生物可降解高分子材料的研究進展及其應用

（青島西海岸新區膠南第一高級中學，山東青島 266400）

0.引言

近年來，環境問題逐漸成為世界上多個國家共同關注的問題。日趨嚴重的白色污染對人們的生活造成了諸多負面影響。如何切實治理白色污染，是每一位環境工作者必須面對的問題。普通塑料在自然環境下降解速度極慢，殘留在土壤和水體中的塑料嚴重地破壞了生態環境，影響了生態系統的穩定性。環境領域的多數權威專家認為，尋找塑料的替代物是迫在眉睫的。

生物可降解高分子材料可以在自然條件下很快降解，其在醫藥、農業、環保、新型材料、食品包裝等領域有著廣泛的應用。根據來源，可以將生物可降解高分子材料分為天然高分子材料和合成高分子材料兩種。來自于自然的生物可降解高分子材料主要來自植物和微生物，這兩類生物能夠高效地將小分子聚合為復雜的長鏈。合成高分子材料的原料通常是石油的分餾產物。雖然合成生物可降解高分子材料的原料與普通塑料的原料是相似的，但是前者的分子連接方式更接近于生物體內分子的連接方式，因此，在適宜的自然條件下，前者能夠很快地被降解為對環境無毒無害的小分子。從應用的角度看，合成高分子材料的性能更好，它的發展空間比天然高分子材料更大。科學家應當深入研究生物可降解高分子材料的分子連接方式及其在不同條件下的性質，從而開發性能更好、制備成本更低的生物可降解高分子材料，使其應用更加廣泛[1]。

1.生物可降解高分子材料

美國材料試驗協會（ASTM）和國際標準組織（ISO）將可降解高分子材料定義為，在特定環境條件下發生化學結構變化的高分子材料。生物可降解高分子材料是指能夠在天然存在的微生物（如細菌、真菌和藻類等）的作用下降解的高分子材料。在降解的過程中，材料的物理性質和機械性能會發生一定的變化，它們的化學結構變得更簡單，分子量逐漸減小，最終分解為對環境無毒無害的物質。

生物可降解高分子材料的來源十分廣泛。事實上，自然界中的幾乎所有生物都可以合成生物大分子。動物可以合成膠原蛋白和明膠；海洋生物可以合成幾丁質和殼聚糖；微生物可以合成生產聚乳酸（PLA）和多羥基鏈烷酸酯（PHA）；一些農作物可以合成親水性膠體和脂質。因此，生物可降解高分子材料的發展前景十分廣闊。

2.生物可降解高分子材料的研究進展

2.1 淀粉基生物降解材料

淀粉是一種可以水解的生物聚合物，它的來源十分廣泛。小麥、玉米、大米、豆類和馬鈴薯等許多農作物中，都含有大量的淀粉，因此，淀粉基生物降解材料的生產成本很低。

從化學結構上來講，淀粉是一種線性聚合物。根據是否含有支鏈，可以將其分為直鏈淀粉和支鏈淀粉?？茖W家通常以顆粒狀淀粉為原料，制備淀粉基生物降解材料。他們向合成塑料的原料中加入天然淀粉，提高材料在自然條件下的降解速度。一些研究人員將顆粒狀淀粉添加到聚乙烯中，他們發現，塑料的降解速率提高了約2倍。

糊狀淀粉也在新材料制備中有著廣泛的應用。在擠出或注塑過程中加熱淀粉，可以制得熱塑性材料，不過，這種材料在混合過程中可能會扭曲變形。將該淀粉基產品與天然或合成材料混合，可以提高它的機械性能，使其應用更加廣泛。將淀粉加熱到其玻璃化轉變溫度以上，可以破壞其分子結構，從而實現進一步的融合，提升材料的機械性能。此外，在制備淀粉基生物降解材料時，研究人員還會加入甘油等增塑劑，以增加材料的柔軟度和柔韌性。用水和甘油增塑的淀粉顆粒被稱為增塑淀粉。由淀粉基材料形成的高分子材料可以注塑、吹塑或壓塑成型。

2.2 纖維素

纖維素是亞麻和大麻纖維的主要結構成分，一些科學家嘗試將纖維素用作增強填料，從而提高生物可降解高分子材料的機械性能。天然纖維素的成本較低，可在自然條件下可逐漸被降解，且具有良好的機械性能。這些特性使天然纖維素成為合成生物可降解高分子材料的最佳天然填料。Hornsby等人的研究表明，向聚丙烯基質中混入25%的纖維素，可以顯著提高材料的拉伸模量。

此外，由于纖維素具有很長的分子鏈，它不易溶于水和其他溶劑。只有少數腐蝕性強的溶劑才能破壞纖維素的分子結構?？茖W家可以通過化學修飾將纖維素轉化為衍生物，從而增加纖維素的溶解度，使其更牢固地附著在基質中[2]。

為了更好地利用當地的農業廢料，加拿大的一些研究人員對纖維素在生物聚合物產品中的應用進行了深入的研究。亞麻纖維的制備成本極低，機械強度高，它是這些科學家的主要研究對象?？茖W家對亞麻纖維進行了化學處理（乙酰化），從而改變其表面性能。實驗結果表明，處理后的纖維沒有發生結構和形態變化，但是乙酰化修飾減慢了纖維降解的速度，增大了纖維和基質界面的粘合力。此外，一些研究人員發現，與含水量較高的纖維相比，在加入基質之前已經徹底干燥的纖維具有更好的粘合性。此外，基質的性質也會影響制得的高分子材料的性能。在制備天然纖維增強復合材料的過程中，科學家發現，聚乙烯醇具有較高的極性，并且可以在自然條件下被降解，是一種非常理想的基質材料。將聚乙烯醇摻入纖維素材料，能夠極大地提升復合材料的性能，使其應用更加廣泛。

