可降解高分子材料.doc

可降解高分子材料

1 可生物降解高分子材料的定义
可生物降解高分子材料是指在一定的时间和一定的条件下，能被微生物或其分泌物在酶或化学分解作用下发生降解的高分子材料。
2 生物降解高分子材料降解机理
生物降解的机理大致有以下3种方式：生物的细胞增长使物质发生机械性破坏；微生物对聚合物作用产生新的物质；酶的直接作用，即微生物侵蚀高聚物从而导致裂解。一般认为，高分子材料的生物降解是经过两个过程进行的。首先，微生物向体外分泌水解酶和材料表面结合，通过水解切断高分子链，生成分子量小于500的小分子量的化合物(有机酸、酯等)；然后，降解的生成物被微生物摄入人体内，经过种种的代谢路线，合成为微生物体物或转化为微生物活动的能量，最终都转化为水和二氧化碳。降解除有以上生物化学作用外，还有生物物理作用，即微生物侵蚀聚合物后，由于细胞的增大，致使高分子材料发生机械性破坏。因此，生物降解并非单一机理，而是一个复杂的生物物理、生物化学协同同作用，相互促进的物理化学过程。到目前为止，有关生物降解的机理尚未完全阐述清楚：除了生物降解外，高分子材料在机体内的降解还被描述为生物吸收、生物侵蚀及生物劣化等。
人们深入研究了不同的生物可降解高分子材料的生物降解性，发现与其结构有很大关系，包括化学结构、物理结构、表面结构等。高分子材料的化学结构直接影响着生物可降解能力的强弱，一般情况下：脂肪族酯键、肽键>氨基甲酸酯>脂肪族醚键> 亚甲基。当同种材料固态结构不同时，不同聚集态的降解速度有如下顺序：橡胶态>玻璃态>结晶态。一般极性大的高分子材料才能与酶相粘附并很好地亲和，微生物粘附表面的方式受塑料表面张力、表面结构、多孑L性、环境的搅动程度以及可侵占表面的影响。生物可降解高分子材料的降解除与材料本身性能有关外，还与材料温度、酶、pH值、微生物等外部环境有关。
3 可生物降解高分子材料的种类
按照原料组成和制造工艺不同可分为以下三种：天然高分子及其改性产物、微生物合成高分子和化学合成高分子。
3．1 天然高分子及其改性产物
天然高分子包括淀粉、纤维素、甲壳质、蛋白质等，虽然具有完全生物降解性，但是其热学、力学性能差，成型加工困难，不能满足工程材料的性能要求，因此需通过改性，得到有使用价值的可生物降解材料。
日本四国工业试验所开发了以乙酰多糖和纤维 素为主要成分的高分子材料，试制的生物降解薄膜、无纺布、发泡塑料等已接近实用化。Mater—Bi是由意大利Novamont公司开发的树脂，具有互穿网络结构，是一种生物降解性很好的材料，其显著特点是氧的阻隔性能好，已应用于包装行业。
蛋白质的降解主要是肽键的水解反应所引起的。美国C1emson大学正在研究从玉米、麦子、大豆等植物中提取蛋白质。可溶性蛋白质在一定温度(如140~C)下可交联，人们用其与纤维素一起制造生物降解复合材料：纤维蛋白单体在凝血酶作用下聚合成立体网状结构的纤维蛋白凝胶，纤维蛋白凝胶来源于自身血液，可避免免疫原性问题，是一种较为理想的细胞外基质材料。
3．2 微生物合成高分子
微生物合成高分子是由微生物发酵法制成的一类材料，主要包括聚酯和多糖，如：真氧产碱杆菌可以利用果糖、木糖、延胡索酸、衣糠酸、丙酸、乳酸作为碳源生产PHB(聚一3一羧基丁酸酯)。具有代表性的是聚B一羟基烷酸(PHAs)系列聚酯。如英国IC公司首先以丙酸、葡萄糖为碳源食物，通过发酵法成功地开发出有实用价值的生物降解性3一羟基丁酸一3一羟基戊酸共聚物，商品名为Biopol。Biopol的机械性能(从硬质到软质)、耐热性、耐水性、耐油性、耐药性和气体屏障性均优良，熔点为130～160~C，拉伸强度为18～30MPa。Biopol在好气和厌气条件下均显示出良好的生物降解性，最后分解为二氧化碳和水而消失，但在空气和净水中不会降解。
3．3 化学合成高分子
可以用化学合成法生产的有生物降解性高分子包括聚乳酸(PLA)、聚8一己内酯(PCL)、聚乙烯醇(PVA)等。美国Union Carbide公司以PCL为原料开发了商品名为Tone的产品；日本昭和高分子公司也开发了类似产品Bionol1e，已用来生产包装瓶、薄膜等：聚乙烯醇为研究得最多的可生物降解的高聚物。美国Air Product&Chemical公司开发了Vinex品牌，它是以聚合度较低的聚乙烯醇为基础的树脂同时具有水溶性、热塑加工性和生物降解性，可制得
适用于包装食品的薄膜、农用水溶性薄膜、容器及一次性消费用品等。
