淺談生物可降解高分子材料的研究與發(fā)展

黃鵬飛 何承超

摘 要：高分子材料又被稱(chēng)作聚合物材料，是一種應(yīng)用十分廣泛的物質(zhì)。近年來(lái)，環(huán)境問(wèn)題受到越來(lái)越高的重視。以塑料和工業(yè)涂料為首的高分子材料由于降解時(shí)間長(zhǎng)、環(huán)境污染較大等問(wèn)題使其發(fā)展受到制約。在這種情況下，新興的生物可降解高分子材料得到了研究人員的關(guān)注。基于此，本文首先介紹生物可降解高分子材料的定義和分類(lèi)，隨后論述這種材料的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：生物可降解;高分子材料;環(huán)境保護(hù)

一、 引言

隨著科學(xué)的發(fā)展，各種各樣的高分子材料被應(yīng)用到日常生產(chǎn)和生活中。這些高分子材料絕大多數(shù)降解時(shí)間都很長(zhǎng)，導(dǎo)致目前至少有超過(guò)1億噸的高分子廢棄物只能進(jìn)行自然降解處理因而變成了污染源。這種狀況與“綠色發(fā)展”的理念嚴(yán)重不符。為了解決污染問(wèn)題，各國(guó)開(kāi)始對(duì)生物可降解高分子材料進(jìn)行研究。這種新興材料在性能上與傳統(tǒng)高分子材料無(wú)太大差異，并且具有可以完全生物降解的特性。

二、 生物可降解高分子材料的定義和降解機(jī)理

生物可降解高分子材料指的是在自然環(huán)境下，通過(guò)水的參與，可以被微生物或者某些酶分解為普通分子物質(zhì)的高分子材料。這些微生物包括藻類(lèi)、細(xì)菌和霉菌。分解的過(guò)程本質(zhì)上是一個(gè)由微生物或者某些酶參與的水解過(guò)程。在這一過(guò)程中，高分子材料的分子量逐漸減小，最終變成單體分子物質(zhì)或者如二氧化碳和水這樣的代謝物質(zhì)。

對(duì)于此類(lèi)高分子材料的生物降解機(jī)理，大體上可以分為兩個(gè)環(huán)節(jié)。一方面是與自然環(huán)境相關(guān)的物理因素;另一方面是與微生物相關(guān)的化學(xué)因素。在物理因素方面，生物可降解高分子材料受到陽(yáng)光輻照以及空氣中水分的影響，導(dǎo)致這些材料的活性增強(qiáng)，便于自然降解。在化學(xué)因素方面，微生物通過(guò)代謝活動(dòng)或者產(chǎn)生某些水解酶侵蝕或者直接切斷生物可降解高分子材料的分子鏈，直接對(duì)其進(jìn)行降解;降解之后的產(chǎn)物被微生物攝入到體內(nèi)，為微生物的活動(dòng)提供能量，其余的代謝產(chǎn)物將會(huì)以水和二氧化碳的形式流入到物質(zhì)循環(huán)的過(guò)程中去。

三、 生物可降解高分子材料的分類(lèi)

按照不同的分類(lèi)方式可以將生物可降解高分子材料分成不同的類(lèi)型。本文將根據(jù)生物可降解高分子材料的合成方式對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)介紹。

（一） 自然合成的生物可降解高分子材料

自然界中存在大量有機(jī)高聚物，其中很多都可以作為高分子材料使用。在這些自然形成的有機(jī)聚合物當(dāng)中，例如天然橡膠、甲殼素、蛋白質(zhì)、瓊脂、纖維素和木質(zhì)素等，在自然環(huán)境下都可以通過(guò)微生物進(jìn)行降解，而且產(chǎn)物沒(méi)有任何毒性，更不會(huì)對(duì)環(huán)境造成影響。因此，從定義上來(lái)說(shuō)，這些天然的有機(jī)聚合物都屬于生物可降解高分子材料。這些自然合成的生物可降解高分子材料由于熱塑性較差，因此加工制造存在一定困難。此外，這類(lèi)高分子材料的力學(xué)性能以及復(fù)雜環(huán)境下的工作可靠性也不是很理想。

（二） 化工合成的生物可降解高分子材料

通過(guò)化學(xué)合成制造生物可降解高分子材料目前最為常見(jiàn)。這種方法合成的生物可降解高分子材料主要為脂肪族聚酯，較為常見(jiàn)的包括聚乳酸（PLA）、聚乙烯醇（PVA）以及聚丁二酸酯（PBS）等。其中發(fā)展最為迅速的是聚乳酸。此外，通過(guò)化工方法還可以合成芳香族聚酯，該類(lèi)聚合物不具有生物降解的特性。但是，芳香族聚酯材料的強(qiáng)度、熔點(diǎn)以及可加工性都要優(yōu)于脂肪族聚酯構(gòu)成的高分子材料。基于上述原因，一些國(guó)家和科研單位開(kāi)始著手研究將芳香族聚酯和脂肪族聚酯按照一定結(jié)構(gòu)組成共聚物，使這種新材料既具有較好的理化特性，又能夠進(jìn)行生物降解，保護(hù)環(huán)境。

