生物可降解高分子材料現(xiàn)階段的開發(fā)及應(yīng)用情況綜述

李 新

（尼勒克縣雪峰民用爆破器材有限責(zé)任公司，新疆 尼勒克 835700）

我國目前的高分子材料生產(chǎn)和使用已躍居世界前列，每年產(chǎn)生幾百萬噸廢舊物。如此多的高聚物迫切需要進(jìn)行生物可降解，以盡量減少對人類及環(huán)境的污染。生物可降解材料，是指在自然界微生物，如細(xì)菌、霉菌及藻類作用下，可完全降解為低分子的材料。這類材料儲存方便，只要保持干燥，不需避光，應(yīng)用范圍廣，可用于地膜、包裝袋、醫(yī)藥等領(lǐng)域。生物可降解的機(jī)理大致有以下3種方式：生物的細(xì)胞增長使物質(zhì)發(fā)生機(jī)械性破壞；微生物對聚合物作用產(chǎn)生新的物質(zhì)；酶的直接作用，即微生物侵蝕高聚物從而導(dǎo)致裂解。按照上述機(jī)理，現(xiàn)將目前研究的幾種主要的可生物可降解的高分子材料介紹如下。

1 生物可降解高分子材料概念及降解機(jī)理

生物可降解高分子材料是指在一定的時間和一定的條件下，能被微生物或其分泌物在酶或化學(xué)分解作用下發(fā)生降解的高分子材料。

生物可降解的機(jī)理大致有以下3種方式：生物的細(xì)胞增長使物質(zhì)發(fā)生機(jī)械性破壞；微生物對聚合物作用產(chǎn)生新的物質(zhì)；酶的直接作用，即微生物侵蝕高聚物從而導(dǎo)致裂解。一般認(rèn)為，高分子材料的生物可降解是經(jīng)過兩個過程進(jìn)行的。首先，微生物向體外分泌水解酶和材料表面結(jié)合，通過水解切斷高分子鏈，生成分子量小于500的小分子量的化合物；然后，降解的生成物被微生物攝入人體內(nèi)，經(jīng)過種種的代謝路線，合成為微生物體物或轉(zhuǎn)化為微生物活動的能量，最終都轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳。

因此，生物可降解并非單一機(jī)理，而是一個復(fù)雜的生物物理、生物化學(xué)協(xié)同作用，相互促進(jìn)的物理化學(xué)過程。到目前為止，有關(guān)生物可降解的機(jī)理尚未完全闡述清楚。除了生物可降解外，高分子材料在機(jī)體內(nèi)的降解還被描述為生物吸收、生物侵蝕及生物劣化等。生物可降解高分子材料的降解除與材料本身性能有關(guān)外，還與材料溫度、酶、PH值、微生物等外部環(huán)境有關(guān)。

2 生物可降解高分子材料的類型

按來源，生物可降解高分子材料可分為天然高分子和人工合成高分子兩大類。按用途分類，有醫(yī)用和非醫(yī)用生物可降解高分子材料兩大類。按合成方法可分為如下幾種類型。

2.1 微生物生產(chǎn)型

通過微生物合成的高分子物質(zhì)。這類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，可用于制造不污染環(huán)境的生物可降解塑料。如英國ICI公司生產(chǎn)的“Biopol”產(chǎn)品。

2.2 合成高分子型

脂肪族聚酯具有較好的生物可降解性。但其熔點低，強(qiáng)度及耐熱性差，無法應(yīng)用。芳香族聚酯(PET)和聚酰胺的熔點較高，強(qiáng)度好，是應(yīng)用價值很高的工程塑料，但沒有生物可降解性。將脂肪族和芳香族聚酯 (或聚酰胺)制成一定結(jié)構(gòu)的共聚物，這種共聚物具有良好的性能，又有一定的生物可降解性。

