可降解生物材料

可降解生物材料

摘要：本文介绍了可降解生物材料的定义，阐述生物降解材料的降解机理及分类(掺混型、化学合成型、天然高分子型以及微生物合成型材料)。指出降解材料当前存在的主要问题, 并对其发展前景进行展望。

关键词：生物材料；可降解性；降解机理；分类

前言

合成高分子材料具有质轻、强度高、化学稳定性好以及价格低廉等优点，与钢铁、木材、水泥并列成为国民经济的四大支柱[1]。然而，在合成高分子材料给人们生活带来便利、改善生活品质的同时，其使用后的大量废弃物也与日俱增，成为白色污染源,严重危害环境,造成地下水及土壤污染,危害人类生存与健康，给人类赖以生存的环境造成了不可忽视的负面影响[2]。另外，生产合成高分子材料的原料——石油也总有用尽的一天，因而，寻找新的环境友好型材料，发展非石油基聚合物迫在眉睫，而可生物降解材料正是解决这两方面问题的有效途径。

1.可生物降解材料定义及降解机理

生物降解材料,亦称为“绿色生态材料”,指的是在土壤微生物和酶的作用下能降解的材料。具体地讲,就是指在一定条件下,能在细菌、霉菌、藻类等自然界的微生物作用下,导致生物降解的高分子材料[3]。理想的生物降解材料在微生物作用下,能完全分解为CO2和H2O。

生物降解材料的分解主要是通过微生物的作用,因而,生物降解材料的降解机理即材料被细菌、霉菌等作用消化吸收的过程。

首先,微生物向体外分泌水解酶与材料表面结合,通过水解切断表面的高分子链,生成小分子量的化合物,然后降解的生成物被微生物摄入体内,经过种种代谢路线,合成微生物体物或转化为微生物活动的能量,最终转化成CO2和H2O[4]。在生物可降解材料中,对降解起主要作用的是细菌、霉菌、真菌和放线菌等微生物,其降解作用的形式有3种[5]: 生物的物理作用,由于生物细胞的增长而使材料发生机械性毁坏；生物的生化作用,微生物对材料作用而产生新的物质；酶的直接作用,微生物侵蚀材料制品部分成分进而导致材料分解或氧化崩溃。

2.可生物降解材料的分类及应用

根据降解机理生物降解材料可分为[6]生物破坏性材料和完全生物降解材料。生物破坏性材料属于不完全降解材料,是指天然高分子与通用型合成高分子材料

共混或共聚制得的具有良好物理机械性能和加工性能的生物可降解材料,主要指掺混型降解材料；完全生物降解材料主要指本身可以被细菌、真菌、放线菌等微生物全部分解的生物降解材料,主要有化学合成型生物降解材料、天然高分子型和微生物合成型降解材料等。

2.1掺混型生物降解材料

掺混型生物降解材料是指将两种或两种以上高分子物（其中至少有一种组分具有生物可降性)共混复合制得的生物降解高分子材料。选用的生物降解组分大多采用淀粉、纤维素、木粉等天然高分子,其中又以淀粉居多。目前已工业化的产品为美国Warn-er Lambert公司的“Novon”。“Novon”是以变性淀粉为主, 且配有少量其他生物降解性添加剂的高淀粉含量(含量大于90%)的天然聚合物材料, 可完全生物降解, 且分解速率在一年之内可控。另外,“Novon”可采用挤出、注塑、层压、吹塑等成型加工方法, 产品广泛应用于垃圾袋、购物袋、一次性食品容器、医疗器材、缓冲发泡制品等[7]。

2.2 化学合成型生物降解材料

化学合成型生物降解材料是指利用化学方法合成制造的生物降解材料。此类高分子材料大多是在分子结构中引入具有酯基结构的脂肪族(共)聚酯, 在自然界中酯基容易被微生物或酶分解。目前已开发的主要产品有聚乳酸、聚己内酯( PCL)、聚丁烯琥珀酸酯( PBS)等。

