生物降解高分子材料

生物降解高分子材料

肖群

（东北林业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨 150040）

摘要：高分子材料在日常生活中的使用量越来越大．然而高分子材料给人们生活带来便利、改善生活品质的同时，其使用后的大量塑料废弃物也与日俱增。给人类赖以生存的环境造成了不可忽视的负面影响。本文简要介绍生物降解高分子材料的定义、降解机理及影响因素的基础上，较为全面的阐述了当前生物降解高分子材料的应用领域。

关键词：生物降解，医用生物材料，

1 前言

聚合物工业蓬勃发展的同时也导致了环境污染的加剧，引起了人们对聚合物废料处理的关注。目前全世界每年生产塑料约1．2亿吨．用后废弃的大约占生产量的50％～60％。废塑料的处理以掩埋和焚烧为主，但这两种处理方法会产生新的有害物质。对此，一些国家实行了3R工程，即减少使用、重复使用和回收循环。但对一些回收困难、不宜回收或需要追加很大能量才能回收的领域(如食品包装、卫生用品)，实施3R工程很困难，而如果使用生物降解材料则十分有利[1]。

2生物降解高分子材料定义降解机理

2．1生物降解高分子定义

根据美国ASTM定义生物降解高分子材料是指在一定的条件下．一定的时间内能被细菌、霉菌、藻类等微生物降解的高分子材料[2，3,4]。真正的生物降解高分子在有水存在的环境下，能被酶或微生物水解降解，从而高分子主链断裂，分子量

逐渐变小，以致最终成为单体或代谢成CO

2和H

2

O[5]。

2.2生物降解高分子材料的降解机理

生物降解机理和光一生物降解机理．完全生物降解机理大致有三种途径：①生物物理作用：由于生物细胞增长而使聚合物组分水解，电离质子化而发生机械性的毁坏．分裂成低聚物碎片：②生物化学作用：微生物对聚合物作用而产生新

物质(CH

4、C0

2

和H

2

0)：③酶直接作用：被微生物侵蚀部分导致材料分裂或氧化崩

裂。而光一生物降解机理则是材料中的淀粉等生物降解剂首先被生物降解，增大表面／体积比，同时，日光、热、氧引发光敏剂等使高聚物生成含氧化物，并氧化断裂．分子量下降到能被微生物消化的水平。进一步研究发现．不同的生物降解高分子材料的生物降解性与其结构有很大关系，包括化学结构、物理结构、表面结构等。

对不同种类的生物降解材料而言．它们降解机理的不同决定了它们具有不同的性质。天然降解高分子材料．其本身来源于生物体，能保证足够的细胞及组织亲和性．降解周期一般较短．最终降解产物为多糖或氨基酸．容易被机体吸收．但是这种材料力学性能差。难于满足组织构建的速度要求，应用时需要进行改性。化学合成的生物降解材料的组成、结构和降解行为更易于控制。比如降解速度和强度可调．易构建高孔隙率三维支架．但材料本身对细胞亲和力弱．往往需要引入适量能促进细胞黏附和增值的活性基团、生长因子或黏附因子等。[6]

3生物降解高分子材料的种类及降解过程

3.1生物降解高分子材料的种类

根据降解机理和破坏形式可将生物降解高分子分为完全生物降解高分子和生物破坏高分子两种：①完全生物降解高分子：指在微生物作用下，在一定时间内完全分解为CO：和H20的化合物。②生物破坏性(或称崩解)高分子：指在微生物的作用下高分子仅能被分解为散乱的碎片。

根据生产方法。又可分为以下3种。

(1)微生物生产高分子。通过微生物发酵获得高分子材料．较有代表的如英国ICI公司开发的3一羟基丁酸和3一羟基戊酸酯的共聚物(PHBV)及其衍生物(商品名为Biop01)和日本东京工业大学开发的聚羟基丁酸酯(PHB)。这类产品具有较高的生物降解性．但价格昂贵，目前只在高档消费品中应用。

(2)合成高分子材料。如已成为研究开发热点的聚乙烯醇和主要活跃在医疗领域的聚乳酸(PLA)等，另外还有美国Union Carbide公司以聚己内酯(PCL)为原料开发的商品名为“Tone”的产品(售价在4．4美ff．／kg左右)。

(3)天然高分子材料。生物降解材料的研究和开发在很大程度上取决于天然原料的利用。因为人们已非常清楚地认识到天然原料基本上能在自然界降解而且以其为原料的合成材料通常也会生物降解。如纤维素、淀粉、蛋白质、甲壳素、木质素、单宁和树皮等原料合成的塑料，都是很好的生物降解化合物。在一些发达国家，已达到一定的开发利用水平，特别是通过化学修饰和共聚等方法对这些高分子进行改性，可以合成许多有用的环境可降解高分子材料。添加剂型生物降解塑料是指将生物可降解成分以添加剂的形式加到原料中而制成的塑料。如普通的PE、PP、PS中添加淀粉或淀粉衍生物的塑料。这类产品虽然在技术和应用上还存在一些问题。但其价格相对低廉。

3．2 生物降解的过程

生物降解过程主要分为3个阶段：(1)高分子材料的表面被微生物黏附．微生物黏附表面的方式受高分子材料表面张力、表面结构、多孔性、温度和湿度等环境的影响。(2)微生物在高分子材料表面上所分泌的酶作用下，通过水解和氧化等反应将高分子断裂成低相对分子质量的碎片。(3)微生物吸收或消耗低相对

分子质量的碎片，一般相对分子质量低于500，经过代谢最终形成C0

2、H

2

0及生

物量。

4生物降解高分子的应用

4.1 聚合物超细纤维组织工程支架

组织缺损和创伤修复的研究和发展与生物材料同步。在上世纪60年代中期。合成性纤维开始用于烧伤治疗的人工皮肤。在70年代致力于对植入物的人工表面处理．避免引起血液凝集。如在材料表面引入肝素复合物涂层等。1987年提出了“组织工程”的概念．为修复病损的组织和器官提供了一种新的治疗途径，它是建立在细胞培养、天然材料提纯、人工材料合成、移植技术等基础上的一门学科．其中支架材料起着支撑细胞生长、引导组织再生、控制组织结构和释放生物活性冈子等作用．是决定其成败的关键因素之一。具有良好生物相容性的可生物降解高分子合成材料经过适宜的制备T艺。构建具有仿细胞外基质结构、适当力学强度、生物活性物质载体功能的组织工程支架，逐渐成为新的研究热点。制备三维多孔支架的方法有纤维粘接法、相分离法、气体发泡法、溶液浇注2沥滤法、同体自由成型法、颗粒烧结法等。聚合物纳米纤维的一个独特性能是它与生物天然的细胞外基质结构类似。纤维间结合较弱，即使较小的孔细胞也可进入，