可生物降解高分子材料的研究進展及其應用

陸天忻

（無錫市第一中學，江蘇無錫 214031）

0.引言

1905 年的一天，美國化學家貝克蘭在進行一次實驗時，偶然將兩種化學試劑（苯酚和甲醛）一同加入燒瓶，又加入了酸一起共熱。結果燒瓶內壁奇跡般地出現了一種有黏性的黃色膠狀物，不僅無法用水沖除，而且受熱還會持續變硬。這種從未見過的物質引起了貝克蘭的注意，就這樣，經過4 年的埋頭苦干，貝克蘭終于弄清了這種神奇物質的性質，并發明了一種重要的材料— 塑料。

100 多年來，塑料始終是一種十分重要的材料。小到幾乎人手一部的手機、超市中的購物袋，大到遠涉重洋的艦艇，在浩瀚宇宙中飛行的宇宙飛船，塑料以較低的密度、良好的絕緣性和化學穩定性成為制造商們優先考慮的材料。不過，正是因為塑料的化學性質十分穩定，我們很難用溫和的手段處理大部分廢棄的塑料，一些沒有被集中處理過的塑料制品會造成嚴重的污染。

可生物降解高分子材料可能是塑料的最佳替代品。科學家對可生物降解高分子材料的性質及其應用進行了深入的研究。他們發現，聚乳酸（PLA）、聚乙二酸丁二酸丁二酯（PBSA）等材料，可能在農業、醫藥和其他領域有著廣泛的應用[1]。它們的機械性能優良，制備成本相對較低，是塑料的良好替代品。我們可以應用這些材料，制作農用薄膜、漁具、快餐包裝紙和尿布等農用物品及生活用品，也可以應用它們制造毒性較低的藥物及生物相容性較好的醫療器械。

1.可生物降解高分子材料

高分子材料是高分子量的固態非金屬化合物，它們由重復的大分子組成，不同成分的高分子材料具有不同的特性。許多高分子材料都是由不可再生原料制成的，我們需要將來自石油的有機物連接起來，制成具有各種性能的高分子材料，然而，由于這些材料的化學性質相對穩定，它們很難在自然條件下降解。大量的不可降解高分子材料會造成嚴重的環境污染，威脅人類的健康和其他生物的生存。由于制備成本較低，降解速度較快，可生物降解高分子材料成為了不可降解高分子材料的最佳替代品。

可生物降解高分子材料具有許多傳統塑料不具備的優勢。第一，它的機械性能較好，許多可生物降解高分子材料的抗拉、抗壓能力較強，在工業生產中有著廣泛的應用。第二，可生物降解高分子材料的降解時間僅為普通塑料的1/10，它不會長期存在于土壤、湖泊中，威脅動物的生存。第三，我們可以通過人工手段，去除其中的重金屬污染物，減少環境污染。第四，由于分子間的化學連接方式較為特殊，可生物降解高分子材料在燃燒時幾乎不會產生致癌產物，而普通塑料燃燒時會產生大量的致癌物質。第五，我們可以將可生物降解高分子材料填埋到土壤中，在它們降解時，會釋放出二氧化碳、氨氣等有益植物生長的氣體，促進作物生長。第六，生物相容性實驗表明，可生物降解高分子材料在進入人體后，幾乎不會被人體識別為外來物，不引起免疫反應。此外，人體可以將可生物降解高分子材料的降解產物快速地排出體外，因此，在外科手術中，可生物降解高分子材料倍受青睞[2]。

2.可生物降解高分子材料的研究進展

天然存在的生物聚合物主要有4 種來源：動物可以提供膠原蛋白和明膠；海洋可以提供可被加工成殼聚糖的幾丁質；微生物可以提供許多種生物聚合物原料，應用這些原料，我們可以高效地生產聚乳酸（PLA）和多羥基鏈烷酸酯（PHA）；植物可以提供類似親水膠體和脂肪的生物聚合物，這類由加拿大科學家開發的聚合物性能很好，是一種比較有前景的可生物降解高分子材料。應用先進的生物化工技術，科學家可以高效地將天然存在的生物聚合物制成多種可生物降解高分子材料，并將它們制成工業品、醫療用品及生活用品，在這些物品廢棄后，它們的分解產物不會對環境造成較大的影響，十分經濟且環保[3]。

2.1 淀粉基生物降解塑料

淀粉是一種十分常見的水膠體生物聚合物，存在于多種植物中，小麥、玉米、大米、豆類和馬鈴薯等農作物中都含有大量的淀粉。

由于淀粉基化合物來源廣泛、價格低廉、更容易被生物降解等優點，淀粉基生物降解材料成為一種非常重要的可生物降解高分子材料。淀粉基生物降解塑料主要包括淀粉填充型降解材料和淀粉基完全生物降解材料。

如果我們將淀粉與其他高聚物共混，就可以通過擠塑等方法制得性能更好的高分子化合物。不過，一些高聚物的親水性不佳，它們無法與含有大量羥基的淀粉形成穩定的化學鍵，這會影響產物的機械性能和耐酸性。此外，制備這類化合物的工序十分復雜，且制得的化合物不能在自然條件下完全降解。如何增強淀粉與其他高聚物的相互作用，提高淀粉基塑料的機械性能，使其更易加工、在自然條件下更易降解，是科學家面臨的重要問題。

2.2 聚乳酸

聚乳酸是由乳酸聚合成的聚酯類高分子。它的生物相容性非常好，這是因為，聚乳酸的合成原料— 乳酸，是生物體內重要的代謝產物。許多生物體內都含有能分解含乳酸聚合物的酶，因此，在進入人體后，聚乳酸可以在酶的作用下，逐步分解為乳酸，并被快速排出體外，不會影響人體的生理功能。因此，我們可以將其制成輸液用品、手術縫合線等。此外，聚乳酸也可以用于制作許多生活用品，如一次性餐具、食品包裝膜等。在高科技領域，我們可以應用聚乳酸制造手機、電腦零件，減輕設備的重量[4]。

3.可生物降解高分子材料的應用

3.1 工業領域的應用

可生物降解高分子材料在工業上可用于制造人造皮革、人造纖維、食品包裝膜等。通過摻入其他高聚物、引入特定基團，我們可以提高材料的耐高溫、防水、防腐蝕性能，延長其使用壽命。目前，甲殼素/甲殼糖及其衍生物、PHB 等材料，常常被用于制作食品包裝材料[5]。

3.2 農業領域的應用

可生物降解高分子材料可用于制造農用薄膜、一次性堆肥容器等。將種植著植物的花盆直接放到土壤中，隨著植物的生長，花盆就會逐漸分解，其分解產物是良好的肥料[6]。

3.3 醫學領域的應用

醫療過程中使用的生物聚合物必須有很好的生物相容性，并且可以在體內被快速分解，不產生毒性產物。從事組織工程工作的研究人員嘗試在可生物降解容器中培養移植器官，通過在容器中添加生長因子，可以促進細胞和血管的生長。

4.結語

可生物降解高分子材料的應用前景極為廣闊，擁有巨大的潛在市場，對于緩解石油危機、減輕環境污染具有十分重要的意義。不過，與傳統材料相比，一些可生物降解高分子材料價格較高、機械性能較差，限制了其應用范圍。我們可以嘗試在制備過程中摻入特定單體，提升可生物降解高分子材料的性能。此外，控制生物降解高分子材料的降解速度，平衡材料性能與材料使用壽命之間的關系，具有十分重要的意義。