生物可降解高分子材料的研究现状及发展前景

生物可降解高分子材料的研究现状及发展前景

张鹏

高材1102

摘要：本文论述了生物可降解高分子材料的研究现状，并对生物降解高分子材料的降解机理、影响因素及其在医学、农业和其他领域的应用前景进行了探讨。

关键词：生物可降解高分子材料、降解机理、影响因素、应用前景、研究现状

1.前言

随着大量高分子材料在各个领域的使用,废弃高分子材料对环境的污染有着日益加剧的趋势。塑料是应用最广泛的高分子材料,按体积计算已居世界首位,由于其难以降解,随着用量的与日俱增,废塑料所造成的白色污染已成为世界性的公害。目前,处理高分子材料的一些老套方法如焚烧、掩埋、熔融共混挤出法、回收利用等都存在缺陷并有一定的局限性,给环境带来严重的负荷,因此开发环境可接受的降解性高分子材料是解决环境污染的重要途径。生物降解高分子是指通过自然界或添加的微生物的化学作用,将高分子物质分解成小分子化合物,再进入自然的循环过程,这种方法简洁有效,而且对环境的保护有积极的作用。同时,随着高新技术的发展,生物降解高分子材料也满足了医学和农业及其他方面的需求,成为近年来研究的热点。

2．高分子生物降解机理

理想的生物降解高分子材料是一种具有优良的使用性能、废弃后可被环境微生物完

全分解、最终被无机化而成为自然界中碳元素循环的一个组成部分的高分子材料。跟据高分子的性质和所处的环境条件，高分子生物降解有两种不同的机理。第一种是生物或非生物水解而后发生生物同化吸收，称为水解-生物降解。这是杂链高分子如纤维素、淀粉及脂肪族聚酯生物降解的主要过程。通常过氧化反应对这类高分子降解发挥辅助作用，光氧化反应可加速水解-生物降解。水解-生物降解高分子适用于生物医用材料、化妆品及个人卫生用品的处理而不适用于农用薄膜或包装薄膜的降解。第二种机理是过氧化反应而后伴随小分子产物的生物同化吸收，称为氧化-生物降解，这种机理尤其适用于碳链高分子。非生物过氧化反应及随后的生物降解反应可通过所用的合适抗氧剂得到严格控制。

3.影响生物降解的因素

1)单体的组成、结构和化学性质，即化学键的稳定性；

2)物理性质，如亲水性、结晶度，可以通过单体的化学组成和加工条件控制；

3)聚合物的分子量；

4)聚合物器件的几何因素，如大小、形状、表面积；

5)添加剂及环境因素，如PH条件、离子强度。

聚合物器件或药物递送系统的生物降解通常经历四个步骤：水合、力学强度损失、形态变化、质量损失。其中水合是最为关键的一步，由材料的亲水、疏水特性及结晶度大小决定。

显然，亲水性高分子容易发生水合。水合后，高分子链可能成为水溶性，或者水分子渗透到高分子骨架。高分子材料的力学强度降低的原因是由于主链的断裂、交联键或高分子侧链被化学或酶水解。随着高分子力学强度的降低，进

一步发生水合和材料的表面变形，高分子链继续降解，最终变成水溶性分子而发生质量损失。

4.生物降解高分子材料研究现状

以下按不同分类介绍目前研究的几种主要的可生物降解的高分子的研究现状。

4.1天然生物可降解高分子

自然界中存在的纤维素、甲壳素和木质素等均属可降解天然高分子，这些高分子可

被微生物完全降解，但因纤维素等存在物理性能上的不足，热及力学性能差，由其单独制成的薄膜的耐水性、强度均达不到工程材料的性能要求，另一方面，作为工程材料使用的高分子通常又没有生物降解性。因此，通过两种高分子的共混、嵌段或接枝共聚可以得到能满足两者要求的材料。如以纤维素和脱乙酰基壳多糖进行复合，制得的生物可降解塑料。

4.1.1多糖基复合高分子

高分子量的碳水化合物通常指多糖，自然资源丰富的淀粉、纤维素等多糖都可用作生产生物降解高分子的原料。

4.1.2淀粉基系统

淀粉资源丰富，价格低廉，易为微生物侵蚀，是一种理想的生物降解材料，但其热、力学性能不够优良，从而限制了它们的使用，但己有许多研究淀粉与合成高分子的共混或共聚获得生物降解性材料的的文献报道。

Griffin对80%PE，15%的淀粉共聚物成功地进行吹塑膜，加拿大的St. Lanwren公司取得该项技术专利并提供名为Ecostar的PE母料，可用作农用地膜或作包装材料淀粉与PVC 的共混研究也比较深入，表明加入淀粉后PVC的强度并不下降，但随淀粉量的增加，延伸率明显降低。

4.1.3 纤维素基复合高分子

纤维素也是资源丰富的天然高分子，倪秀元等研究了羟乙基纤维素与MMA和丙烯

酸进行超声波共聚的情况，结果表明产物可被脂肪酶及一些微生物通过水解反应而破坏。再生纤维素适合用于纤维与薄膜的制造，日本四国工业试验所开发了以乙酰多糖和纤维素为主要成分的高分子材料，试制的生物降解薄膜、无纺布、发泡塑料等已接近实用化。纤维素酯、纤维素醚、纤维素缩醛化合物等常用的化学改性纤维，其生物降解性与羟基反应的程度有关。因此加大纤维素羟基的反应程度也是纤维素改性使用的一个方向。

4.1.4 木质素

木质素与纤维素一起共生于植物中，它是酚类化合物，通常是不能被生物降解的，但通过预处理可使其被纤维素酶酶解。利用木质素上的酚基与不同试剂反应可得到乙烯基的接枝共聚物，Phillips等讨论了它的生物降解性，并取得了令人鼓舞的成果。

4.1.5 蛋白质复合高分子

蛋白质的骨架肽键对微生物降解十分敏感，通过功能基团的去除或接枝共聚可改善其热学及力学性能，但同时也降低了其生物降解性能。目前研究最多的是结构蛋白骨胶原的水解产物明胶。围绕蛋白质基的生物降解材料的研究还处于起始阶段，距离商品化还有相当距离。

4.2合成生物可降解高分子材料

4.2.1亲水性高分子

聚合物材料能保持一定的湿度是其可生物降解的首要的和必要的条件，因此水溶性及亲水性聚合物的开发受到普遍关注。已有专利报道用亲水性的可生物降解高分子作为植物种子的保护涂层。

这些聚合物的生物降解程度随制备方法及所用原料的不同而不同。例如，由马来酸酐、乙二醇、丙烯酸及对甲苯磺酸制得的亲水聚合物生物降解度为61％，而由乙二醇、二丙烯酸酯、巯基乙醇及偶氮二氧基丙烷合成的高分子生物降解度可达89％。赖氨酸、苯乙烯嵌段共聚制得的水溶性可生物降解材料也有报道。PS是应用最为广泛的塑料之一，而且在包装行业的用量非常大。因此提高它的生物降解性倍受关注。系统研究表明，部分氧化或水解