Sinteza si investigarea unor noi polimeri biodegradabili pe baza de ...

72152/2008
Sinteza si investigarea unor noi
polimeri biodegradabili pe baza de
acid polilactic cu aplicatii in
medicina, BIOPLAST
Universitatea BABES-BOLYAI Cluj-Napoca
Conf. Dr. Cornelia MAJDIK

Parteneri în consorţiu:
• Coordonator proiect CO – Universitatea BABEŞ-BOLYAI, Cluj Napoca
(coordonator activitati, sinteze chimice si enzimatice, caracterizare biopolimeri)
• Partener P1 – INCDO-INOE 2000, filiala Institutul de Cercetări pentru
Instrumentaţie Analitică Cluj-Napoca
(sinteze chimice, analiza biopolimerilor, experimentare metode)
• Partener P2 – Universitatea POLITEHNICĂ din Timişoara
(caracterizarea mecanica a biopolimerilor)
• Partener P3 – Universitatea de Medicină şi Farmacie “VICTOR BABEŞ”
Timişoara
(caracterizarea mecanica a biopolimerilor, utilizari biopolimeri)
Buget – 1.950.000 lei
Cofinantare – 0 lei
Buget/cofinanţare:
Adresa web:
http://chem.ubbcluj.ro/~majdik/bioplast/.

Obiectivul/rezultatul final al proiectului:
Sinteza si caracterizarea unor noi biopolimeri biodegradabili si biocompatibili pe
baza de acid lactic stereoizomer si racemic; utilizarea acidului lactic obtinut prin
fermentatie specifica sau din fractiile reziduale rezultate in industria produselor
lactate
Elementele de noutate ale proiectului, originalitate:
Elaborarea unor procedee noi de obtinere a acidului polilactic racemic si
stereoizomer (propunere de brevet pentru sinteza in prezenta microundelor)
Obtinerea unor copolimeri ai acidului lactic cu acidul glicolic (articol stiintific
acceptat spre publicare)
Sinteza unor copolimeri ai acidului lactic cu cu metilen-difenil-diizocianat
Elaborarea unei metode analtice originale pentru determinarea masei moleculare
a acidului polilactic prin Rezonanta Magnetica Nucleara (rezultate in curs de
publicare)
Obtinerea acidului L-lactic prin fermentatia fractiilor reziduale din industria
laptelui (rezultate brevetabile)
Studiul biodegradarii polimerilor sintetizati (rezultate publicabile)

Beneficiarii rezultatelor,
potenţialul de aplicare în economie:
producatori de mase plastice interesati de metodele elaborate
companii farmaceutice specializate in conditionarea medicamentelor
agenti economici procesatori de lapte

Etapa 1/28.02.2009
Studii privind polimerii biodegradabili alifatici cu
structuri poliesterice
Buget de stat:
Cofinanţare:
95.000 lei
0 lei
Activităţi efectuate:
- A1.1 Studii privind metodele de obtinere a polimerilor biodegradabili
cu legaturi esterice
- A1.2 Studii privind metodele fizico-chimice utilizate pentru
caracterizarea polimerilor biodegradabili si controlul proprietatilor
mecanice
- A1.3 Elaborare baza de date. Realizare pagina web
Achiziţii realizate:
0lei

Etapa 2/30.11.2009
“Reactii de polimerizare a acidului lactic racemic si
stereoizomer”
Buget de stat:
Cofinanţare:
64.085 lei
0 lei
Activităţi efectuate:
- A2.1 Studiul reactiei de polimerizare: stabilirea caracteristicilor
materiilor prime, reactivilor utilizati si a conditiilor de sinteza,
stereochimia reactiei
- A2.2 Studiul influentei microundelor asupra sintezei si structurii
Achiziţii realizate:
0 lei

Etapa 3/30.11.2010
Reactii de polimerizare a acidului lactic racemic si stereoizomer. Reactia de
copolimerizare a acidului lactic cu metilendifenil-diizocianat si /sau propilen
glicol
Buget de stat: 383.316 lei
Cofinanţare:
0 lei
Activităţi efectuate:
- A3.1 Elaborare si realizare metoda de laborator de polimerizare
- A3.2 Experimentari metoda si caracterizare analitica a biopolimerilor. Alimentare baza de date
- A3.3 Studiul reactiei de polimerizare: stabilirea caracteristicilor materiilor prime, reactivilor
utilizati si a conditiilor de sinteza
- A3.4 Determinarea mecanismului de copolimerizare
- A3.5 Elaborare si realizare metoda de laborator de polimerizare
- A3.6 Experimentari metoda si caracterizare analitica a biopolimerilor. Analiza proprietatilor
mecanice ale biopolomerilor obtinuti
- A3. 7 Studiul posibilelor aplicatii in medicina ale biopolimerilor, pe baza proprietatilor determinate
- A3.8 Diseminare rezultate partiale
Achiziţii realizate: 19. 998lei (Coordonator – Universitatea BABEŞ-BOLYAI Cluj-Napoca)
- Masa de laborator 1800x750x900 4.284 lei
- Masa de laborator 1200x750x900 5.716 lei
- Calculator Fujitsu 9.998 lei

