生物降解高分子材料的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

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1、生物降解高分子材料的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景吳衛(wèi)霞1涂阿朋2肖俊霞1段明鋒1(1.江漢石油學(xué)院化學(xué)工程系；2.土哈油田鉆井公司)摘要目前，處理高分子材料的一些傳統(tǒng)方法，如焚燒法、掩埋法、熔融共混擠出法、回收利用等都存在一定的缺陷和局限性，給環(huán)境保護(hù)帶來(lái)嚴(yán)重的困難。因此，開(kāi)發(fā)環(huán)境可接受的降解性高分子材料是解決環(huán)境污染的重要途徑。生物降解高分子是指通過(guò)自然界或添加的微生物的化學(xué)作用，將高分子物質(zhì)分解成小分子化合物，再進(jìn)入自然的循環(huán)過(guò)程。論述了生物降解高分子材料的研究現(xiàn)狀，并對(duì)生物降解高分子材料的降解機(jī)理、影響因

2、素及其在醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、包裝業(yè)和其他領(lǐng)域的潛在應(yīng)用前景進(jìn)行了探討。關(guān)鍵詞生物降解高分子材料降解機(jī)理影響因素研究現(xiàn)狀應(yīng)用前景0引言斷裂成穩(wěn)定的小分子產(chǎn)物，完成降解過(guò)程[4]。一般高分子材料的生物降解可分為完全生物降解機(jī)理和光-生物降解機(jī)理[5]。完全生物降解機(jī)理大致有三種途徑：①生物物理作用：由于生物細(xì)胞增長(zhǎng)而使聚合物組分水解，電離質(zhì)子化而發(fā)生機(jī)械性的毀壞，分裂成低聚物碎片；②生物化學(xué)作用：微生物對(duì)聚合物作用而產(chǎn)生新物質(zhì)（CH4，CO2和H2O）；③酶直接作用：被微生物侵蝕部分導(dǎo)致材料分裂或氧化崩裂。光-生

3、物降解機(jī)理是材料中的淀粉等生物降解劑首先被生物降解，增大表面/體積比，同時(shí)，日光、熱、氧引發(fā)光敏劑等使高聚物生成氧化物，并氧化斷裂，分子量下降到能被微生物消化的水平。隨著大量高分子材料在各個(gè)領(lǐng)域的使用，廢棄高分子材料對(duì)環(huán)境的污染有著日益加劇的趨勢(shì)。塑料是應(yīng)用最廣泛的高分子材料，按體積計(jì)算已居世界首位，由于其難以降解，隨著用量的與日俱增，廢塑料所造成的白色污染已成為世界性的公害[1]。目前，處理高分子材料的一些老套方法如焚燒、掩埋、熔融共混擠出法、回收利用等都存在缺陷并有一定的局限性，給環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的負(fù)

4、荷，因此開(kāi)發(fā)環(huán)境可接受的降解性高分子材料是解決環(huán)境污染的重要途徑。生物降解高分子是指通過(guò)自然界或添加的微生物的化學(xué)作用，將高分子物質(zhì)分解成小分子化合物，再進(jìn)入自然的循環(huán)過(guò)程，這種方法簡(jiǎn)潔有效，而且對(duì)環(huán)境的保護(hù)有積極的作用[2]。同時(shí)，隨著高新技術(shù)的發(fā)展，生物降解高分子材料也滿足了醫(yī)學(xué)和農(nóng)業(yè)及其他方面的需求，成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)。2影響生物降解的因素生物降解高分子在制造和使用過(guò)程中應(yīng)保持穩(wěn)定,并要求在廢棄后及時(shí)進(jìn)行生物降解，因此影響生物降解性的因素成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)之一。環(huán)境因素[4,6]是指水、溫度、

5、pH值和氧的濃度。水是微生物生成的基本條件，因此聚合物能保持一定的濕度是其可生物降解的首要條件。每一種微生物都有其適合生長(zhǎng)的最佳溫度，通常真菌的適宜溫度為20℃～28℃，細(xì)菌則為28℃～37℃。一般來(lái)說(shuō),真菌適宜長(zhǎng)在酸性環(huán)境中，而細(xì)菌適宜長(zhǎng)在微堿性條件下。真菌為好氧型的，細(xì)菌則可在有氧或無(wú)氧條件下生長(zhǎng)。材料的結(jié)構(gòu)是決定其是否可生物降解的根本因素。1高分子生物降解機(jī)理理想的生物降解高分子材料是一種具有優(yōu)良的使用性能，廢棄后可被環(huán)境微生物完全分解，最終被無(wú)機(jī)化而成為自然界中碳元素循環(huán)的一個(gè)組成部分的高分子

6、材料[3]。生物降解高分子材料的生物降解通常是指以化學(xué)方式進(jìn)行的，即在微生物活性（有酶參與）的作用下，酶進(jìn)入聚合物的活性位置并滲透至聚合物的作用點(diǎn)后，使聚合物發(fā)生水解反應(yīng)從而使聚合物的大分子骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生斷裂成為小的鏈段，并最終──────────吳衛(wèi)霞，在讀碩士研究生，現(xiàn)從事環(huán)境有機(jī)地球化學(xué)方面的研究。E－mail：woxiangfei19780@eyou.com通訊地址：湖北荊州，434023油氣田環(huán)境保護(hù)綜述第15卷·第1期·41·˙一般情況下只有極性高分子材料才能與酶相粘附并很好地親和，因此高分

7、子材料具有極性是生物降解的必要條件。高分子的形態(tài)、形狀、分子量、氫鍵、取代基、分子鏈剛性、對(duì)稱性等均會(huì)影響其生物降解性[7]。另外，材料表面的特性對(duì)微生物降解也有影響，粗糙表面材料比光滑表面材料更易降解。是合成的高分子材料卻具有更多的優(yōu)點(diǎn)。它可以從分子化學(xué)的角度來(lái)設(shè)計(jì)分子主鏈的結(jié)構(gòu)，從而來(lái)控制高分子材料的物理性能，而且可以充分利用來(lái)自自然界中提取或合成的各種小分子單體[1]。合成高分子主要有化學(xué)合成、微生物合成和最新研究的酶促合成高分子。目前，開(kāi)發(fā)的合成高分子產(chǎn)品主要有聚乳酸（PLA）、聚己內(nèi)酯（PC

8、L）、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繼開(kāi)發(fā)成功[10]。◆聚乳酸（PLA）[11～14]聚乳酸是一種典型的完全生物降解性高分子材料，有關(guān)聚乳酸的研究一直是生物降解性高分子材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。目前，合成聚乳酸的方法主要有直接法和間接法兩種。直接法合成聚乳酸是在脫水劑的存在下，乳酸分子間受熱脫水，直接縮聚成低聚物，然后在繼續(xù)升溫，低分子量的聚乳酸擴(kuò)鏈成更高分子量的聚乳酸。早在20世紀(jì)30年代，美國(guó)化