（三） 利用微生物合成的生物可降解高分子材料

利用微生物合成生物可降解高分子材料的方法近年來(lái)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。它的合成原理是微生物在含有氮、磷等礦物質(zhì)元素的環(huán)境中利用產(chǎn)生的酶將脂肪族聚酯降解，再將這些水解后的物質(zhì)收集到一起形成新的高分子。這些新生成的高聚物含有大量的多糖和微生物聚酯。例如，在一定條件下，真氧產(chǎn)堿桿菌可以利用某些碳源產(chǎn)生聚-β-羥丁酸，廣泛應(yīng)用于食品包裝以及薄膜生產(chǎn)上。

四、 生物可降解高分子材料的發(fā)展前景

（一） 農(nóng)業(yè)方面

作為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)國(guó)，我國(guó)每年要消耗數(shù)量極大的塑料地膜、大棚保暖層以及農(nóng)產(chǎn)品包裝袋等。這些物資如果使用傳統(tǒng)塑料制品，將會(huì)對(duì)環(huán)境造成巨大污染。隨著材料制造技術(shù)的不斷發(fā)展，生物可降解高分子材料逐步替代了傳統(tǒng)的塑料制品被應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上。這種材料不僅可以在自然狀態(tài)下進(jìn)行生物降解，保護(hù)了環(huán)境;而且降解產(chǎn)物還能為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供養(yǎng)分，達(dá)到一種良性循環(huán)的狀態(tài)。

（二） 醫(yī)學(xué)方面

生物可降解高分子材料由于對(duì)人體危害很小所以被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)方面。早在20世紀(jì)七八十年代，生物可降解高分子材料就被應(yīng)用于膠囊類(lèi)藥品的藥物釋放體系當(dāng)中，作為緩釋制劑的載體。隨后這種高聚物材料又被作為手術(shù)縫合線(xiàn)以及骨科損傷固定材料應(yīng)用于外科手術(shù)當(dāng)中。近年來(lái)，隨著醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展，生物可降解高分子材料逐步在細(xì)胞組織修復(fù)工作中發(fā)揮重要作用。

（三） 包裝材料方面

塑料袋以及其他產(chǎn)品包裝袋向來(lái)是重要的環(huán)境污染源。將生物可降解高分子材料應(yīng)用到產(chǎn)品包裝方面，可以在極大程度上緩解、治理“白色污染”。所以這種新興材料被越來(lái)越多地應(yīng)用到物品包裝方面。例如在2017年問(wèn)世的“Ooho”，就直接利用從棕藻中提取的海藻基膜包裝飲用水，代替了傳統(tǒng)的塑料水瓶包裝，從源頭上解決了塑料水瓶對(duì)于陸地以及海洋環(huán)境的污染。

五、 結(jié)束語(yǔ)

廣泛應(yīng)用生物可降解高分子材料符合我國(guó)“保護(hù)環(huán)境”的基本國(guó)策以及“科學(xué)發(fā)展觀(guān)”的戰(zhàn)略思想。從生產(chǎn)應(yīng)用方面來(lái)看，生物可降解高分子材料的成本相比于傳統(tǒng)高聚物材料仍然高出很多。從制備技術(shù)方面來(lái)看，這種材料的生產(chǎn)加工仍然存在困難。但是，作為一種新興材料，生物可降解高分子材料是解決全球化環(huán)境問(wèn)題的重要突破口，具有廣闊的發(fā)展前景。所以，在機(jī)遇與挑戰(zhàn)面前加快發(fā)展腳步，對(duì)于我國(guó)生物可降解高分子材料的未來(lái)至關(guān)重要。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪浩.生物降解高分子材料研究與進(jìn)展[J].化工管理，2017（3）.

[2]金澤康.可生物降解高分子材料的研究與進(jìn)展[J].橡塑技術(shù)與裝備，2016（24）：34-35，45.

[3]桂紅.淺析對(duì)生物降解高分子材料的研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，2017（16）：246.

[4]滕琴.可生物降解高分子材料的相關(guān)研究進(jìn)展[J].信息記錄材料，2018，v.19（8）：45-46.

作者簡(jiǎn)介：

黃鵬飛，何承超，湖北省武漢市，武漢東湖學(xué)院15級(jí)生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院。