近年来世界上研究开发最活跃的可降解高分子材料是聚乳酸 PLA类材料的一个突出特点是能用多种方式加工，如挤出、纺丝、双轴拉伸等，加工过程中分子的定向不仅会大大增加力学强度，同时使降解速度变慢。目前国际市场上出售的PLA树脂仅有5种：大日本油墨与化学公司的产品CPLA；三井化学公司的产品LACEA；日本岛津制作所的产品LACTY：Cargill Dow公司的产品EeopLa；美国Chronopo1公司的产品Heplon除脂肪族聚酯外，聚酰胺类、聚酸酐类、聚氨酯、聚磷脂等也有研究。
4 生物可降解高分子材料的应用
生物可降解高分子材料主要有两方面的用途：
(1) 利用其生物可降解性，解决环境污染问题，以保证人类生存环境的可持续发展。通常，对高聚物材料的处理主要有填埋、焚烧和再回收利用等3种方法，但这几种方法都有其弊端。如填埋法对土地有长期危害，并且随填埋地的日益减少而无法继续实行；焚烧法释放出大量有害气体；回收再利用法，因材料的收集、分拣困难，故一时难以推广。因此所有这些都无法彻底解决污染问题，只有生物降解高分子才能从根本上解决废弃物所造成的环境问题。
(2)利用其可降解性，用作生物医用材料。由于成本等因素，目前研究多集中在生物医疗工程领域，因此以下对可降解高分子在此方面的应用作一简述。
生物医学材料必须具备以下两个条件：
一、 要求材料与组织短期接触时无毒性、无致敏、无致炎、无致癌作用、无其他不良反应
二、应具备耐腐蚀性及相应的生物力学性能和良好的加工性能。这类材料可在生物体内分解，参与人体新陈代谢，并最终排出体外，其基本特征是生物降解性和生物相容性。
4．1 药物／基因控制释放系统
初期的药物控制释放体系是将活性物质加载到高分子基质中，然后再输人人体。在该体系中，药物释放主要是由扩散驱动，而后高分子基质本体水解。这方面用得较好的是DLLA／GA共聚物。PLA和PLGA制成的微球，能在一段时间内以一恒定的速率释放缩氨酸、蛋白质、疫苗等，其释放速率依赖于高分子的生物可降解行为。而药物以纳米球和纳米颗粒的形式直接注射到固态组织或器官中，则是更进一步的发展。微球制剂可靶向体内不同的器官和组织，使药物有效地靶向控释，拓宽了给药途径，减少了给药次数和给药量，提高了药物的生物利用度． 最大程度地减少了药物对全身特别是肝、肾的毒副作用，美国专利提到一种利用可生物降解高分子制造缓控释药物的技术，可使药物在牙周病灶组织长期发挥药效。PCL类的聚内酯也被用于药物释放。PCL是一种半结晶高分子，药物渗透性好，且降解速率很低。将PCL和聚L一丙交酯(PLLA)或聚羟基乙酸(PGA)共混，或合成相应的嵌段共聚物，有利于控制生物降解过程和药物释放特性。例如，控制PLA和PCL片段的长度就能控制药物释放行为。
4．2 外科手术缝合线
用聚乙交酯、PLLA及其共聚物制成的外科缝合线，可在伤口愈合后自动降解并被生物体吸收，无需拆线，现已商业化。目前的研究热点是如何提高缝合线的柔软性和机械强度，同时在缝合线加入非甾体消炎药来抑制炎症和排异性，加入增塑剂增加线的韧性和调节降解速度。研究发现，用甲壳质制成的缝合线无毒，机械性能良好，易打结，在胆汁、胰液中拉力强度的延续性比聚乙交酯纤维好，在使用初始的10～15天强度很好，以后迅速降解并被生物体吸收。
4．3 骨内固定材料和组织工程
采用降解材料做固定材料可避免因使用不锈钢所造成骨质疏松及愈后的二次手术，在心血管组织工程也呈现出良好的应用前景。可用于骨折固定材料的聚合物有PGA、PLLA、PDLLAD等。PGA是一种结构最简单的线性聚烃基脂肪酸酯，是作为第一批可降解吸收材料被美国食品药物管理局批准用于临床的。用PGA纤维、PLA纤维、碳纤维、磷酸钙等增强PLA，可明显提高材料的初始强度和承载能力。另外，在治疗过程中还可将抗生素类的药物及骨生长因子、骨生长调节蛋白等置于植入材料中，可防止感染、促进骨愈合。将聚乳酸及其共聚物用作支撑材料，在其上移植器官、组织的生长细胞，使其形成自然组织，称为外科替代疗法，即组织工程。聚酯，特别是聚d一羟基酯(如聚乳酸、聚乙醇酸及聚e一己内酯等)在组织工程领域得到了广泛的应用。专利提到一种利用2～3种可降解纤维做的织物，可植入可控释药物作为组织工程材料。
5 存在问题与发展前景开发和应用
生物可降解高分子材料，目前存在的主要问题是价格偏高，使其使用领域受到限制。在理论和技术方面，应加深对生物降解高分子材料的降解机理研究，在提高可降解高分子材料的机械强度、使用寿命的同时兼顾其降解性能是研究的重点。利用纳米技术将生物材料制成纳米级的胶体颗粒或制成超微小装置或纳米器械等，可用作药物载体、医用材料或医用设备等，这给医药学领域带来一场新的革命。但其降解产物的毒性、高分子聚合物本身的降解速度以及在体内的蓄积等是其主要的问题。随着有关研究的进一步深入、生产技术的进一步提高和环保呼声的日益高涨，生物可降解高分子材料在21世纪必将实现工业化，进入人们的日常生活，在各种领域得到广泛应用。