聚乳酸具有优良的生物相容性和可吸收性,无毒、无刺激性,它在自然界中能完全分解为CO2和H2O,对环境无污染,是目前最有前途的可生物降解的聚合物之一。聚乳酸用途广泛, 目前已被应用于生物医用高分子、纺织和包装等行业。聚己内酯(PCL)具有优良的生物相容性、记忆性以及生物可降解性等,其产品多集中在医疗和日用方面,如矫正器、缝合线、绷带、降解塑料等。

2.3 天然高分子型生物降解材料

天然高分子生物降解材料是利用生物可降解的天然高分子如植物来源的生物物质和动物来源的甲壳质等为基材制造的材料,植物来源包括细胞壁组成的纤维素、半纤维素、木质素、淀粉、多糖类及碳氢化合物,动物来源主要是虾、螃蟹等甲壳动物[8]。

此类降解材料原料来源丰富,可完全生物降解,而且产物安全无毒性,日益受到重视。然而,天然高分子材料虽具有完全生物降解性,但是它的热学、力学性能差,不能满足工程材料的性能要求,因此目前的研究方向是通过天然高分子改性,得到有使用价值的天然高分子降解塑料。

2.4 微生物合成型生物降解材料

微生物合成型生物降解材料是指以有机物为碳源,通过微生物的发酵而得到的生物降解材料,主要包括微生物聚酯和和微生物多糖,其中微生物聚酯方面的

研究较多[9]。材料是含碳为主的聚合物,当其进入环境后,微生物可把其作为自己的营养物质而分解、消化、吸收,通过发酵合成高分子聚酯,并将其以颗粒状存在菌体内。目前常见的生物合成生物降解材料有生物聚酯(PHA)和聚羟基丁酯(PHB)[10]。

PHA具有类似于塑料的物化特性并具有可控的生物可降解性。美国宝洁公司已经开发成功了作为缝合线、无纺布和各种包装用材料的PHA系列产品及其多种应用。目前,PHA在全球的研究主要集中在利用其生物可降解性、生物相容性等特征,开发在医疗、制药、电子等高附加值领域的用途。PHB是一种硬而脆的热塑性聚合物,其常温下的力学性能与PP相当,导致PHB这种力学性能的主要原因应为结晶度和结晶形态。

3.存在问题

近年来,国内外可生物降解材料得到了很快的发展。尤其是一次性使用材料制品,如可降解食品包装袋、饮料瓶、农用薄膜等已实现了工业化生产。但是目前可生物降解材料的开发和应用还存在以下的一些问题:

(1)市场应用。由于生产可降解材料的成本偏高,造成其在市场中价格偏高, 这样就给可降解材料的推广造成了很大的影响。

(2)技术与工艺。与传统塑料相比,可降解材料存在抗水性差、力学性能差和加工性能差的问题,很难满足工业化生产要求。另外,降解材料准确的降解时控性,用后快速降解性、彻底降解性以及边角料的回收利用技术等还有待进一步提高和完善。

(3)降解材料的标准及试验评价方法。对生物降解材料,世界上尚没有统一的试验评价方法,识别标志和产品检测技术,致使缺乏正确统一的认识和确切的评价,产品市场比较混乱,真假难辩。

4.展望

近年来,随着原料生产和制品加工技术的进步,可生物降解材料备受关注, 成为可持续、循环经济发展的焦点。目前我国生物降解材料开发和应用领域,在自主知识产权、创新型产品等方面的研发能力、投入量等方面均有待提高,生物降解材料的回收处理系统还有待完善。为了更好的实现可生物降解材料的产业化,今后还应该在以下几个方面做出努力:一是建立快速、简便的生物降解性的评价方法,反映降解材料在自然界中生物降解的实际情况；二是进一步研究可生物降解材料的分解速率、分解彻底性以及降解过程和机理, 开发可控制降解速率的技术；三是通过结构和组成优化、加工技术及形态结构控制等,开发调控材料性能新手段；四是为了提高与其他材料的竞争力,必须研究和开发具有自主知识产权的新方法、新工艺和新技术,简化合成路线,降低生产成本,参与国际竞争。