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生物可降解高分子
摘 要 对生物可降解高分子材料种类、生物降解机理进行了综述，同时阐述了生物可降解高分子材料合成技术的应用，并对前景进行了展望。
关键词 生物降解 高分子材料 分类 应用
引言 生物可降解高分子材料是指一定条件下能被生物降解的材料。工业化的发展为人类提供了许多新材料，它们在不断改善人类物质生活的同时也带来了大量废物，使人类的生存环境迅速恶化。在众多的环境污染中，高分子废弃物对环境的污染举足轻重，为此，开发可降解高分子材料，不失为解决环境污染的重要途径。近年来，可降解高分子材料的研究开发已成为高分子领域的热点之一。生物可降解高分子材料是其中的重要组成部分，随着人们对生物可降解高分子材料的认识的不断深入，开发它的途径也变得多种多样。
一、生物可降解高分子材料的类型
按来源，生物可降解高分子材料可分为天然高分子和人工合成高分子两大类。按用途分类，有医用和非医用生物降解高分子材料两大类。按合成方法可分为如下几种类型。
1、微生物生产型通过微生物合成的高分子物质。
这类高分子主要有微生物聚酯和微生物多糖，具有生物可降解性，可用于制造不污染环境的生物可降解塑料。
2、天然高分子型
自然界中存在的纤维素、甲壳素和木质素等均属可降解天然高分子，这些高分子可被微生物完全降解，但因纤维素等存在物理性能上的不足，由其单独制成的薄膜的耐水性、强度均达不到要求，因此它大多与其它高分子，如由甲壳质制得的脱乙酰基多糖等共混制得。
3、合成高分子型
脂肪族聚酯(如数均分子量为25000左右的聚己类内酯)具有较好的生物降解性。但其熔点低，强度及耐热性差，无法应用。芳香族聚酯(如PET)和聚酰胺的熔点较高，强度好，是应用价值很高的工程塑料，但没有生物降解性。将脂肪族和芳香族聚酯(或聚酰胺)制成一定结构的共聚物，这种共聚物具有良好的性能，又有一定的生物降解性。如聚己内酯(PCL)和PBT以不同比例进行共聚即可制成不同性能的可降解共聚物，此外，聚乳酸(PLA)和聚乙醇酸(PGA)作为新型生物可降解医用高分子材料正日益受到重视。
4、掺合型
在没有生物可降解的高分子材料中，掺混一定量的生物可降解的高分子化合物，使所得产品具有相当程度的生物可降解性，这就制成了掺合型生物降解高分子材料，但这种材料不能完全生物降解。
二、生物降解机理
生物降解是指高分子材料通过溶剂化作用、简单水解或酶反应，以及其他有机体转化为相对简单的中间产物或小分子的过程。
高分子材料的生物降解过程可分为4个阶段：水合作用、强度损失、物质整体化丧失和质量损失。高分子水合作用是由依靠范德华力和氢键维系的二次、三次结构的破裂引发的水合作用，其后高分子主链可能因化学或酶催化水解而破裂，高分子材料的强度降低。对交联高分子材料强度的降低，可由高分子主链、交联剂、外悬基团的开裂等造成。高分子链的进一步断裂会导致质量损失和相对分子质量降低，最后相对分子质量足够低的分子链小段被酶进一步代谢为水、二氧化碳等物质。
生物降解并非单一机理，而是一个复杂的生物物理、生物化学协同作用、相互促进的物理化学过程。
三、生物降解高分子材料的应用
生物降解高分子材料具有无毒、可生物降解及良好的生物相容性等优点，所以其应用领域非常广，市场潜力非常大，下面就其在包装、餐饮业、农业及医药领域的应用作一简要介绍。
1、在包装、餐饮业的应用
据有关部门预测,我国食品包装如餐饮业、超市、蔬菜基地等，工业品包装业如家电、仪器仪表、医疗卫生等，在21世纪塑料包装高分子材料需求量将达到500万吨，按其中30难以收集计算,则废弃物将达150万吨。如果将这些不可降解塑料由可降解高分子材料代替，可为生物降解高分子材料在包装领域开辟很大的市场。另外，庞大的一次性餐饮具的市场需求也给生物降解高分子材料带来巨大的市场空间，如在2000年我国餐盒的使用量约150亿只，方便面碗也在150亿只以上，还有一次性杯、碗、盘、碟等，特别是国家经贸委下达禁止生产、销售、使用一次性发泡塑料餐具后，降解高分子材料的市场空间显得优为广阔。
在欧洲，一些国家正在推广一种自动“除权”的生物降解高分子材料，主要用于对存放周期有严格要求的商品，如药品、食品等。使用这种包装的商品，一旦过了使用限期，包装物就会自己分解和散架，使此类商品自动丧失在市场流通的“权利”。研究人员还在这类降解高分子材料中加入某些染料，当“除权”日期临近时，包装物的颜色会出现异常变化，以提醒消费者。这为生物降解高分子材料的应用开辟了新的途径。
