淺談生物可降解高分子材料

摘要：對生物可降解高分子材料的種類進行了綜述。介紹了生物可降解高分子材料的開發和應用。最后對生物可降解高分子材料進行了展望。

關鍵詞：高分子材料 可降解

1、引言

生物可降解高分子材料是指在一定條件下能直接被生物降解的材料。工業化的發展為人類提供了許多新的材料，它們在不斷改善人類物質生活的同時也帶來了很多污染， 導致人類的生存環境迅速惡化。在眾多的環境污染中，高分子廢棄物對環境的污染尤為突出，。為此， 開發可降解的高分子材料，是解決環境污染的重要途徑。近年來，可降解高分子材料的研究開發已成為高分子領域的熱點之一。生物可降解高分子材料是其中的重要組成部分，隨著人們對生物可降解高分子材料認識的不斷深入，開發它的途徑也變得多種多樣。

2、生物可降解高分子材料的種類

2.1微生物合成高分子材料

在控制氧、氮、磷和礦物離子等生命養料的環境中， 某些細菌在發酵期間其內部會產生大量的生物降解脂肪族聚酯。20 世紀 70 年代， 英國 ICI 公司首先開發出了羥基丁酸酯-羥基戊酸酯共聚物( PHB -HV) Biopol產品， 這種材料可制成紙張涂膜、薄膜或發泡成型用作食品包裝和容器等。后來日本、美國的一些公司繼續進行這一事業。以PHB為主體的生物可降解高分子材料具有很好的生物降解性， 但是生產的效率低， 替代通用的高分子材料的成本也受到限制。很多國家因此開展了許多研究工作， 但已經商品化的只有 Biopol。Biopol的機械性能(從硬質到軟質)、 耐水性、耐熱性、耐藥性、 耐油性和氣體屏障性均優良， 拉伸強度為18—30MPa， Biopol 在好氣和厭氣條件下均可顯示出良好的生物降解性， 最后分解為水和二氧化碳而消失，但在凈水和空氣中不會降解。

2.2化學合成生物可降解高分子材料

用化學合成的方法生產的生物可降解高分子材料具實用價值并商品化的主要有聚乳酸、脂肪族聚酯和聚乙烯醇等。日本昭和高分子公司由二酸和二醇脫水聚合制得了聚亞丁基丁二酸( PBS) 和聚亞丁基丁二酸 -己二酸酯( PBSA)；美國 Union Carbide 公司以聚己內酯( PCL) 為原料開發了Tone商品； 日本昭和高分子公司也開發了類似的產品， 命名為 Bionolle。近年來世界上研究開發最多的可降解高分子材料是聚乳酸( PLA) 。目前國際市場上出售的 PLA 樹脂僅有 5 種: 三井化學公司的產品 LACEA；大日本油墨與化學公司的產品 CPLA； Cargill Dow公司的產品 Ecopla；日本島津制作所的產品 LACTY；美國 Chronopol 公司的產品 Heplon。

2.3天然高分子合成材料

纖維素、甲殼素、蛋白質、淀粉等天然高分子在自然界的資源豐富。這類自然生長、自然分解的產物完全無毒， 但大多熱塑性差， 難成型加工， 耐水性不好， 往往不能單獨使用?，F在一般將其和化學合成的生物可降解高分子材料摻混在一起制成高分子合金， 或著對其進行改進， 使其具有可加工性。日本四國工業試驗所成功開發了以纖維素和乙酰多糖為主要成分的高分子材料， 試制的生物降解薄膜、發泡塑料、無紡布等已接近實用化。美國 Warner -Lamber 藥物公司研究出一種完全用淀粉制成的新型樹脂， 由30%( 質量分數，文中涉及的含量均為質量分數) 線形淀粉和70%支鏈淀粉組成。該樹脂可以造粒， 能用擠出法、注射法及其它標準方法加工成型， 可替代現代農業和醫藥上使用的各種生物降解材料， 因而被認為是材料科學發展史上重大的進展。目前， 日本、美國已在堿性的條件下使用甲殼質脫乙酰得到殼聚糖， 再由殼聚糖開發出了一系列可以生物降解的制品， 如外科縫線、絮凝劑、 緩釋藥膜材料、人造皮膚、分離膜材料、固定酶載體等。

3、生物可降解高分子材料的開發

3.1 生物可降解高分子材料開發的傳統方法傳統開發生物可降解高分子材料的方法包括微生物發酵法、天然高分子的改造法和化學合成法等。

3.1.1微生物發酵法

許多生物以某些有機物為碳源， 通過代謝分泌出聚糖或聚酯類高分子。然而利用微生物發酵法合成產物后進行分離有一定困難， 且仍存在一些副產品。

3.1.2天然高分子的改造法

通過化學修飾和共混等方法，對自然界中存在的多糖類高分子(如淀粉、 纖維素、 甲殼素等能被生物降解的天然高分子)進行改性， 可以合成生物可降解的高分子材料。雖然這種方法原料充足， 但一般成型加工困難，并且產量小，它們的應用受到很大限制。

3.1.3化學合成法

模擬天然高分子的化學結構，從簡單的小分子制備成分子鏈上含有酰胺基、酯基、肽基的聚合物， 這些高分子化合物的結構單元中含有易被生物降解的化學結構或著是在高分子鏈中加入易生物降解的鏈段。化學合成法反應的條件苛刻， 副產品較多，工藝復雜， 成本也比較高。

3.2 生物可降解高分子材料開發的新方法---酶促合成

由于非水酶學的發展，酶促法合成的生物可降解高分子材料得到了開發。在有機介質中，酶與其在水溶液中表現出的性質不同， 并擁有了催化等一些特殊的反應能力，從而顯示出許多水相中沒有的特點。例如可提高非極性底物和產物的溶解度， 熱力學平衡向合成的方向移動等。酶對底物的專一性使聚合結果無副產物產生， 產物也容易分離。酶可以回收利用， 從而降低了產物的成本。酶的反應條件溫和， 并且可以合成一些采用傳統法難以得到的像光學活性的生物可降解高分子等的產品。酶促方法的酶比較有限， 反應類型也有限。

3.3酶促合成法與化學合成法結合使用

酶促合成法具有較高的位置及立體選擇性， 而化學聚合能有效提高聚合物的分子量。因此， 為了提高聚合效率，許多研究者已經開始用酶促法與化學法聯合使用的方法來合成生物可降解高分子材料。

4、生物可降解離分子材料的應用

在工農業生產領域、生物醫學領域和生活領域中生物可降解高分子的應用都很常見。其中聚乳酸尤為突出，其產能占各類生物聚合物總產能的 2/3 左右。纖維、包裝和醫用是三大熱門領域。包裝市場的消費量約占聚乳酸總消費量的70％。

5、生物可降解高分子材料的前景

生物可降解高分子材料是一類極具前途的高分子材料， 其重要地位是不言而喻的，很值得材料研究工作者為之奮斗。世界各國也在竭力研究和開發，并推廣其應用。為了使生物降解高分子材料更好地服務人類，今后的主要研究領域應當是：對現有的降解高分子進行改性，降低可生物降解材料成本，用新方法合成新穎結構的降解高分子，材料精細化，利用綠色天然的物質制造降解的高分子材料。雖然很多技術問題仍等待解決，但隨著人們能源危機意識和環保意識的不斷增強， 生物降解材料作為一種解決資源緊張、治理環境污染等難題的全新技術，必將進入人們日常生活，在各領域得到廣泛應用。