聚丁二酸丁二醇酯基脂肪族聚酯生物降解研究進展

白楨慧，蘇婷婷，王戰勇

(遼寧石油化工大學化學化工與環境學部，遼寧 撫順 113001)

0 前言

PBS作為環境友好的綠色高分子材料，自20世紀90年代商業化以來，便得到了科研人員的廣泛關注[1-2]。作為可生物降解塑料，PBS及PBS基聚酯具有媲美傳統石油基塑料的物理化學性質，可加工性及良好的力學性能。在食品包裝、農用薄膜、衛生用品等領域具有很好的發展前景[3-4]。此外，PBS及PBS基聚酯同時兼具良好的生物相容性。在藥物傳送系統、組織工程支架、臨時性介入醫療器件等生物醫療領域的應用研究也逐漸增多[5-6]。但PBS也存在一些缺陷，如相對分子質量較低，分子鏈中長支鏈少，缺少活性反應點且降解速率較慢等，使其在工業上的應用受到限制。為此，科研人員一般通過引入離子基團、共聚或共混等化學改性手段制備綜合性能良好的PBS基聚酯。本文對近年來PBS及PBS基聚酯在微生物、生理環境及酶條件下的降解研究現狀進行了介紹，同時詳細闡述了影響其降解過程的相關因素，并對未來的發展前景進行展望。

1 堆肥降解及微生物降解

堆肥降解技術是一種有效的有機廢物資源化手段，也是有機固體廢物處理的有效方法。它是通過自然界中的細菌、真菌和放線菌作用于可降解塑料并將其轉化為腐殖質的生物化學過程。可直觀反映出塑料在自然條件下的降解性能，已逐漸成為世界各國評價塑料可生物降解性能的主要方法。近年來國內外相關科研人員進行了一系列的堆肥法處理PBS基聚酯等可生物降解塑料的研究。寇瑩等[7]選用陜西當地4種土壤(堆肥土、污泥土、垃圾土和花園土)對PBS進行土埋實驗。根據PBS薄膜失重率確定堆肥土的降解效果最佳，90 d后PBS薄膜失重率超過6 %；而花園土降解作用最差，相同時間內PBS薄膜失重率僅為1 %左右。觀察降解前后PBS薄膜表面形貌變化發現，4種土壤對PBS薄膜的降解行為相似，降解作用均從薄膜邊緣開始。由于土壤及堆肥的生物環境相對復雜，很難實現對降解后水溶性產物的收集和分析[8-9]。因此，相關人員[10-11]使用微生物懸浮液模擬天然微生物環境降解PBS以了解水溶性產物及其對降解環境的影響。研究發現，在降解的最初兩周，水溶性產物使培養基pH從7.2酸化至5.2，并在一定程度上抑制微生物的生長。隨著降解作用的進行，水溶性產物被微生物同化為碳源，培養基pH值逐漸恢復到中性，微生物也迅速生長。高效液相色譜 - 質譜聯用儀(HPLC-MS)分析確定水溶性產物為1,4 - 丁二醇(B)、丁二酸(S)及相應寡聚體BS、BSB、SBS、BSBS、BSBSB和SBSBS。發芽試驗進一步證明，水溶性產物本身對綠豆的危害很小，但酸化介質顯著抑制了綠豆的萌發。李成濤等[12]的研究表明，丁二酸含量低于200 mg/L時，不會對植物種子萌發和幼苗生長產生影響，但濃度超過500 mg/L后，將抑制幼苗生長；1,4 - 丁二醇含量低于2 000 mg/L時，對種子萌發和幼苗生長均不產生影響。

土壤系統中的真菌生物量往往超過細菌生物量，且真菌對酸性條件表現出更強的耐受性。因此，酸性土壤中的有機物主要被真菌菌株分解[13-15]。王蕾等[15]以陜西花園土對PBS進行堆肥降解，研究其中微生物對PBS的降解能力。綜合失重率及力學性能測試表明，真菌為PBS降解的主要貢獻者。Tezuka等[16]為研究聚丁二酸乙二醇酯(PES)在自然環境中的降解行為，從淡水和土壤環境中分離出PES降解菌株。經鑒定表明，降解菌株主要為革蘭氏陽性菌和真菌兩大類，且在降解過程中起主要作用的為真菌菌株。Ishii等[17]從不同環境中分離出20個真菌菌株。其中，AspergillusclavatusNKCM1003菌株對PES的降解速率最高，約為20 μg/(cm2·h)。Zhao等[18]使用從堆肥中分離的雜色曲霉(A.versicolor)降解聚(丁二酸丁二醇酯 - 己二酸丁二醇酯)(PBSA)。在降解的初始階段，菌株附著在聚酯薄膜表面，使聚酯鏈段發生斷裂，形成微生物很難攻擊的大片段，導致此階段聚酯失重較慢。隨著降解作用繼續進行，聚酯相對分子質量逐漸降低，達到微生物容易攻擊的程度，水解作用增強，聚酯失重較快。研究還發現，相較琥珀酸單元，己二酸單元由于容易受微生物侵襲而優先降解。隨著降解作用的不斷進行，降解殘余物中琥珀酸單元的相對含量逐漸增加。

