生物可降解高分子材料的发展现状与前景综述

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张璐（3110103221）生物可降解高分子材料的发展现状与前景综述

生物可降解高分子材料的发展现状与前景综述 Present Development and Prospects of Biodegradable

Polymer

张 璐，浙江大学工科试验班1128班，jangru@126.com

摘要：本文介绍了生物可降解高分子材料的定义和降解原理，并概述了生物可降解材料的种类，例如天然高分子材料，合成高分子材料和掺混型高分子材料，同时介绍了可降解高分子材料在环境保护、医疗保健、食品包装等领域的应用，并对其未来发展作了展望。 关键字：可降解高分子材料，分类，应用，发展前景

Abstract: This paper introduces the definition and degradation mechanism of biodegradable polymer, and summarizes the types of biodegradable materials, such as naturally occurring polymers, synthetic polymers and mixing type. Besides, the application of biodegradable polymer in environment protecting, medical science and other areas and the development prospect of this material are also include.

Keywords：degradable polymer, classification, application, development prospect

当前社会，在经济快速发展和科学技术突飞猛进的同时，谋求绿色发展已经越来越成为时代的重要趋势。这种发展理念不仅体现在经济活动上，也体现在生物、化学等基础学科领域。就高分子材料方面而言，我国目前的高分子材料生产和使用已位居世界前列，每年产生数百万吨的废弃物，既造成了环境破坏，又极大地制约了学科本身的发展。为了解决这种矛盾，生物可降解高分子材料应运而生。作为一种新型的环境材料，生物可降解高分子材料很好平衡了经济与环境之间的需求，同时也为医疗

保健等领域作出了长足的贡献。它的研究和迅速发展，已经受到人们越来越多的关注。

1 生物可降解高分子材料的定义及降解原理

可降解高分子材料，是一种环保高分子材料，它是在一定条件下，能在微生物分泌酶的作用下由大分子分解为小分子的材料[1]。

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

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作用是因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，以及其后高分子主链可能因为化学或酶催化水解而破裂，高分子材料的强度降低。对交联高分子材料其强度的降低，可因高分子主链、交联剂、外悬基因的开裂等造成。高分子链的进一步断裂会导致质量损失和分子量降低，最后分子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[2]。可降解材料的生物性不仅和它本身的结构有关，也受材料的温度、酶、PH值、微生物等外部环境因素的影响。总之，生物可降解并不是一个受单一机理控制的过程，而是一个复杂的各种因素协同作用，相互促进的过程。

2 生物可降解高分子材料的分类

若按材料的来源分，可降解高分子可主要分为天然高分子材料、微生物生产型高分子材料、合成高分子材料和掺混型高分子材料。根据制造方法的不同，则可分为微生物合成、化学合成、天然高分子及其共混物[3]。 2.1 天然高分子材料

天然可降解性高分子材料主要有胶原、明胶、甲壳糖、毛发、海藻酸、血管、血清纤维蛋白、聚氨基酸等，应用较多为胶原，血清纤维蛋白。这类材料最大的优点是降解产物易于被吸收

而不产生炎症反应，单存在力学性能差，尤其是力学强度与降解性能间存在反对应关系，及高强度源于高分子量，导致降解速度慢，难于满足组织工程中组织构建的速度要求，也是构建多孔三维支架存在困难[4]。

尽管天然高分子材料的发展面临诸多挑战，世界各国对它的支持力度依然很大。美国能源部（DOE）预计到2020年，来自植物可再生资源的基本化学结构材料要增加到10%，而到2050年要达到50%[5]。因此，天然高分子领域的研究及应用开发正在迅速发展，而且它们也必将带动其他高新技术领域的发展，为提高资源利用率，减少环境污染，实现绿色发展作出卓越的贡献。 2.2 微生物生产型高分子材料

这种材料是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。如英国ICI公司生产的“Biopol”产品。

微生物降解主要取决于聚合物分子的大小和结构、微生物的种类以及微生物的生活环境条件。对聚合物而言，一般可微生物降解的化学结构顺序为：脂肪族酯键、肽键＞氨基甲酸酯＞脂肪族醚键＞亚甲基。另外，相对分子质量

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大、分子结构排列规整、疏水性大的聚合物，不利于微生物的生长和作用，也就不利于生物降解[6]。

微生物降解方法具有成本低、无二次污染、生态恢复好等优点，进入80年代以来，发达国家更是对有益环境的微生物降解高分子材料的开发、应用研究领域投入了大量人力物力，取得了巨大的经济、环境、社会效益。 2.3 化学合成高分子材料

通过化学方法合成可降解高分子材料，可以对合成的目标产物进行人为的分子设计，并在分子链上引入不同种类和数量的基团，从而得到的聚合物具有预测的物理化学性质，达到降解速率可控，以满足生产生活的需求。

比如，脂肪族聚酯具有较好的生物可降解性。但其熔点低，强度及耐热性差，无法应用。芳香族聚酯（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，但没有生物可降解性。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，又有一定的生物可塑性。

正因为化学合成高分子材料有这些好处，在国内外研究通过化学合成的生物降解材料种类才会比较多。今后生物降解高分子材料更加会以化学合成

为主要研究方向，并集中向以下几个方面延伸：用新的方法合成新颖结构的降解高分子，如酶催化合成高分子；对现有的降解高分子进行改进，获取更好性能的高分子材料；提高材料生物降解性和降低材料的成本，并拓宽应用；降解速度的控制研究[7]。 2.4 掺混型高分子材料

