生物降解高分子材料

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1、生物降解高分子材料肖群（東北林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150040）摘要：高分子材料在日常生活中的使用量越來越大．然而高分子材料給人們生活帶來便利、改善生活品質(zhì)的同時(shí)，其使用后的大量塑料廢棄物也與日俱增。給人類賴以生存的環(huán)境造成了不可忽視的負(fù)面影響。本文簡(jiǎn)要介紹生物降解高分子材料的定義、降解機(jī)理及影響因素的基礎(chǔ)上，較為全面的闡述了當(dāng)前生物降解高分子材料的應(yīng)用領(lǐng)域。關(guān)鍵詞：生物降解，醫(yī)用生物材料，1前言聚合物工業(yè)蓬勃發(fā)展的同時(shí)也導(dǎo)致了環(huán)境污染的加劇，引起了人們對(duì)聚合物廢料處理的關(guān)注。目前全世界每年生產(chǎn)塑料約1．2億噸．

2、用后廢棄的大約占生產(chǎn)量的50％～60％。廢塑料的處理以掩埋和焚燒為主，但這兩種處理方法會(huì)產(chǎn)生新的有害物質(zhì)。對(duì)此，一些國(guó)家實(shí)行了3R工程，即減少使用、重復(fù)使用和回收循環(huán)。但對(duì)一些回收困難、不宜回收或需要追加很大能量才能回收的領(lǐng)域(如食品包裝、衛(wèi)生用品)，實(shí)施3R工程很困難，而如果使用生物降解材料則十分有利[1]。2生物降解高分子材料定義降解機(jī)理2．1生物降解高分子定義根據(jù)美國(guó)ASTM定義生物降解高分子材料是指在一定的條件下．一定的時(shí)間內(nèi)能被細(xì)菌、霉菌、藻類等微生物降解的高分子材料[2，3,4]。真正的生物降解高分子在有水存在的環(huán)境下

3、，能被酶或微生物水解降解，從而高分子主鏈斷裂，分子量逐漸變小，以致最終成為單體或代謝成CO2和H2O[5]。2.2生物降解高分子材料的降解機(jī)理生物降解機(jī)理和光一生物降解機(jī)理．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、C02和H20)：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。而光一生物降解機(jī)理則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)

4、光敏劑等使高聚物生成含氧化物，并氧化斷裂．分子量下降到能被微生物消化的水平。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)．不同的生物降解高分子材料的生物降解性與其結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系，包括化學(xué)結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)等。對(duì)不同種類的生物降解材料而言．它們降解機(jī)理的不同決定了它們具有不同的性質(zhì)。天然降解高分子材料．其本身來源于生物體，能保證足夠的細(xì)胞及組織親和性．降解周期一般較短．最終降解產(chǎn)物為多糖或氨基酸．容易被機(jī)體吸收．但是這種材料力學(xué)性能差。難于滿足組織構(gòu)建的速度要求，應(yīng)用時(shí)需要進(jìn)行改性?；瘜W(xué)合成的生物降解材料的組成、結(jié)構(gòu)和降解行為更易于控制。比如降解速度和強(qiáng)度

5、可調(diào)．易構(gòu)建高孔隙率三維支架．但材料本身對(duì)細(xì)胞親和力弱．往往需要引入適量能促進(jìn)細(xì)胞黏附和增值的活性基團(tuán)、生長(zhǎng)因子或黏附因子等。[6]3生物降解高分子材料的種類及降解過程3.1生物降解高分子材料的種類根據(jù)降解機(jī)理和破壞形式可將生物降解高分子分為完全生物降解高分子和生物破壞高分子兩種：①完全生物降解高分子：指在微生物作用下，在一定時(shí)間內(nèi)完全分解為CO：和H20的化合物。②生物破壞性(或稱崩解)高分子：指在微生物的作用下高分子僅能被分解為散亂的碎片。根據(jù)生產(chǎn)方法。又可分為以下3種。(1)微生物生產(chǎn)高分子。通過微生物發(fā)酵獲得高分子材料．較

6、有代表的如英國(guó)ICI公司開發(fā)的3一羥基丁酸和3一羥基戊酸酯的共聚物(PHBV)及其衍生物(商品名為Biop01)和日本東京工業(yè)大學(xué)開發(fā)的聚羥基丁酸酯(PHB)。這類產(chǎn)品具有較高的生物降解性．但價(jià)格昂貴，目前只在高檔消費(fèi)品中應(yīng)用。(2)合成高分子材料。如已成為研究開發(fā)熱點(diǎn)的聚乙烯醇和主要活躍在醫(yī)療領(lǐng)域的聚乳酸(PLA)等，另外還有美國(guó)UnionCarbide公司以聚己內(nèi)酯(PCL)為原料開發(fā)的商品名為“Tone”的產(chǎn)品(售價(jià)在4．4美ff．／kg左右)。(3)天然高分子材料。生物降解材料的研究和開發(fā)在很大程度上取決于天然原料的利用。

7、因?yàn)槿藗円逊浅Ｇ宄卣J(rèn)識(shí)到天然原料基本上能在自然界降解而且以其為原料的合成材料通常也會(huì)生物降解。如纖維素、淀粉、蛋白質(zhì)、甲殼素、木質(zhì)素、單寧和樹皮等原料合成的塑料，都是很好的生物降解化合物。在一些發(fā)達(dá)國(guó)家，已達(dá)到一定的開發(fā)利用水平，特別是通過化學(xué)修飾和共聚等方法對(duì)這些高分子進(jìn)行改性，可以合成許多有用的環(huán)境可降解高分子材料。添加劑型生物降解塑料是指將生物可降解成分以添加劑的形式加到原料中而制成的塑料。如普通的PE、PP、PS中添加淀粉或淀粉衍生物的塑料。這類產(chǎn)品雖然在技術(shù)和應(yīng)用上還存在一些問題。但其價(jià)格相對(duì)低廉。3．2生物降解的過程

8、生物降解過程主要分為3個(gè)階段：(1)高分子材料的表面被微生物黏附．微生物黏附表面的方式受高分子材料表面張力、表面結(jié)構(gòu)、多孔性、溫度和濕度等環(huán)境的影響。(2)微生物在高分子材料表面上所分泌的酶作用下，通過水解和氧化等反應(yīng)將高分子斷裂成低相對(duì)分子質(zhì)量的