Modul de implicare a tinerilor cercetatori comparativ cu cele
asumate prin prevederile proiectului din Anexa B. (inclusiv
specializari/stagii de formare /doctorate post-doc pe tematica
proiectului)
• Coordonator – Universitatea BABEŞ-BOLYAI Cluj-Napoca
- 2 tineri cercetatori doctoranzi:
Kakes Melinda, Irsai Izabella
- 2 studenti nivel licenta/master
Szabo Izabella, Varga Andreea
• Partener 1 – INCDO-INOE 2000, filiala Institutul de
Cercetări pentru Instrumentaţie Analitică Cluj-Napoca
- 4 tineri cercetatori
Cadar Oana (Dr.), Senila Marin (Dr.), Tanaselia Caludiu, Senila
Lacrimioara
• Partener 2 – Universitatea POLITEHNICA din Timisoara
- 2 tineri cercetatori
Rusu Gerlinde Iuliana (Dr.),
Kakasi-Zsurka Sandor Balazs (drd)
COAUTORI AI ARTICOLELOR PUBLICATE SI POSTERELOR
PREZENTATE IN DOMENIUL TEMEI PROIECTULUI

Indicatori de rezultat

Documentatie privind metodele de obtinere a
polimerilor biodegradabili cu legaturi esterice:
Monomeri
Polimeri
OH
OH
H 3 C
CH
OH
H 3 C
CH
OH
O
acid S-lactic
acid L-(+)-lactic
O
acid R-lactic
acid D-(-)-lactic
Baza de date

Fermentatia lactica
Glucide
- amidon
- celuloza
- lactoza
Glucoza

Documentatie privind metode fizico-chimice
utilizate pentru caracterizarea polimerilor
biodegradabili si controlul proprietatilor
mecanice:
▫ Metode fizico-chimice utilizate pentru caracterizarea
polimerilor biodegradabili:
• spectroscopia IR
• spectrometria RMN
• spectrometria de masa (MALDI-TOF)
▫ Utilizari potentiale a biopolimerilor; determinarea
proprietatilor mecanice:
• durabilitatea si plasticitatea
• determinarea proprietatilor mecanice compusilor polimerici
• determinarea marimii particulelor
• determinarea potentialului zeta
▫ Corelatii proprietati-structura polimerilor obtinuti

Documentatie privind reactia de polimerizare in
scopul obtinerii acidului polilactic
▫ Reactia de polimerizare:
• Stabilirea conditiilor de sinteza
• Stereochimia reactiei
▫ Variante de sinteza
• Polimerizarea termica; sinteza asistata de
microunde
• Polimerizarea catalitica
• Polimerizarea enzimatica

Rapoarte de experimentare:
Policondensarea termica fara catalizatori
▫ obtinerea oligomerilor (Mw=500-1000 g/mol),

Rapoarte de experimentare:
Policondensarea catalitica
CATALIZATORI
• Compusii organici ai
staniului (octanoat de
staniu);
• Compusi ai magneziului,
titanului si aluminiului ;
• Compusi ai zincului sau
acizi protici
a.Eliminarea apei prin distilare azeotropa;
b.Polimerizarea catalitica.

