生物降解高分子材料研究應用進展

張娟

【摘要】：隨著全世界范圍內(nèi)科學技術(shù)進一步飛速發(fā)展與前行的過程中，材料科學行業(yè)也隨著社會的發(fā)展而不斷的進步。就對目前我國的材料科學來說，生物降解高分子材料應用進展研究是行業(yè)重點發(fā)展方向之一。針對這一點不僅需要對材料控制的方面有全新全面的突破，另外還需要大力加強對相關(guān)技術(shù)的衍生工作，從而使相關(guān)企業(yè)能夠進一步在技術(shù)上有新的發(fā)展與突破。本文將從生物降解材料的優(yōu)勢作為出發(fā)點，主要探討說明天然與人工合成這兩種高分子材料的研究進展程度，并且展望生物降解材料的應用前景來進行重點闡述，同時本文研究內(nèi)容也可供相關(guān)部門和廣大同行借鑒與參考，從而得以優(yōu)化我國生物降解高分子材料工作中存在的各種問題。

【關(guān)鍵詞】：高分子材料；生物降解；研究；合成

引言

伴隨著我國社會經(jīng)濟不斷發(fā)展，人們的生活水平不斷提升，人們對于居住環(huán)境和工作生活環(huán)境都提出了更高的要求。而傳統(tǒng)的很多材料因為不易降解、可再生性差、不利于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，逐漸被拋棄。生物可降解材料的應運而生，它對于起到改善人們居住的生活環(huán)境，提升人們的生活品質(zhì)，在一定程度上有利于促進環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。

1.生物降解材料的優(yōu)勢以及降解機理

我國對生物易于降解材料的定義為：是一種在非人為條件作用下，能夠和存在于自然環(huán)境中的各種微生物如細菌、真菌等生物發(fā)生分解作用的新型材料。優(yōu)質(zhì)的生物降解材料是含有良好的物理性質(zhì)、穩(wěn)定的化學性質(zhì)，并且在把它廢棄在自然環(huán)境中能夠快速和自然界的各種微生物群完全降解，通過微生物的降解作用可以把它從高分子有機物轉(zhuǎn)化成小分子無機物的過程，最終成為自然界環(huán)境中碳循環(huán)的構(gòu)成部分的高分子材料。常見的易于降解材料包含：聚酯、骨膠原、聚乳酸等等。

1.1生物降解材料的優(yōu)勢

易于降解材料具有多種優(yōu)勢。第一，它具有穩(wěn)定的化學性質(zhì)，在常溫之下能夠保持穩(wěn)定，不易與周圍環(huán)境中的其它物質(zhì)發(fā)生化學反應。第二，它有利于保護傳統(tǒng)的石油資源，它不依賴于石油資源，它并不是石油的提取物。第三，可以減少對自然環(huán)境的污染，有利于環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，為人們提供更加優(yōu)質(zhì)的生活、居住環(huán)境，在它廢棄使用之后，它的廢棄物質(zhì)能夠在自然環(huán)境中自行在微生物的作用下降解。第四，順應時代潮流，與國際接軌。當今，世界各國對易于降解材料的研究更加重視，我國通過研究易于降解材料能夠加強我國在新型材料的方面的國際話語權(quán)，有利于和國際接軌，提升我國的大國形象。

1.2生物降解材料的降解機理分析

易于降解材料的生物降解過程十分復雜，影響因素非常多。主要包含以下幾點：

第一，物理作用下的降解過程。自然環(huán)境中的光能、地磁輻射、水、濕度、溫度這些因素都會造成材料分子的構(gòu)造結(jié)構(gòu)以及材料分子的穩(wěn)定性發(fā)生變化。比如：輻射敏感性聚合物高分子材料可以在地磁輻射的作用下使得材料分子內(nèi)部變得活躍，當達到一定程度的地磁輻射作用后，最終會使得整個材料分子變得活躍起來，最終導致材料被分解。

第二，化學作用下的降解過程。自然條件中的酸堿度PH值、含氧程度這些因素都會造成材料中的大分子化學鍵發(fā)生斷裂，是它們發(fā)生化學反應從而產(chǎn)生新的小分子團，這個化學反應過程也就是把材料中復雜的有機大型分子分解成簡單的小型無機分子的過程。

第三，微生物作用下的降解過程。自然界中的微生物種群十分龐大，在它們的作用下，能夠有效的分解材料的大分子團。通常來說，對于一個物質(zhì)來說它的分子量數(shù)目變化會使得這個物質(zhì)的水溶性變差，讓水無法更好的通過微生物的細胞膜結(jié)構(gòu)，這就造成了自然界中的微生物種群對材料的降解能力變差。但是在多種微生物種群的相互作用之下，會產(chǎn)生多種降解酶，這些降解酶綜合在一起能夠根據(jù)本身酶最能發(fā)揮功效的方式來對高分子材料復雜的結(jié)構(gòu)進行分解作用，不同的微生物降解酶會有針對性的斷裂化學鍵，通過無氧代謝與有氧代謝這兩種過程，形成水、二氧化碳、甲烷以及其它少量的副產(chǎn)品。

2天然高分子材料的生物降解

2.1PHA的生物降解分析

PHA也叫做聚羥基脂肪酸酯，它是通過各種細菌而人工合成的可以作為能量儲存的有機物。PHA結(jié)構(gòu)復雜，它的塑料熱加工性質(zhì)優(yōu)質(zhì)，并且還具有很好的生物降解性質(zhì)，使比較良好的生物可降解材料。通?？梢杂米魃镝t(yī)學行業(yè)。PHA熔點并不固定，通常會在200攝氏度左右的條件下發(fā)生分解反應。它的抗拉性能良好，但是因為它的制作成本較高，阻礙了它的廣泛應用。

