. Unsere Vision ist es, ein weltweit führender Anbieter von Additiven zu sein, die Toxizität eliminieren und zur Erreichung der CO2-Neutralität beitragen, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.“

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Umweltbedenken in Bezug auf Kunststoffe sind berechtigt, aber Politiker und Unternehmen scheuen sich oft vor Aktivisten, ohne zu bedenken, dass sie in vielen Anwendungen eine nachhaltige Wahl sein können. Wir verfolgen den Kampf der Branche, um sicherzustellen, dass der gesunde Menschenverstand siegt.