Metoda de sinteza a acidului polilactic in
camp de microunde
Putere: 800 W
Temperatura: 130 si 170 o C
Presiune: 80 bar
Timp de reactie: 1-4 h
S-a obtinut acid polilactic, in conditii de microunde din acid lactic
racemic si izomer L

Rapoarte de experimentare:
Policondensarea enzimatica
Metoda “verde”, nepoluanta
• conditii mai blande de reactie
• solventi cu punct de fierbere mai scazut
• nu este necesar folosirea unor catalizatori toxici
• este o metoda care protejeaza mediul
Enzima
Acid lactic Timp Masa Gradul mediu de
(mol) (h) moleculara polimerizare
Lipozyme 0,056 148 417 3,5
IM20 0,056 117 459 4,1
Chirazyme
0,055 165 531 5,1
0,055 181 783 8,6
PPL
0,056 498 1300 15,8
0,556 507 1423 17,5
Lipozyme IM20
Chirazyme (lipaza din Rhizomocur miehei)
PPL (lipaza din pancreasul porcin)

Caracterizare RMN a acidului polilactic
trimer
dimer
monomer
Műszaki Kémiai Napok'09

Spectrul 1 H-NMR al acidului polilactic
obtinut

Spectrul IR al acidului lactic utilizat ca materie prima.
Spectrul IR al PLA obtinut

Spectrul MALDI-TOF MS al acidului polilactic obtinut prin metoda de
polimerizare catalitica a acidului lactic L la 170°C

Rapoarte de experimentare. Copolimerul acid
lactic-(metilen-difenil-diizocianat) (PLA-MDI)
• Cloroform
• Catalizator: octanoat de staniu

Rapoarte de experimentare.
Copolimer acid lactic-acid glicolic (PLA-AG)
OH
n
CH 3 CH COOH
acid lactic
+ n HO CH 2 COOH
acid glicolic
CH 3
O
O
H O CH
C
O CH 2 C
OH
+ 2nH 2 O
PLGA cu masã molecularã micã
n
policondensarea directa;
polimerizarea cu deschidere de ciclu din lactide
•Solutie apoasa de acid lactic 75 %
•Acid glicolic 98 %
•Difenileter (solvent anhidrificare)
Cloroform (solvent polimerizare)
Octanoat de staniu (catalizator)
Metanol (precipitarea polimerului)

Documentatie privind metode
enzimatice pentru obtinerea
copolimerilor PLA-AG
• Acid L-lactic
• Acid glicolic
• Enzima: CAL –B
• Solvent: benzen
• Cloroform
CAL –B- Lipaza B din Candida antarctica

Metode de laborator elaborate
• Metoda de laborator pentru obtinerea acidului polilactic
(policondansare catalitica)
• Metoda de laborator pentru sinteza copolimerului acid
lactic-acid glicolic (polimerizare enzimatica)
• Metoda de laborator pentru sinteza copolimerului acid
lactic-metilendifenil diizocianat (policondensare
termica)
• Metoda de laborator pentru sinteaza copolimerului acid
lactic- metilendifenil diizocianat-polietilenglicol
(alungire de catena)

Proprietatile mecanice ale
bio(co)polimerilor sintetizati
SCOP:
• determinarea duritatii si a rezistentei la intindere.
• stabilirea conditiilor de reactie optime pentru
prepararea materialelor cu proprietati optime.
▫
▫
▫
▫
▫
timpul reactiilor partiale
raportul intre reactanti
masa moleculara, raportul acidului polilactic
natura catalizatorului; raportul catalizator-monomer
folosirea unui agent blocant la sfarsitul reactiei.

Modelare moleculară
• Determinarea structurii acidului polilactic
• Determinarea structurii copolimerilor pe
bază de acid lactic
• Determinarea proprietă ilor mecanice a
polimerilor

Structura acidului polilactic: modele
posibile
Optimizarea geometriei
• -mecanică moleculară, UFF
• -mecanică moleculară, Amber
• - DFT , B3LYP\3-21G*
• - DFT, M062x\3-21G*
• - ab initio, HF\3-21G*
• - ab initio, HF\6-31G*
• - semiempirică, PM6
Calcularea frecven elor de vibra ie
corespund benzilor observate în spectrele de vibraţie IR, Raman ale
substanţelor

PLA conformaţia α helix PLA conformaţia Pi helix PLA conformaţia 3 10

Documentatie privind posibile aplicatii in
medicina ale biopolimerilor, pe baza
proprietatilor determinate
Acidul polilactic si copolimerii
sai sunt biocompatibili si pot fi
utilizati in:
• conditionarea de medicamente
• ortopedie
• chirurgie
• proiectare de tesuturi
DNR - daunorubicin, medicament
anticancerigen
PLA - acid polilactic
TiO 2 - particule sferice pe
nanofibrele de acid polilactic