3.生物可降解高分子材料的應用

3.1 在醫學領域的應用

應用于醫學領域的生物可降解高分子材料應具有以下特征：無致癌性、無致敏性、無致炎性；經過物理降解和生物化學降解后，此類高分子材料應當能夠最終被轉化為水和二氧化碳。

3.1.1 藥物控制釋放體系

生物可降解高分子材料在藥物控制釋放體系中可以用作載體，研究人員一般需要將藥物等活性物質放置于高分子材料上。這些高分子材料可以在一定的條件下形成凝膠控制釋放系統。硫酸軟骨素、透明質酸(HA)等是構成糖胺多糖(GAGs)的主要成分，透明質酸可以與某些帶有特定功能基團的藥物發生反應形成水凝膠，這類水凝膠可以在溶液中呈現三維網狀結構，形成藥物控制釋放體系，用于癌細胞轉移等疾病的治療。也可以將高分子材料制成微球狀或微膠囊狀藥物控制釋放系統，研究人員嘗試用聚乳酸（PLA）包覆利福平制成微球，使利福平在體內緩慢釋放，隨著PLA的不斷水解，藥物也逐步被釋放到體液中，達到治療肺結核的目的。需要注意的是，聚乳酸的分子量較大，在體內環境下不易降解，藥物釋放速度較慢。根據治療的需要，可以調節微球的粒徑大小，將釋放速度慢的藥物制成較大的微球，將釋放速度快的藥物制成較小的微球。此外，還可以通過調節微球中利福平的含量，改善治療效果。藥物釋放的速度是由擴散的速度決定的，隨著利福平的含量逐步增大，微球內外藥物的濃度梯度隨之提高，藥物釋放速度變快。聚乳酸材料的降解速率決定了藥物控制釋放的速度。研究人員嘗試在合成聚乳酸的過程中改變反應條件，從而改變藥物的釋放速度。此外，將藥物摻入PLA、PLGA等材料，或者將其制備成納米球、納米顆粒，注射到固態的生物組織或器官中，就可以建立體內藥物控制釋放系統以及靶向控制釋放系統，這無疑是一種全新的、理想的給藥方式[3]。

3.1.2 骨內固定材料

用于骨內固定的生物可降解高分子材料可以分為兩類。第一類高分子材料在骨折傷口愈合的過程中能夠自行降解。聚乙烯醇酸（PGA）、聚L-丙交酯（PLLA）等材料可以在骨折傷口愈合的過程中緩慢降解，最后完全被周圍的組織吸收。一般而言，骨折的愈合期是3個月，深入研究高分子材料的降解機理，有助于找到影響高分子材料降解速率的因素，使剛植入人體組織的高分子材料保持較高的強度和較慢的降解速率。3個月之后，體內的高分子材料逐步被降解，最終被周圍組織吸收。此時，斷骨處的傷口已經基本愈合，這樣就避免了二次手術，減輕了患者的痛苦[4]。

另一類植入材料需要在一定時間內緩慢地發生生物降解?？茖W家嘗試在高分子材料上負載細胞、防止傷口感染的抗生素類藥物、促進骨生長的骨生長因子等，這些材料可以在治療的過程中促進傷口愈合、防止感染。此外，這類材料還可以用于創傷部位的替代與修復。以聚乳酸（PLA）為主要成分的植入材料可以促進軟骨組織和軟骨細胞的生長。一些研究者發現，PLA及其類似物的性能十分優良，硬度非常接近患者自身的骨組織，是醫藥領域中被廣泛應用的生物可降解高分子材料。

3.2 食品包裝

當前，在食品包裝行業和快遞行業內，高分子材料的年需求量接近500萬t，這些行業每年會產生約150萬t的有機廢棄物。防止造成嚴重的環境污染，生物可降解高分子材料的研發和應用迫在眉睫。此外，餐飲市場每年要消耗掉大約180億只外賣餐盒、200億只一次性方便面碗?，F在國內已經開始禁止銷售和使用不可降解的一次性發泡塑料餐具，但是人們還沒找到特別理想的替代品?？梢哉f，降低生物可降解高分子材料的生產成本，有助于擴大生物可降解材料在餐飲行業的應用范圍[5]。

用于食品包裝的生物可降解高分子材料需要具備如下的性能：一是它可以在合適的條件下被各種微生物快速降解，這可以在一定程度上解決食品包裝材料處理的復雜問題；二是安全、無毒。用于食品包裝的可降解高分子材料應符合食品安全的要求，降解產物也應無毒無害，甚至可以促使土壤更加肥沃；三是降解條件簡單，降解過程對環境無特殊要求。用于食品包裝的生物可降解高分子材料在降解的過程中，不需要特定波長的光，不需要特殊的環境溫度、環境濕度和環境pH。僅在微生物的作用下，這些材料就可以完全降解，且不對環境造成污染，對人體健康也應無害。目前，研究人員還沒有找到完全符合這些要求的材料。不過，他們成功地制備了一些基本具備以上特征的材料，這些材料可以被用于制備一次性飯盒、食品外包裝等[6]。

4.結語

生物可降解高分子材料有望成為可以取代塑料的材料，其在醫藥、農業、環保、新型材料、食品包裝等領域有著廣泛的應用?？茖W家可以根據需要，改變材料中分子連接方式，從而提升材料的性能，使其應用更加廣泛。需要注意的是，一些人工合成的生物可降解高分子材料在自然條件下無法實現完全降解。研究人員需要深入研究這些材料的降解過程，優化其組成成分，使其在自然條件下更快、更徹底地分解為小分子。