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(jìn)行了綜述。介紹了生物可降解高分子材料的開發(fā)和應(yīng)用。最后對生物可降解高分子材料進(jìn)行了展望。

關(guān)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(yè)化的發(fā)展為人類提供了許多新的材料，它們在不斷改善人類物質(zhì)生活的同時也帶來了很多污染， 導(dǎo)致人類的生存環(huán)境迅速惡化。在眾多的環(huán)境污染中，高分子廢棄物對環(huán)境的污染尤為突出，。為此， 開發(fā)可降解的高分子材料，是解決環(huán)境污染的重要途徑。近年來，可降解高分子材料的研究開發(fā)已成為高分子領(lǐng)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(rèn)識的不斷深入，開發(fā)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(yǎng)料的環(huán)境中， 某些細(xì)菌在發(fā)酵期間其內(nèi)部會產(chǎn)生大量的生物降解脂肪族聚酯。20 世紀(jì) 70 年代， 英國 ICI 公司首先開發(fā)出了羥基丁酸酯-羥基戊酸酯共聚物( PHB -HV) Biopol產(chǎn)品， 這種材料可制成紙張涂膜、薄膜或發(fā)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(xù)進(jìn)行這一事業(yè)。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(chǎn)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(jīng)商品化的只有 Biopol。Biopol的機(jī)械性能(從硬質(zhì)到軟質(zhì))、 耐水性、耐熱性、耐藥性、 耐油性和氣體屏障性均優(yōu)良， 拉伸強(qiáng)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(xué)合成生物可降解高分子材料

用化學(xué)合成的方法生產(chǎn)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(nèi)酯( PCL) 為原料開發(fā)了Tone商品； 日本昭和高分子公司也開發(fā)了類似的產(chǎn)品， 命名為 Bionolle。近年來世界上研究開發(fā)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(xué)公司的產(chǎn)品 LACEA；大日本油墨與化學(xué)公司的產(chǎn)品 CPLA； Cargill Dow公司的產(chǎn)品 Ecopla；日本島津制作所的產(chǎn)品 LACTY；美國 Chronopol 公司的產(chǎn)品 Heplon。

2.3天然高分子合成材料

纖維素、甲殼素、蛋白質(zhì)、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(chǎn)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(xiàn)在一般將其和化學(xué)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(jìn)行改進(jìn)， 使其具有可加工性。日本四國工業(yè)試驗所成功開發(fā)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(fā)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(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的含量均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)) 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(biāo)準(zhǔn)方法加工成型， 可替代現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和醫(yī)藥上使用的各種生物降解材料， 因而被認(rèn)為是材料科學(xué)發(fā)展史上重大的進(jìn)展。目前， 日本、美國已在堿性的條件下使用甲殼質(zhì)脫乙酰得到殼聚糖， 再由殼聚糖開發(fā)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(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微生物發(fā)酵法、天然高分子的改造法和化學(xué)合成法等。

3.1.1微生物發(fā)酵法

許多生物以某些有機(jī)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(fā)酵法合成產(chǎn)物后進(jìn)行分離有一定困難， 且仍存在一些副產(chǎn)品。

3.1.2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(jìn)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(chǎn)量小，它們的應(yīng)用受到很大限制。

3.1.3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(jié)構(gòu)單元中含有易被生物降解的化學(xué)結(jié)構(gòu)或著是在高分子鏈中加入易生物降解的鏈段?；瘜W(xué)合成法反應(yīng)的條件苛刻， 副產(chǎn)品較多，工藝復(fù)雜， 成本也比較高。

3.2 生物可降解高分子材料開發(fā)的新方法---酶促合成

由于非水酶學(xué)的發(fā)展，酶促法合成的生物可降解高分子材料得到了開發(fā)。在有機(jī)介質(zhì)中，酶與其在水溶液中表現(xiàn)出的性質(zhì)不同， 并擁有了催化等一些特殊的反應(yīng)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(chǎn)物的溶解度， 熱力學(xué)平衡向合成的方向移動等。酶對底物的專一性使聚合結(jié)果無副產(chǎn)物產(chǎn)生， 產(chǎn)物也容易分離。酶可以回收利用， 從而降低了產(chǎn)物的成本。酶的反應(yīng)條件溫和， 并且可以合成一些采用傳統(tǒng)法難以得到的像光學(xué)活性的生物可降解高分子等的產(chǎn)品。酶促方法的酶比較有限， 反應(yīng)類型也有限。

3.3酶促合成法與化學(xué)合成法結(jié)合使用

酶促合成法具有較高的位置及立體選擇性， 而化學(xué)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(jīng)開始用酶促法與化學(xué)法聯(lián)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(yīng)用

在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和生活領(lǐng)域中生物可降解高分子的應(yīng)用都很常見。其中聚乳酸尤為突出，其產(chǎn)能占各類生物聚合物總產(chǎn)能的 2/3 左右。纖維、包裝和醫(yī)用是三大熱門領(lǐng)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(fā)，并推廣其應(yīng)用。為了使生物降解高分子材料更好地服務(wù)人類，今后的主要研究領(lǐng)域應(yīng)當(dāng)是：對現(xiàn)有的降解高分子進(jìn)行改性，降低可生物降解材料成本，用新方法合成新穎結(jié)構(gòu)的降解高分子，材料精細(xì)化，利用綠色天然的物質(zhì)制造降解的高分子材料。雖然很多技術(shù)問題仍等待解決，但隨著人們能源危機(jī)意識和環(huán)保意識的不斷增強(qiáng)， 生物降解材料作為一種解決資源緊張、治理環(huán)境污染等難題的全新技術(shù)，必將進(jìn)入人們?nèi)粘Ｉ?，在各領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。