2.3 天然高分子型

自然界中存在的纖維素、甲殼素和木質(zhì)素等均屬可降解天然高分子，這些高分子可被微生物完全降解，但因纖維素等存在物理性能上的不足，由其單獨制成的薄膜的耐水性、強(qiáng)度均達(dá)不到要求，因此，它大多與其它高分子，如由甲殼質(zhì)制得的脫乙酰基多糖等共混制得。

2.4 摻合型

在沒有生物可降解的高分子材料中，摻混一定量的生物可降解的高分子化合物，使所得產(chǎn)品具有相當(dāng)程度的生物可降解性，這就制成了摻合型生物可降解高分子材料，但這種材料不能完全生物可降解。

3 生物可降解高分子材料的開發(fā)

3.1 生物可降解高分子材料開發(fā)的傳統(tǒng)方法

傳統(tǒng)開發(fā)生物可降解高分子材料的方法包括天然高分子的改造法、化學(xué)合成法和微生物發(fā)酵法等。

3.1.1 天然高分子的改造法

通過化學(xué)修飾和共混等方法，對自然界中存在大量的多糖類高分子，如淀粉、纖維素、甲殼素等能被生物可降解的天然高分子進(jìn)行改性，可以合成生物可降解高分子材料。此法雖然原料充足，但一般不易成型加工，而且產(chǎn)量小，限制了它們的應(yīng)用。

3.1.2 化學(xué)合成法

模擬天然高分子的化學(xué)結(jié)構(gòu)，從簡單的小分子出發(fā)制備分子鏈上含有酯基、酰胺基、肽基的聚合物，這些高分子化合物結(jié)構(gòu)單元中含有易被生物可降解的化學(xué)結(jié)構(gòu)或是在高分子鏈中嵌入易生物可降解的鏈段。化學(xué)合成法反應(yīng)條件苛刻，副產(chǎn)品多，工藝復(fù)雜，成本較高。

3.1.3 微生物發(fā)酵法

許多生物能以某些有機(jī)物為碳源，通過代謝分泌出聚酯或聚糖類高分子。但利用微生物發(fā)酵法合成產(chǎn)物的分離有一定困難，且仍有一些副產(chǎn)品。

3.2 生物可降解高分子材料開發(fā)的新方法——酶促合成

用酶促法合成生物可降解高分子材料，得益于非水酶學(xué)的發(fā)展，酶在有機(jī)介質(zhì)中表現(xiàn)出了與其在水溶液中不同的性質(zhì)，并擁有了催化一些特殊反應(yīng)的能力，從而顯示出了許多水相中所沒有的特點。

3.3 酶促合成法與化學(xué)合成法結(jié)合使用

酶促合成法具有高的位置及立體選擇性，而化學(xué)聚合則能有效的提高聚合物的分子量，因此，為了提高聚合效率，許多研究者已開始用酶促法與化學(xué)法聯(lián)合使用來合成生物可降解高分子材料。

4 生物可降解高分子材料的應(yīng)用

目前生物可降解高分子材料主要有兩方面的用途：（1）利用其生物可降解性，解決環(huán)境污染問題，以保證人類生存環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展。通常，對高聚物材料的處理主要有填埋、焚燒和再回收利用等3種方法，但這幾種方法都有其弊端。（2）利用其可降解性，用作生物醫(yī)用材料。目前，我國一年約生產(chǎn)3000多億片片劑與控釋膠囊劑，其中70%以上是上了包衣的表皮，其中包衣片中有80%以上是傳統(tǒng)的糖衣片，而國際上發(fā)達(dá)國家80%以上使用水溶性高分子材料作薄膜衣片，因此，我國的片劑制造水平與國際先進(jìn)水平有很大的差距。國外片劑和薄膜衣片多采用羥丙基甲纖維素，羥丙纖維素、丙烯酸樹脂、聚乙烯吡咯烷酮、醋酸纖維素、鄰苯二甲酸醋酸纖維素、羥甲基纖維素鈉、微晶纖維素、羥甲基淀粉鈉等。

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