2.2PHB的生物降解分析

PHB對于水的溶解性差，它不溶于水，但是能夠溶于氯仿，它擁有很好的生物相融性質(zhì)。通?？梢灾谱鞒梢子诮到獾纳镝t(yī)療塑料，它可以用于外科手術(shù)用的手術(shù)器械，比如手術(shù)縫線和手術(shù)針等等。

很多科研團隊通過對PHB研究，實驗結(jié)果顯示明礬在經(jīng)過改性之后，它的PHB親水性能夠顯著提升，對人體腎上腺細胞的繁殖和生物功能沒有不良影響，所以可以用來作為腎上腺細胞移植手術(shù)的載體材料，具有臨床醫(yī)用的適用性。李榮群團隊發(fā)現(xiàn)通過完全分解的PHB和聚氧化乙烯這兩種物質(zhì)的混合體具有良好的物理力學性質(zhì)，這種混合物有著優(yōu)質(zhì)的抗拉伸延展性，克服了純凈的PHB容易發(fā)生脆性破壞的特點，大大延伸了PHB的適用性。

2.3殼聚糖的生物降解分析

殼聚糖（chitosan）又稱脫乙酰甲殼素，是由自然界廣泛存在的幾丁質(zhì)（chitin）經(jīng)過脫乙酰作用得到的，化學名稱為聚葡萄糖胺（1-4）-2-氨基-B-D葡萄糖。它是灰白色的固體物質(zhì)，沒有氣味、沒有毒性，這種物質(zhì)的生物相容性質(zhì)很好，具有很好的生物血液相容性和生物安全性，除此之外，它的微生物降解性能也很優(yōu)秀從而被醫(yī)學行業(yè)、化工行業(yè)、污染處理行業(yè)以及食品加工行業(yè)等等。

3化學合成高分子材料的生物降解

人工化學合成高分子材料很多也具有很好的生物降解特性，比如：PE材料、PVC材料、PLA材料、PEG材料等等。

3.1PE材料的生物降解分析

PE材料是當前我國生產(chǎn)量最大的一次性使用的塑料材料。它大量適用于產(chǎn)品包裝、農(nóng)業(yè)大棚膜等等行業(yè)。但是因為它的降解機理限制條件嚴格局限性很大，受到溫度、濕度、地理環(huán)境的作用影響大，導致它在棄用之后，在自然環(huán)境中的可降解率偏低。所以，對PE的材料特性進行一定的改造措施很有必要，對于減少它對環(huán)境的破壞有著重要的影響意義。Marek Koutny博士通過研究發(fā)現(xiàn)，使用氧化劑可以導致PE材料的高分子大量斷裂破壞，從而使得PE光解反應和熱解反應速率顯著提升，大大提高了環(huán)境對PE材料廢棄物的降解效率。

3.2PVC材料的生物降解分析

PVC材料是常見的5大塑料材料的其中一種，它占比大，PVC材料的化學性質(zhì)穩(wěn)定、可塑造性質(zhì)好并且絕緣性能優(yōu)質(zhì)。但是不足的是，PVC材料的抗熱性能和受光性能不好，當溫度達到140攝氏度的條件下，它會釋放出硫化氫物質(zhì)，導致材料變色。PVC材料通常是用作水管件材料、電纜管線等等方面。它的用量僅僅低于PE材料的使用量，但是它的廢棄物質(zhì)會對生態(tài)環(huán)境造成污染。

3.3PLA材料的生物降解分析

PLA是用乳酸作為主要原材料從而人工合成的直鏈結(jié)構(gòu)的族聚酯，它的生物降解性能良好，并且還具有很好的生物相容性質(zhì)。可以用作醫(yī)用輸液管線材料，不拆手術(shù)線等等。它不會產(chǎn)生氮氧化合物和硫氰化合物等有毒物質(zhì)。PLA的原材料充足并且可以人工生產(chǎn)。在實際的生產(chǎn)中，我們可以使用淀粉制作成乳酸，再經(jīng)過人工合成為PLA材料。它能夠在自然界中充分降解，降解產(chǎn)物不會對環(huán)境造成二次污染，形成二氧化碳和水。但是PLA材料的降解具體過程還不清楚，還待進一步研究。

3.4PEG材料的生物降解分析

PEG是水溶性較好的有機化合物，它常常被用于紡織行業(yè)、化學工業(yè)等等行業(yè)，它在自然界中非常不容易被降解，是重要的水體污染物之一。通過大量實驗發(fā)現(xiàn)，了聚乳酸聚乙醇酸 共聚物分別與琥珀酸聚乙二醇酯，聚乙二醇共混制備藥物載體，DSC檢測表明共混體系各種成分相容性好，PEG的加入 通過影響到載體微粒表面的疏水性來影響到藥物的釋放過程。但是目前還不能顯著的提高PEG材料的自然降解屬性，還需要更多的研究。

結(jié)束語：

綜上所述，材料科學行業(yè)也隨著社會的發(fā)展而不斷的進步。優(yōu)質(zhì)的生物降解材料是一門綜合性極強的交叉科學，它包含了高分子材料學、生物學、物理學、化學以及環(huán)境科學等多種學科類型。隨著人們對環(huán)境的重視，生物降解高分子材料應用進展研究顯得很有必要。

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