现目前用于包装、餐饮行业的生物降解高分子材料有甲壳素/壳聚糖及其衍生物、聚(3-羟基丁酸酯)(PHB)及其共聚物(聚3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)(PHBV)等,开发的产品主要有包装袋、食品袋、快餐餐具、饮料杯等。
2、在农业中的应用
生物降解高分子材料的第二大应用领域就是在农业上。可生物降解高分子材料可在适当的条件下经有机降解过程成为混合肥料，或与有机废物混合堆肥，特别是用甲壳素/壳聚糖制备的生物降解高分子材料或含有甲壳素/壳聚糖的生物降解高分子材料，其降解产物不但有利于植物生长,还可改良土壤环境。
我国是农业大国,每年农用薄膜、地膜、农副产品保鲜膜、育秧钵及化肥包装袋等的用量很大。农作物地膜覆盖面积在2000年就超过1亿亩，地膜需求量50万吨,并以每年20-30%速度增长;化肥包装袋在2000年为23万吨，估计到2005年会增至36万吨；如此大的用量造成了大量的不可降解的废弃物，既污染了环境又浪费了高分子材料。如果用可生物降解高分子材料代替，农用地膜可在田里自动降解，变成动、植物可吸收的营养物质，这样不但减轻环境的污染，有益于植物的生长，还可达到循环利用的目的。在农业领域目前已开发的产品主要有地膜、育苗钵、肥料袋、堆肥袋等。
3、在医药领域中的应用
生物降解高分子材料在医药领域上的一重要应用是药物控制释放。在药物控制释放体系中，药物载体一般是由高分子材料来充当的，它们可分别用在不同的控制释放体系中，如凝胶控制释放、微球和微胶囊控制释放、体内埋置控制释放、靶向控制释放等等。由于这些聚合物具有被人体吸收代谢的功能，与不可降解的药物载体聚合物相比，具有缓释速率对药物性质的依赖性小、更适应不稳定药物的释放要求及释放速率更为稳定等优点。正因如此，可生物降解高分子材料作为药物缓释载体的研究吸引了世界各国的科研工作者，成为研究的热点。目前作为药物控制释放载体被广泛研究的生物降解高分子有聚乳酸、乳酸-己内酯共聚物、乙交酯-丙交酯共聚物等脂肪族聚酯以及天然高分子材料甲壳素/壳聚糖及其衍生物。
生物降解高分子材料在医药领域上的另一重要应用是作为骨内固定装置。此应用包括两个方面，一是要求植入聚合物在创伤愈合过程中缓慢降解，主要用于骨折内固定高分子材料，如骨夹板、骨螺钉等；另一类要求在相当时间内聚合物缓慢降解，在初期或一定时间内在高分子材料上培养组织细胞，让其生长成组织、器官，如软骨、肝、血管、皮肤等。长期以来，国内外一直采用不锈钢金属高分子材料作骨折内固定高分子材料，由于其应力遮挡保护易形成骨质疏松，且愈合后需二次手术。若用可降解材料代替，则无需二次手术，材料在体内完成使命后会自动降解，所以用可生物降解的高分子材料来代替金属高分子材料成为另一研究热点。近年来中国科学院成都有机化学研究所邓先模、熊成东等研究出了相对分子量超过100万的PDL2LA,可较好的满足骨固定高分子材料的要求，目前正在进行临床研究。
除此之外，生物降解高分子材料在医药领域还可用作外科缝合线、组织修复、伤口敷料等。
4、其它方面的应用
生物降解高分子材料除了在包装、餐饮业、农业、医药领域的应用外，在一次性日用品、渔网具、尿布、卫生巾、化妆品、手套、鞋套、头套、桌布、园艺等多方面都存在着潜在的市场，有很好的发展前景。
生物可降解高分子材料的重要地位是不言而喻的，世界各国正在竭力开展研究和开发工作，并推广其应用，前景十分广阔。现在必须面对的挑战是：
(1)降低成本。目前生物可降解高分子材料的价格要高于普通塑料价格的5~10倍,不易推广；
(2)材料的精细化。即根据具体需要调节其性能，如降解时间、生物相容性等；(3)新颖结构的生物可降解高分子材料有待进一步研究；
(4)对现有的生物可降解高分子材料进行改性,获取更好性能的高分子材料。
总之，可再生的原料来源和低污染特性使生物可降解高分子材料成为一类极有前途的高分子材料。随着社会的发展，环境改善问题吸引了世界所有人的目光,自然界污染的肇事者大部分都是高分子材料，所以发展可生物降解的产品是必要而且急需的，随着技术的进一步发展和产品的逐步商业化，生物可降解高分子材料的应用前景定会更加光明。