堆肥及微生物降解作用均是通過微生物對聚酯的黏附作用進行的。微生物在聚酯表面發生黏附作用后，使聚酯發生水解及氧化反應形成低相對分子質量的聚酯片段；然后，微生物經過進一步的吸收和消耗作用，最終將聚酯代謝為H2O、CO2和生物量。然而，由于土壤環境的復雜性增加了降解產物的收集難度，聚酯在微生物環境中的降解行為及降解機理尚不清楚。因此，通過懸浮液模擬天然微生物環境研究相關降解過程及機理，對提高PBS及其聚酯的可生物降解能力具有十分重要的作用。

2 生理環境降解

脂肪族聚酯因具有較好的生物相容性，已在生物醫療領域中廣泛應用。當其用于藥物傳送系統、臨時性介入醫療器件等方面時，為避免通過手術去除植入物，其生物可降解性就顯得十分重要[5]146-147。因此，近年來國內外許多研究人員致力于研究生理條件下(即溫度為37 ℃，pH=7.4，磷酸鹽緩沖液)聚酯的降解行為。研究表明，脂肪族聚酯的體外模擬水解分為2個階段，與酶解作用相似，同樣受到許多因素的影響，如化學結構，親 - 疏水平衡，固體形態和結晶度等[19]32[20]434[21]7 403[22]1 025。在降解的初始階段，聚酯鏈段發生隨機斷裂，伴隨著結晶度的增加或降低。隨著相對分子質量下降至13000 Da左右，聚酯水解進入第二階段[23]。大量研究表明，PBS均聚物在生理條件下水解的非常緩慢，降解數周后質量仍保持相對恒定，僅表現出相對分子質量的降低。這是由于PBS較高的初始結晶度及疏水性所致[24]369[25-27][28]252-253[29]。因此，為拓寬PBS基聚酯在生物醫療及相關領域的應用，在PBS主鏈中引入易受水分子攻擊的親水性基團，可加快聚合物的水解速率。Gualandi等[30]使用丁二酸丁二醇酯(BS)和三乙烯琥珀酸酯(TES)通過反應性共混制備了4種化學組成相同但嵌段長度不同的共聚酯P(BS18TES18)、P(BS9TES9)、P(BS4TES4)和P(BS2TES2)。并在生理條件下對4種共聚酯進行水解實驗測試。熱失重曲線表明，通過增加嵌段長度，可以將聚合物質量損失從0調整到30 %，TES單元含量較高的共聚酯表現出較大的失重。Wang等[31]報道，隨著共聚物中聚乙二醇(PEG)含量的增加，PBS基共聚酯顯示出逐漸增大的水解速率。這是由于PEG單元親水性強，易溶于水。因此，酯鍵在PEG鏈段上發生優先斷裂，加速聚酯的降解。此外，PBS基聚酯與親水基團的共聚作用對其水解速率也具有顯著影響[32]。

研究表明，在中性的降解環境中，水分子的擴散作用比酯鍵水解更快。聚酯的降解遵循本體降解過程(圖1)。聚酯的無定型區首先被水解，而后是緊密堆積的晶區。具有較低初始結晶度的聚酯可表現出良好的可降解性。因此，可通過引入離子基團降低聚酯結晶度，進一步提高降解速率[24]372。Wu等[33]將聚氨酯離子(UI)引入PBS鏈段，制備3種UI含量不同的共聚酯PBSUI-1、PBSUI-3和PBSUI-5。研究發現，UI的引入增大了PBS降解速率。且隨著UI含量的增加，共聚酯的結晶度逐漸降低，降解速率逐漸增強。UI含量最高的聚酯PBSUI-5失重率最高，為35 %。與之相比，純PBS的失重率僅為5.4 %。

Gualandi等[28]244-245對比研究了薄膜及支架2種形式聚酯的降解行為。研究發現，以薄膜形式存在的聚酯降解得更快。這與羧基端機的擴散速度有關，水解過程中產生的羧基端基對降解過程表現出自催化作用。由于尺寸和形態原因，相對于支架結構，薄膜中的酸性片段主要積累在降解形成的孔洞中心，可進一步催化大分子鏈的水解。Tallawi等[34]得到了相似的結論，他們在對新型聚合物聚甘油癸二酸酯/聚丁二酸丁二醇酯 - 二亞油酸酯(PGS/PBS-DLA)的體外降解研究中，發現由于PBS-DLA的引入抵消了PGS鏈末端游離羧基的酸性，最終導致聚合物降解速率的降低。

