淺談生物可降解高分子材料的研究與發展

黃鵬飛 何承超

摘 要：高分子材料又被稱作聚合物材料，是一種應用十分廣泛的物質。近年來，環境問題受到越來越高的重視。以塑料和工業涂料為首的高分子材料由于降解時間長、環境污染較大等問題使其發展受到制約。在這種情況下，新興的生物可降解高分子材料得到了研究人員的關注。基于此，本文首先介紹生物可降解高分子材料的定義和分類，隨后論述這種材料的應用前景。

關鍵詞：生物可降解;高分子材料;環境保護

一、 引言

隨著科學的發展，各種各樣的高分子材料被應用到日常生產和生活中。這些高分子材料絕大多數降解時間都很長，導致目前至少有超過1億噸的高分子廢棄物只能進行自然降解處理因而變成了污染源。這種狀況與“綠色發展”的理念嚴重不符。為了解決污染問題，各國開始對生物可降解高分子材料進行研究。這種新興材料在性能上與傳統高分子材料無太大差異，并且具有可以完全生物降解的特性。

二、 生物可降解高分子材料的定義和降解機理

生物可降解高分子材料指的是在自然環境下，通過水的參與，可以被微生物或者某些酶分解為普通分子物質的高分子材料。這些微生物包括藻類、細菌和霉菌。分解的過程本質上是一個由微生物或者某些酶參與的水解過程。在這一過程中，高分子材料的分子量逐漸減小，最終變成單體分子物質或者如二氧化碳和水這樣的代謝物質。

對于此類高分子材料的生物降解機理，大體上可以分為兩個環節。一方面是與自然環境相關的物理因素;另一方面是與微生物相關的化學因素。在物理因素方面，生物可降解高分子材料受到陽光輻照以及空氣中水分的影響，導致這些材料的活性增強，便于自然降解。在化學因素方面，微生物通過代謝活動或者產生某些水解酶侵蝕或者直接切斷生物可降解高分子材料的分子鏈，直接對其進行降解;降解之后的產物被微生物攝入到體內，為微生物的活動提供能量，其余的代謝產物將會以水和二氧化碳的形式流入到物質循環的過程中去。

三、 生物可降解高分子材料的分類

按照不同的分類方式可以將生物可降解高分子材料分成不同的類型。本文將根據生物可降解高分子材料的合成方式對其進行分類介紹。

（一） 自然合成的生物可降解高分子材料

自然界中存在大量有機高聚物，其中很多都可以作為高分子材料使用。在這些自然形成的有機聚合物當中，例如天然橡膠、甲殼素、蛋白質、瓊脂、纖維素和木質素等，在自然環境下都可以通過微生物進行降解，而且產物沒有任何毒性，更不會對環境造成影響。因此，從定義上來說，這些天然的有機聚合物都屬于生物可降解高分子材料。這些自然合成的生物可降解高分子材料由于熱塑性較差，因此加工制造存在一定困難。此外，這類高分子材料的力學性能以及復雜環境下的工作可靠性也不是很理想。

（二） 化工合成的生物可降解高分子材料

通過化學合成制造生物可降解高分子材料目前最為常見。這種方法合成的生物可降解高分子材料主要為脂肪族聚酯，較為常見的包括聚乳酸（PLA）、聚乙烯醇（PVA）以及聚丁二酸酯（PBS）等。其中發展最為迅速的是聚乳酸。此外，通過化工方法還可以合成芳香族聚酯，該類聚合物不具有生物降解的特性。但是，芳香族聚酯材料的強度、熔點以及可加工性都要優于脂肪族聚酯構成的高分子材料。基于上述原因，一些國家和科研單位開始著手研究將芳香族聚酯和脂肪族聚酯按照一定結構組成共聚物，使這種新材料既具有較好的理化特性，又能夠進行生物降解，保護環境。

（三） 利用微生物合成的生物可降解高分子材料

利用微生物合成生物可降解高分子材料的方法近年來得到了越來越廣泛的應用。它的合成原理是微生物在含有氮、磷等礦物質元素的環境中利用產生的酶將脂肪族聚酯降解，再將這些水解后的物質收集到一起形成新的高分子。這些新生成的高聚物含有大量的多糖和微生物聚酯。例如，在一定條件下，真氧產堿桿菌可以利用某些碳源產生聚-β-羥丁酸，廣泛應用于食品包裝以及薄膜生產上。

四、 生物可降解高分子材料的發展前景

（一） 農業方面

作為傳統農業國，我國每年要消耗數量極大的塑料地膜、大棚保暖層以及農產品包裝袋等。這些物資如果使用傳統塑料制品，將會對環境造成巨大污染。隨著材料制造技術的不斷發展，生物可降解高分子材料逐步替代了傳統的塑料制品被應用到農業生產上。這種材料不僅可以在自然狀態下進行生物降解，保護了環境;而且降解產物還能為農業生產提供養分，達到一種良性循環的狀態。

（二） 醫學方面

生物可降解高分子材料由于對人體危害很小所以被廣泛應用于醫學方面。早在20世紀七八十年代，生物可降解高分子材料就被應用于膠囊類藥品的藥物釋放體系當中，作為緩釋制劑的載體。隨后這種高聚物材料又被作為手術縫合線以及骨科損傷固定材料應用于外科手術當中。近年來，隨著醫學技術的發展，生物可降解高分子材料逐步在細胞組織修復工作中發揮重要作用。

（三） 包裝材料方面

塑料袋以及其他產品包裝袋向來是重要的環境污染源。將生物可降解高分子材料應用到產品包裝方面，可以在極大程度上緩解、治理“白色污染”。所以這種新興材料被越來越多地應用到物品包裝方面。例如在2017年問世的“Ooho”，就直接利用從棕藻中提取的海藻基膜包裝飲用水，代替了傳統的塑料水瓶包裝，從源頭上解決了塑料水瓶對于陸地以及海洋環境的污染。

五、 結束語

廣泛應用生物可降解高分子材料符合我國“保護環境”的基本國策以及“科學發展觀”的戰略思想。從生產應用方面來看，生物可降解高分子材料的成本相比于傳統高聚物材料仍然高出很多。從制備技術方面來看，這種材料的生產加工仍然存在困難。但是，作為一種新興材料，生物可降解高分子材料是解決全球化環境問題的重要突破口，具有廣闊的發展前景。所以，在機遇與挑戰面前加快發展腳步，對于我國生物可降解高分子材料的未來至關重要。

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作者簡介：

黃鵬飛，何承超，湖北省武漢市，武漢東湖學院15級生命科學與化學學院。