可生物降解功能高分子材料

目录................................................................................................................................ 目录 (1)

1 绪论 (2)

1.1 定义 (2)

1.2 分类 (2)

1.2.1 微生物生产型 (2)

1.2.2 合成高分子型 (2)

1.2.3 天然高分子型 (2)

1.2.4 掺合型 (2)

1.3 机理 (3)

1.4 基本理论 (3)

1.5 制备方法 (4)

1.5.1 生物可降解高分子材料开发的传统 (4)

1.5.1.1 天然高分子的改造法 (4)

1.5.1.2 化学合成法 (4)

1.5.1.3 微生物发酵法 (4)

1.5.2 生物可降解高分子材料开发的新方法-酶促合成 (4)

1.5.3 酶促合成法与化学合成法结合使用 (4)

2 国内外研究现状 (5)

2.1 天然高分子材料 (5)

2.2 合成高分子材料 (5)

2.3 掺混型高分子材料 (6)

3 市场与应用 (6)

4 研究发展趋势与展望 (7)

5参考文献 (7)

1绪论

1.1定义

生物降解高分子材料是指在生物或生物化学的作用过程中或生物环境中可以发生降解的高分子[1]。生物降解的高分子材料具有以下特点：易吸附水、还有敏感的化学基团、结晶度低、低分子量、分子链线性化程度高和较大的比表面积等[3]。

1.2分类

按来源，生物可降解高分子材料可分为天然高分子和人工可合成高分子两大类。按用途分类，有医用和非医用生物可降解高分子材料两大类。按合成方法可分为如下几种类型[4]。

1.2.1微生物生产型

通过微生物合成的高分子物质。这类高分子主要有微生物聚酯和微生物多糖，具有生物可降解性，可用于制造不污染环境的生物可降解塑料。如英国ICI 公司生产的“Biopol”产品。

1.2.2合成高分子型

脂肪族聚酯具有较好的生物可降解性。但其熔点低，强度及耐热性差，无法应用。芳香族聚酯(PET)和聚酰胺的熔点较高，强度好，是应用价值很高的工程塑料，但没有生物可降解性。将脂肪族和芳香族聚酯(或聚酰胺)制成一定结构的共聚物，这种共聚物具有良好的性能，又有一定的生物可降解性。

1.2.3天然高分子型

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，由其单独制成的薄膜的耐水性、强度均达不到要求，因此，它大多与其它高分子，如由甲壳质制得的脱乙酰基多糖等共混制得。

1.2.4掺合型

在没有生物可降解的高分子材料中，掺混一定量的生物可降解的高分子化合物，使所得产品具有相当程度的生物可降解性，这就制成了掺合型生物可降解高分子材料，但这种材料不能完全生物可降解。

1.3机理

一般高分子材料的生物降解可分为完全生物降解机理和光-生物降解机理[5]。完全生物降解机理大致有三种途径：①生物物理作用：由于生物细胞增长而使聚合物组分水解，电离质子化而发生机械性的毁坏，分裂成低聚物碎片；②生物化学作用：微生物对聚合物作用而产生新物质(CH4，CO2和H2O等)；③酶直接作用：被微生物侵蚀部分导致材料分裂或氧化崩裂。光-生物降解机理是材料中的淀粉等生物降解剂首先被生物降解，增大表面/体积比，同时，日光、热、氧引发光敏剂等使高聚物生成氧化物，并氧化断裂，分子量下降到能被微生物消化的水平。光-生物降解机理是材料中的淀粉等生物降解剂首先被生物降解，增大表面/体积比，同时，日光、热、氧引发光敏剂等使高聚物生成氧化物，并氧化断裂，分子量下降到能被微生物消化的水平。因此，生物可降解并非单一机理，而是一个复杂的生物物理、生物化学协同作用，相互促进的物理化学过程。到目前为止，有关生物可降解的机理尚未完全阐述清楚。除了生物可降解外，高分子在机体内的降解还被描述为生物吸收、生物侵蚀及生物劣化等。生物可降解高分子材料的降解除与材料本身性能有关外，还与温度、酶、pH、微生物等外部环境有关[2]。

1.4基本理论

聚合物生物降解性与其结构有很大关系，现归纳如下[1]：

①具有侧链的化合物难于降解，直链高分子比支链高分子、交联高分子易于生物降解。

②柔软的链结构容易被生物降解，有晶态结构阻碍生物降解，所以聚合物的无定形区总是比结晶区先降解，脂肪族聚酯较容易生物降解，而像聚对苯二甲酸二醇酯等刚性链的芳香族聚酯则是生物惰性的。主链的柔顺性越大，降解速率也越大。在高分子材料中加入增塑剂将对生物降解性产生影响，如加入增塑剂的软质PVC的生物降解性一般大于不加增塑剂的硬质PVC。

③具有不饱和结构的化合物难于降解，脂肪族高分子比芳香族高分子易于生物降解。

④分子量及其分布对高聚物的生物降解有很大影响，宽分子量分布的聚合物、低分子量的低聚物易于降解。

⑤非晶态聚合物比晶态聚合物易于降解，低熔点高分子比高熔点高分子易于降解。

⑥酯键、肽键易于生物降解，而酰胺键由于分子间的氢键难于生物降解。

⑦含有亲水性基团的亲水性高分子比疏水性高分子易于生物降解。

⑧环状化合物难于生物降解。

⑨表面粗糙的材料易降解。

1.5制备方法

1.5.1生物可降解高分子材料开发的传统

传统开发生物可降解高分子材料的方法包括天然高分子的改造法、化学合成法和微生物发酵法等[4]。

1.5.1.1天然高分子的改造法

通过化学修饰和共混等方法，对自然界中存在大量的多糖类高分子，如淀粉、纤维素、甲壳素等能被生物可降解的天然高分子进行改性，可以合成生物可降解高分子材料。此法虽然原料充足，但一般不易成型加工，而且产量小，限制了它们的应用[4]。

1.5.1.2化学合成法

模拟天然高分子的化学结构，从简单的小分子出发制备分子链上含有酯基、酰胺基、肽基的聚合物，这些高分子化合物结构单元中含有易被生物可降解的化学结构或是在高分子链中嵌入易生物可降解的链段。化学合成法反应条件苛刻，副产品多，工艺复杂，成本较高。

1.5.1.3微生物发酵法

许多生物能以某些有机物为碳源，通过代谢分泌出聚酯或聚糖类高分子。但利用微生物发酵法合成产物的分离有一定困难，且仍有一些副产品。

1.5.2生物可降解高分子材料开发的新方法-酶促合成

用酶促法合成生物可降解高分子材料，得益于非水酶学的发展，酶在有机介质中表现出了与其在水溶液中不同的性质，并拥有了催化一些特殊反应的能力，从而显示出了许多水相中所没有的特点[4]。

1.5.3酶促合成法与化学合成法结合使用