綜上表明，通過向PBS主鏈中引入親水性基團及離子基團可達到提高PBS均聚物可生物降解性的目的。而作為生物醫用材料，其與人體細胞直接接觸。因此，引入不同基團的PBS基聚酯必須同時滿足生物相容性的要求。目前，有關此方面的研究相對較少。因此，尋找合適的離子基團引入PBS主鏈，制備出高降解性的生物醫用材料，應是未來的研究方向。

圖1 聚酯的水解過程和酶降解過程Fig.1 Hydrolytic degradation and enzymatic degradation process of polyesters

3 酶降解

脂肪酶和角質酶是最常見的可催化PBS基聚酯水解的酶。PBS基聚酯的酶解作用也受許多因素的影響，如聚酯的化學組成，親 - 疏水平衡，結晶度和表面形貌等。酶水解過程通過表面侵蝕作用發生(圖1)。與簡單水解作用不同的是，在酶水解過程中，低相對分子質量產物易于溶解在水性介質中，降解前后聚酯的相對分子質量幾乎不會發生變化[19]37-39[21]7 405-7 406。

Tserki等[35-38]同時使用3種不同的酶，分別來自Pseudomonasfluorescens和Rhizopusdelemar的膽固醇酯酶和來自Candidacylindracea的脂肪酶降解PBS。實驗結果表明，經過幾周時間的降解，3種降解酶對PBS的降解率均達到40 %。Taniguchi等[39]使用來源于P.cepaci的脂肪酶降解PBS，研究結果表明，在降解14 d后，PBS的失重率可以達到80 %左右。孫炳新等[40]應用脂肪酶降解PBS，10周后PBS失重率為33.2 %，結晶度及熱穩定性均有降低。Sun等[41]應用脂肪酶對PBS的降解機制進行研究。結果表明：由于脂肪酶的表面吸附能力強，能夠很好地附著在聚酯表面，切斷聚酯的酯鍵，該鍵斷裂使聚酯內部結構發生變化導致其結晶度和熱穩定性均下降，致使PBS降解。Jiang等[42]制備了PBS單晶，同樣使用脂肪酶對其進行降解，結果表明：由于酶吸附在聚酯的側面，酶促降解優先在此發生，片狀聚酯降解后厚度基本不發生變化。Dimitrios等[19]41-42采用R.delemar脂肪酶在pH=7.2的磷酸緩沖液中降解PBS及同類脂肪族聚酯PES和聚丁二酸丙二酯(PPS)。研究發現，PPS表現出最大的降解速率及失重率，PES次之，而R.delemar脂肪酶對PBS的降解能力最弱。Dimitrios等因而提出影響3種聚酯生物降解能力的主要原因是聚合物的初始結晶度，該實驗使用的3種聚酯PES、PPS和PBS中，PPS的結晶度具有最低的結晶度。因此，聚酯PPS表現出最大的失重率及最快的降解速率。這是由于酶解作用往往優先發生于晶體的無定型區，而后才是結晶區。Dimitrios等還提出，除結晶度外，聚合物的化學結構，如酯基間碳原子的個數，熔點以及玻璃化轉變溫度也會對酶降解過程產生影響。但影響脂肪族聚酯可降解性能最主要的因素還是聚酯的初始結晶度。而Rizzarelli等[20]440-442的研究得到了不同的結論，他們發現決定聚酯降解性能的主要因素為聚酯碳鏈的長短。他們采用PBS共聚酯聚PBSA及聚(丁二酸丁二醇酯 - co - 癸二酸丁二醇酯)為酶解實驗的底物，分別使用來自Mucor.miehei和R.arrhizus的2種脂肪酶對其進行降解實驗研究。研究發現，在酶水解過程中，聚酯中酯鍵的斷裂不是隨機的，而是有選擇性的。即酶解作用更容易發生在酯基間含有較多碳原子的酯鍵上。此外，共聚或共混均有利于加速酶降解作用的進行[43]。Marija等[44]采用來自Candidacylindracea的脂肪酶對PBS，聚己二酸丁二醇酯及其共聚酯PBSA進行降解研究。經過100 h的降解，PBS、PBA幾乎沒表現出任何的質量損失，而3種BS含量不同的共聚酯均表現出較大的失重。Marija認為，與均聚物相比，共聚物骨架具有良好的柔韌性，可起到加速酶水解的作用。除上述因素外，親 - 疏水平衡也是影響聚酯降解性的重要因素。當不同的酶覆著在相同底物表面時，聚酯的親水 - 疏水性平衡會使酶對其產生不同的降解效果[21]7 405-7 406。Shirahama等[45]研究了幾種不同的酶的降解性與聚酯親水性的關系。結果表明，與親水性聚酯相比，膽固醇酯酶和脂肪酶B對疏水性聚酯有著特殊的親和力，并表現出相對大的失重和較快的降解速率。然而，當來自R.delemar的脂肪酶作用于相同底物時則表現出相反的降解趨勢。