Articole publicate in 2009: 4
1. Microwawe- assisted synthesis of poly(lactic acid) by direct polycondensation of
lactic acid, Kakes Melinda, Katona Gabriel, Oana Cadar, Cecilia Roman, Majdik
Cornelia, Studia Universitatis Babes-Bolyai, Seria Chemia, 2009 (in press)
2. Lipase-catalyzed synthesis of polylactic acid, Melinda Kakes, Majdik Cornelia,
Oana Cadar, Cecilia Roman, Mariu Roman, Hungarian Journal of Industrial
Chemistry, Veszprem, 2009 .pag 49-53.
3. KÁKES Melinda, MAJDIK Cornelia, Polylactic Acid: Synthesis, Properties and
Applications, a XV-a editie a Conferintei Internationale de Chimie la Universitatea
Sapientia, 12-15 noiembrie 2009, Târgu Mures. (in press).
4. Synthesis of low molecular weight poly(L-lactic acid) by direct polycondensation,
Oana Cadar, Bela Abraham, Erika Levei, Anamaria Incze, Marin SEmila, Cornelia
Majdik, Cecilia Roman, Conferinţa Internaţională de Chimie, 12-15 noiembrie
2009, Târgu Mures. (in press).

Articole publicate in 2010: 3
1. Synthesis of poly(L-lactic acid) by direct polycondensation,
Oana Cadar, AnaMaria Incze, Marin Senila, Cornelia
Majdik, Cecilia Roman, Studia Universitatis Babes-Bolyai,
Seria Chemia, 2010 (in press).
2. Lipase-catalyzed synthesis of poly- (Lactic -co- Glycolic )
acids with medical applications, Izabella Irsai, Izabella
Szabo, Oana Cadar, Cecilia Roman, Cornelia Majdik,
Roumanian Bioetchnological Letters, in curs de publicare
3. H-NMR spectroscopy, an useful tool for structure
investigation of lactic acid based oligomers, Izabella Irsai,
Oana Cadar, Cecilia Roman, Cornelia Majdik, Polymer
Bulletin, trimis spre publicare

Comunicari: 4
1. Synthesis of low molecular weight poly(L-lactic acid) by direct
polycondensation, Oana Cadar, Bela Abraham, Erika Levei, Anamaria
Incze, Marin Senila, Cornelia Majdik, Cecilia Roman, Conferinta
Internationala de Chimie, 12-15 noiembrie 2009, Targu Mures (poster).
2. Polymerization of lactic acid: Chemical versus enzyme catalyzed
polycondensation, Oana Cadar, Marius Roman, Csaba Paizs, Cornelia
Majdik, Cecilia Roman, 16th International Conference on Chemistry, 11-
14 November 2010, Cluj-Napoca, Romania (poster).
3. Lactic lacid based biopolymers, Cornelia Majdik, Congresul de chimie al
Uniunii Chimistilor Maghiari, Hajduszoboszlo, Ungaria, iunie 2010,
conferinta plenara
4. Structure relationship in lactic acid polymers, Oana Cadar, Zoltan
Szabadai, Cecilia Roman, Cornelia Majdik, 16th International Conference
on Chemistry, 11-14 November 2010, Cluj-Napoca, Romania (poster)

Propunere de brevet: 1
1. Procedeu de obtinere a acidului L-polilactic prin sinteza asistata de microunde,
Izabella Irzsai, Oana Cadar, Cecilia Roman, Mircea Chintoan, Cornelia Majdik,
propunere de brevet de inventie
Conectare la retele: 1
1. S-a realizat o conectarea la retele internationale mediata de Eotvos Lorand
University din Budapesta, Laborator la care au fost efectuate o parte din analizele
prezentate in cadrul prezentei etape. Scrisoarea este atasata prezentei lucrari.
Teze de doctorat: 2
1. Kakes Melinda, Noi metode de sinteza a copolimerilor pe baza de acid lactic
2. Irsai Izabella, Polimeri pe baza de acid lactic. Modelarea structurii lanturilor
polimerice si corelarea structurii cu proprietatile fizico-chimice ale polimerilor

Activitati si rezultate propuse
2011

Etapa 4/30.04.2011
“Studiul degradarii si biodegradabilitatii biopolimerilor noi obtinuti”
Buget de stat:
Cofinanţare:
559.036 lei
0 lei
Activităţi de efectuat:
- A4.1 Elaborare metoda de testare a proprietatilor de degradare si biodegradare, corelata
cu ASTM D6400-99
- A4.2 Studiul degradarii si biodegradabilitatii biopolimerilor noi obtinuti. Alimentare baza
de date
- A4.3 Caracterizarea produsilor de degradare, impactul asupra mediului
- A4.4 Demonstrarea utilitatii si functionalitatii noilor biopolimeri obtinuti
- A4.5 Diseminare rezultate partiale
- A4.6 Vizite de lucru (Ungaria, Germania)
Achiziţii de realizat: 115.000 lei
Coordonator – Universitatea BABEŞ-BOLYAI Cluj-Napoca
Partener 1 – INCDO-INOE 2000, filiala Institutul de Cercetări
pentru Instrumentaţie Analitică Cluj-Napoca
100.000 lei
15.000 lei