掺混型生物降解材料是指将两种或两种以上高分子物（其中至少有一种组分具有生物可降解性）共混复制得的生物降解高分子材料[8]。选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，使所得的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可降解高分子材料。这种方法用的生物降解组分大多采用淀粉、纤维素、木粉等天然高分子，其中又以淀粉居多。目前已工业化的产品为美国Waner Lambert 公司的“Novon”。“Novon”是以变性淀粉为主，且配有少量其他生物降解性添加剂的高淀粉含量（含量大于90%）的天然聚合物材料，可完全生物降解，且分解速率在一年之内可控。另外，“Novon”可采用挤出、注塑、层压、吹塑等成型加工方法，产品广泛应用于垃圾袋、购物袋、一次性食品容器、医疗器材、缓冲发泡制品等[9]。

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3 生物可降解高分子材料的应用

在工农业生产领域，生活领域，生物医学领域中都可以看到生物可降解高分子的应用。下面就以可降解材料在环境保护和医疗保健这两方面的应用为例，作具体展开。

3.1 生物可降解高分子材料与环境污染

利用可降解高分子材料的生物可降解性，可以解决环境污染问题，以保证人类生存的可持续发展。比如将可降解高分子材料作为装潢、生活、卫杂品用材。这些用材包括地毯垫布、壁纸、桌布、包装袋、餐巾纸、纱布等等，而其中大多数都是一次性用品，若采用可降解材料制作，则使用后掩埋或燃烧均无毒气产生，且可以与其他有机废物一起变为堆肥，回归自然，既创造了再生资源，又保护了生态环境，很好地体现了“绿色发展”的理念。

3.2 生物可降解高分子材料与医疗保健

生物可降解材料在医学领域的研究十分广泛。由于可降解高分子材料不需要二次手术移出，因此其特别适用于一些需要暂时性存在的植入场合。根据其临床中的应用，可分为以下几类：外科手术缝合线；骨固定材料；人造皮肤；药物释放体系[10]。目前，我国一年约生

产3000多亿片片剂与控释胶囊剂，其中70%以上是上了包衣的表皮，其中包衣片中油80%以上是传统的糖衣片，而国际上发达国家80%以上使用水溶性高分子材料作薄膜衣片，因此，我国的片剂制造水平与国际先进水平有很大的差距。我国在医学领域的生物高分子研究尚需继续深入。

3.3 生物可降解材料与食品包装

大量的食品包装塑料废弃物散落在居民区、路边，令人触目惊心。这些大量废弃的 包装材料给环境造成了巨大污染，解决这一问题已迫在眉睫。但是只靠消极的减少使用量是不能从根本上解决问题的，只有采用可降解性能高的材料才能从源头上做到可持续发展。目前应用最广，最有发展潜力的材料便是聚乳酸。聚乳酸阻气阻水性、透明性及可印刷型良好，且其基本原料乳酸是人体固有的生理物质之一，对人体无毒无害，在食品包装市场上大有用武之地。

采用新型可降解材料替代传统塑料包装已显得越来越重要。近10年来，生物降解塑料市场在世界范围内迅速发展。据欧洲生物协会降解协会统计，世界生物降解塑料的总产量从2000年的2.8万t增加到2010年的40万t，年递增30.1%（图1）。预计2013年将

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达到77万t。单就美国一个国家而言，可食性包装产值也由1999年的100万美元迅速增加到2009年的1亿美元[11]。

图一 世界生物降解塑料产量

4 生物可降解高分子材料的发展前景

生物可降解高分子材料将在未来发挥越来越重要的作用，这一点是不言而喻的。为了更好地利用可降解高分子材料，目前世界各国都在做出努力。尽管生物可降解高分子材料的前景很乐观，但是在发展的过程中也面临着很多问题。比如相较同类现行塑料产品价格过高；产品的可降解性能影响力学性能，从而影响产品的使用范围；技术仍未成熟，限制其在更广领域内的发展。为了解决这些问题，我们的科研工作者

仍需不断做出努力。

参考文献：

[1]翟美玉,彭茜.生物可降解高分子材料[J].化学与粘合,2008,(05).

[2]王建.生物可降解高分子及其应用[J].四川防治科技,2003,(03):14

[3]蔡机敏.生物可降解高分子的合成及其应用研究进展[J].中国科技信息,2008,(02) [4]汤顺清,周长忍,邹翰.生物材料的发展现状与展望（综述）[J].暨南大学学报（自然科学版）,2000,21(05)

[5]汪怿翔,张俐娜.天然高分子研究进展[J].高分子通报,2008,(07)

[6]许云,刘江,赵同建.微生物降解高分子材料的研究进展[J].弹性体.2005,15(2):63~66

[7]田小艳,张敏,张恺,高传东,邱建辉.化学合成生物降解高分子材料的研究现状[J].化工新型材料,2010,38(2)

[8]侯红江,陈复生,郭东权,王玲.可生物降解材料的研究进展[J].食品与机械,2009,25(2):152-153

[9]郭娟,张进.可降解包装塑料的现状及发展趋势[J].塑料科技.2008,36,(2):99-100 [10]生物可降解高分子材料及其在医学领域的应用（Ⅱ）[J].武汉工业大学学报.1999,21(5)

[11]侯汉学,董海洲,王兆升,代养勇.国内外可食性与全降解食品包装材料发展现状与趋势[J].中国农业科技导报,2011,13(5):79-87

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