Shinozaki等[46]經過對脂肪族聚酯的降解研究發現，P.antarcticaJCM10317釋放的角質酶可在數天的降解后使PBSA，聚乳酸和聚己內酯的降解率達到50 %左右。Gamerith等[47]報道了來自Thermobifidacellulosilytica的角質酶對PBS聚酯的降解能力。研究發現，角質酶經過1.5 h侵蝕作用，PBS聚酯表現出93 %的質量損失。Bai[48]等使用角質酶，在溫度為37 ℃，pH=7.4條件下，對PES、PBS以及聚丁二酸己二醇酯(PHS)進行酶降解實驗研究。經過12 h的酶解作用，3種聚酯幾乎完全失重。此外，結果還表明，PES、PBS、PHS三者的降解速率依次增加，PHS的降解速率最大。這是由于在脂肪族聚酯中，當酯基之間含有6個碳原子時，聚酯擁有最快的降解速率，增加或減少酯基間的碳原子個數，均會降低酶降解速率。Pan等[49]同樣使用角質酶降解不同相對分子質量的PBS聚酯降解48 h，對降解前后的樣品進行差示掃描量熱儀和X射線衍射儀分析，發現角質酶可同時降解了聚酯的結晶區及無定型區域，酶促降解沒改聚酯的變晶體結構，而是破壞了其結構，最終導致結晶度的顯著降低。Hu等[50]使用PBS分別與纖維素微晶(CMC)，醋酸纖維素(CA)和三醋酸纖維素(CTA)混合，并研究了角質酶隊3種混合物的酶解性能。研究表明，降解4 h時，PBS/CMC和PBS/CA混合物的失重率約85%，而PBS/CTA的降解率低于20 %。這是由于PBS與CMC，CA的相容性差，PBS/CMC和PBS/CA的混合物中有許多孔，水分子容易滲入混合物內部進而降解混合物；而PBS和CTA可均勻混合并緊密堆積在一起，水分子很難進入。

綜上，一般來講，與脂肪酶相比，角質酶對PBS基聚酯具有更高效的生物降解性，降解率高且所需降解時間較短(48 h以內)。而脂肪酶一般需要數天甚至數周的降解時間，且降解率相對較低。但無論是使用角質酶或脂肪酶降解PBS基聚酯，聚酯的酶解過程均受諸多因素的影響。通常情況下，減小聚酯的結晶度，增加其碳鏈長度、疏水性，制備共聚或共混物均有利于加速酶降解作用的進行。此外，研究還發現，球晶中纖維填充的程度也對酶侵蝕過程有很大影響。由細纖維填充的球晶，水分子難以深入滲透到聚酯薄膜內部，因此失重較慢。酶解作用從球晶的中心部分開始，隨后球晶的其他部分被降解[22]1 030。而對于充滿粗糙纖維且堆積松散的球晶型貌，水分子可以很容易地滲透到聚酯內部，導致深度侵蝕。

4 結語

作為可生物降解的高分子材料，PBS基聚酯具有良好的綜合性能，以其替代傳統的石油基塑料，是緩解資源短缺及環境污染的有效途徑之一。而目前為止，PBS基聚酯在自然環境(堆肥降解)下的可降解性較差，且降解行為及降解機理還不清楚。為提高其在土壤環境中的可降解性，一方面可使用微生物懸浮液模擬天然微生物環境探究聚酯的降解過程及機理，并通過探究得到的降解機理對PBS基聚酯進行設計改性，在不降低其應用性能的同時達到提高生物降解性的目的；另一方面，可綜合酶降解及生理環境降解過程中影響PBS基聚酯降解速率的相關因素，對PBS進行改性，提高降解性能。如向PBS主鏈中引入親水性基團、降低聚酯的結晶度、增加聚酯的碳鏈長度以及制備PBS共聚物等。此外，作為生物醫用材料，PBS基聚酯與人體細胞直接接觸。因此，除可降解性外，PBS基聚酯還應具有良好的生物相容性及可與植入部位相結合的力學性能。因此，在PBS基材料可以商業化用于生物醫療領域之前，仍需要進行進一步的研究。