可生物降解高分子材料的研究及应用

可生物降解高分子材料的研究及应用摘要：随着环境与能源等矛盾问题的日益突出，研究和开发可生物降解材料是解决环境污染问题的极为有效地途径，引起许多科研工作者的关注。作为 2 0世纪8 0年代后发展起来的新型材料，可生物降解的天然高分子材料是目前极具开发潜力的材料之一, 在多个领域都有应用。

Abstract : With the conflicts between the environment and energy becoming increasingly prominent,the effective ways to solve environmental pollution problems are to research and development biodegradable materials, and it has attracted many researchers attention. As the new material biodegradable natural polymers have profound potential for development at present.

关键词：高分子材料生物降解机理种类应用

进入世纪以来，随着科技进步和社会生产力的极大提高，人类创造了前所未有的物质财富，加速推进了文明发展的进程。与此同时，人口剧增、资源过度消耗、环境污染、生态破坏等成为全球性的重大问题，严重地阻碍着经济的发展和人民生活质量的提高，继而威胁着全人类的未来生存和发展。在这种严峻形势下，人类不得不重新审视自己的社会经济行为和走过的历程，认识到通过高消耗追求经济数量增长和“先污染后治理”的传统发展模式已不再适应当今和未来发展的要求，而必须努力寻求一条经济、社会、环境和资源相互协调的、既能满足当代人的需求而又不对满足后代人需求的能力构成危害的可持续发展的道路。随着城市化和工业化的不断发展，高分子材料已经成为与钢铁、水泥和木材等并重的四大支柱材料之一，虽然许多新材料的生产改善了人类的物质生活，但是与此同时也带来了大量的污染废弃物，加速了环境的恶化。因此可生物降解材料越来越引起人们的关注，并且对人类的生存、健康与发展将起重要作用。近些年来，可生物降解高分子材料的研发已成为高分子领域的热点之一，它具有质量轻、化学稳定性好、价格低廉以及可生物降解等优点。因此应用领域也比较广泛，例如建材业、农业和医学领域等等。特别是在水环境领域，可生物降解高分子材料起着十分关键的作用。

1 可生物降解高分子材料及其分类

生物降解高分子材料是在一定环境条件（如，温度、p H值和氧气）下，

并在细菌、真菌、霉菌和藻类等自然界的微生物作用下，能发生化学、生物或物理作用而降解或分解的高分子材料。理想的生物降解材料在微生物作用下, 能完全分解为二氧化碳和水。

根据生物降解高分子材料的降解特性可分为完全生物降解高分子材料和生物破坏性高分子材料；按照其来源的不同主要分为天然高分子材料、微生物合成高分子材料、化学合成高分子材料和掺混型高分子材料四类。

1．1 天然高分子材料

天然高分子物质如淀粉、纤维素、半纤维素、木质素、果胶、甲壳素、蛋白质等来源丰富、价格低廉，特别是天然产量居首位的纤维素和甲壳素．年生物合成量超过1010吨。利用它们制备的生物高分子材料可完全降解、具有良好的生物相容性、安全无毒，由此形成的产品兼具天然再生资源的充分利用和环境治理的双重意义，因而受到各国的重视。特别是日本。如日本四国工业技术实验所用纤维素和从甲壳素制得的脱乙酰壳聚糖复合，采用流延工艺制成的薄膜，具有与通用薄膜同样的强度，并可在2个月后完全降解；他们还对壳聚糖一淀料复合高分子材料进行了大量的研究工作，发现调节原料的比例、热处理温度，可改变高分子材料的强度和降解时间。

1．2 微生物合成高分子材料

微生物合成高分子材料是由生物通过各种碳源发酵制得的一类高分子材料，主要包括微生物聚酯、聚乳酸及微生物多糖，产品特点是能完全生物降解。其中聚酯类由英国ICI公司开发的商品名为Biopol最为典型萁成分是3一羟基丁酸酯(3HB)和3一羟基戊酸酯(3HV)的共聚物fPHBⅥ，由丙酸和葡萄糖为低物发酵合成。聚乳酸是世界上近年来开发研究最活跃的降解高分子材料之一，它在土壤掩埋3—6个月破碎，在微生物分解酶作用下，6～12个月变成乳酸，最终变成二氧化碳和水。

1．3 化学合成高分子材料

由于在自然界中酯基容易被微生物或酶分解，所以化学合成生物降解高分子材料大多是分子结构中含有酯基结构的脂肪族聚酯。聚酯及其共聚物可由二元醇和二元酸(或二元酸衍生物)、羟基酸的逐步聚合来获得，也可由内酯环的开环聚

合来制备。缩聚反应因受反应程度和反应过程中产生的水或其他小分子的影响，很难得到高分子量的产物。开环聚合只受催化剂活性和外界条件的影响，可得到高分子量的聚酯。相对分子量高达106．单体完全转化聚合。因此，开环聚合成为内酯、乙交酯、丙交酯的均聚和共聚合成生物降解高分子材料的理想聚合方法。目前开发的主要产品有聚乳酸(PLA)、聚己内酯(PCL)、聚丁二醇丁二酸酯(PBS)等。除了脂肪族聚酯外，多酚、聚苯胺、聚碳酸脂、聚天冬氨酸等也已相继开发成功。

1．4 掺混型高分子材料

掺混型高分子材料主要是指将两种或两种以上的高分子物共混或共聚，其中至少有一种组分是可生物降解的，该组分多采用淀粉、纤维素、壳聚糖等天然高分子。以淀粉为例，它可分为淀粉填充型、淀粉接枝共聚型和淀粉基质型生物降解高分子材料三类。淀粉与聚乙烯、聚乙烯醇、聚苯乙烯混合属淀粉填充型，淀粉接枝丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯苯乙烯等属淀粉接枝型，但是这两类高分子材料大部分不能完全彻底降解属于不完全生物降解高分子材料，所以其前景不是很好。淀粉基质型生物降解高分子材料是以淀粉为主体，加入适量可降解添加剂来制备。如美国Warner—Lambert公司的“Novon”的主要原料为玉米淀粉，添加可生物降解的聚乙烯醇，该产品具有良好的成型性，可完全生物降解。这是一类很有发展前途的产品，是90年代国外淀粉掺混型降解高分子材料的主攻方向。

2 生物降解材料的降解机理

生物降解材料的分解主要是通过微生物的作用，因此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，合成微生物体内所需要的物质或转化为微生物活动的能量，最终转化成二氧化碳和水。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，降解作用的形式主要有以下几种：1）生物物理作用，由于生物细胞的增长而使聚合物组分水解，而导致材料发生机械性毁坏，分裂成低聚物碎片；2）生物生化作用，微生物对聚合物作用而产生新的物质（甲烷、二氧化碳和水）；3）酶直接作用，被微生物侵蚀的材料制品，其部分成分分裂或氧化崩裂，进而导致材料分解。