Rezultate estimate
• Metoda de testare a proprietatilor de degradare si
biodegradare, corelata cu ASTM D6400-99
• Documentatie privind degradarea si
biodegradabilitatea biopolimerilor noi obtinuti.
• Caracterizarea produsilor de degradare, impactul
asupra mediului
• Utilizarea noilor biopolimeri in conditionarea
medicamentelor
• Diseminare rezultate
• Mobilitati: vizite de lucru (Ungaria, Germania)

Etapa 5/01.10.2011
“Metoda de izolare a acidului lactic din produse secundare de procesele
fermentative din industria laptelui. Realizare metoda BIOPLAST”
Buget de stat:
Cofinanţare:
848.563 lei
0 lei
Activităţi de efectuat:
- A5.1 Elaborare si realizare metoda de izolare a acidului lactic din produse secundare din procesele
fermentative din industria laptelui.
- A5.2 Elaborare si realizare metoda de analiza structurala a compusului izolat. Experimentari si investigare
structurala a compusului izolat
- A5.3 Elaborare si realizare metoda de determinare a puritatii optice a compusului izolat
- A5.4 Elaborare si realizare metode de obtinere a biopolimerilor studiati cu utilizarea compusului lactic izolat
- A5.5 Analiza si caracterizarea complexa a biopolimerilor obtinuti pe baza de compus lactic izolat.
Finalizare baza de date
-A5.6 Elaborare documentatie tehnica metode
-A5.7 Elaborare documentatie analiza tehnico-economica
-A5.8 Realizare propunere de brevete (metoda de obtinere a celor 2 biopolimeri studiati) si identificarea
drepturilor de proprietate
-A5.9 Diseminare rezultate
-A5.10 Conectare la retele de cercetare
-A5.11 Organizarea de cursuri de formare si perfectionare in vederea realizarii transferului tehnologic
Achiziţii de realizat: 210.000 lei
Coordonator – Universitatea BABEŞ-BOLYAI Cluj-Napoca
Partener 2 – Universitatea POLITEHNICA din Timisoara
110.000 lei
100.000 lei

Rezultate estimate
• Metode de obtinere a acidului lactic din fractii reziduale din
industria laptelui.
• Metoda de determinare a puritatii optice a compusului izolat
• Utilizarea acidului lactic obtinut in obtinerea biopolimerilor.
• Caracteristici ale biopolimerilor obtinuti. Finalizare baza de date
• Documentatie tehnica-economica a metodei propuse
• Propunere de brevet (metoda de obtinere a acidului lactic)
Diseminare rezultate
• Conectare la retele de cercetare
• Cursuri de formare si perfectionare in vederea realizarii
transferului tehnologic

Propunere financiara,
Act aditional 3 - 2010
• Buget: 1.407.599 lei
• Cofinantare: 0 lei
• Buget modificat prin Acte Aditionale:
▫ 2008: 0 lei
▫ 2009: 159.085 lei
▫ 2010: 383.316 lei
▫ 2011: 1.407.599 lei

Propunere financiara initiala, 2011
• Buget: 205.000 lei
• Cofinantare: 0 lei
• Buget negociat prin contractare:
▫ 2008: 95.000 lei
▫ 2009: 492.964 lei
▫ 2010: 1.157.036 lei
▫ 2011: 205.000 lei

Activitati-Rezultate 2011
• Elaborarea unui process tehnologic de fabricatie a acidului lactic din
fractiile reziduale din industria laptelui
• Determinarea compozitiei zerului
• Fermentatia lactica
• Izolarea acidului lactic
• Aplicatii posibile ale acidului polilactic in conditionare de medicamente.
• Transportori de medicamente prin controlul vitezei de eliberare a substantei
active.
• Nanocompozite noi cu selectivitate pentru celulele canceroase tinta.
• Achizitii : 325.000 din totalul de 1.407.599 aprox 23%
• Bioreactor
• Autoclava
• Nisa sterile echipata
• Liofilizator
• Sisteme calcul
• Analizor elemental
• Altele conform cu lista de dotari din contract