可降解高分子材料研究进展

第1页可降解高分子材料研究进展[摘要]：高分子材料充斥着我们生活的方方面面，但一般高分子材料不容易被降解，会对环境造成很大的危害。可生物降解高分子材料能被微生物完全分解，对环境有积极的作用；能减轻人类对环境的污染。本文介绍了可生物降解高分子材料的定义、分类、降解性能的评价及其研究进展做一个简要介绍Polymerfilledwithourlives,butgenerallynoteasytobedegradedpolymermaterial,willcausegreatharmtotheenvironment.Biodegradablepolymermicro-organismscanbecompletelydecomposed,haveapositiveeffectontheenvironment;canreducethehumanimpactontheenvironment.关键词：高分子材料；降解；微生物[Keywords]:polymermaterials;degrade；Micro-organisms[引言]：随着人们生活的不断改善，各种高分子材料的使用量也不断增长。但一般高分子材料普遍具有不易于降解的缺点，那就导致了污染越来越严重。随着人类环保意识的增强，开发研究可降解的高分子材料的重要性日益突出。若日常的高分子材料都较容易就可以降解，那么就可以降低日常生活对环境的污染。作为解决“白色污染”的较有效之一，已引起环境专家、材料学专家及更多领域人士的关注。第2页我国目前的高分子材料生产和使用已跃居世界前列，每年产生几百万吨废旧物。如此多的高聚物迫切需要进行生物可降解，以尽量减少对人类及环境的污染。1生物降解高分子材料的降解机理生物可降解材料，是指在自然界微生物，如细菌、霉菌及藻类作用下，可完全降解为低分子的材料。这类材料储存方便，只要保持干燥，不需避光，应用范围广，可用于地膜、包装袋、医药等领域。生物可降解的机理大致有以下3种方式：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；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。一般认为，高分子材料的生物可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；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。因此，生物可降解并非单一机理，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。到目前为止，有关生物可降解的机理尚未完全阐述清楚。除了生物可降解外，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。生物可降解高分子材料的降解除第3页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。专家通过研究发现，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的关系，包括化学结构、物理结构、表面机构等。按照上述机理，现将目前研究的几种主要的可生物可降解的高分子材料介绍如下。2生物可降解高分子材料的类型生物降解材料按其生物降解过程大致可分为两类。一类为完全生物降解材料，如天然高分子纤维素、人工合成的聚己内酯等，其分解作用主要来自：①由于微生物的迅速增长导致塑料结构的物理性崩溃；②由于微生物的生化作用、酶催化或酸碱催化下的各种水解；③其他各种因素造成的自由基连锁式降解。另一类为生物崩解性材料，如淀粉和聚乙烯的掺混物，其分解作用主要由于添加剂被破坏并削弱了聚合物链，使聚合物分子量降解到微生物能够消化的程度，最后分解为二氧化碳（CO2）和水。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可降解高分子材料两大类。按合成方法可分为如下几种类型。2.1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。其中最具代表性的是聚羟基丁酸酯（PHB）与聚羟基戊酸酯（PHV）及其共聚物（商品名Biopol），其物性与聚乙烯和聚第4页丙烯相近，且热封性良好，Biopol用过后可生物降解或被焚烧，两者的耗氧量仅相当于其光合作用放入大气的氧，处理后产生的CO2即为光合作用摄入的全部CO2量，因此可认为完全进入生物循环。2.2合成高分子型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，又有一定的生物可降解性。2.3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。2.4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可降解高分子材料，但这种材料不能完全生物可降解。3生物可降解高分子材料的开发3.1生物可降解高分子材料开发的传统方法传统开发生物可降解高分子材料的方法包括天然高分子的改造第5页法、化学合成法和微生物发酵法等。3.1.1天然高分子的改造法通过化学修饰和共混等方法，对自然界中存在大量的多糖类高分子，如淀粉、纤维素、甲壳素等能被生物可降解的天然高分子进行改性，可以合成生物可降解高分子材料。此法虽然原料充足，但一般不易成型加工，而且产量小，限制了它们的应用。3.1.2化学合成法模拟天然高分子的化学结构，从简单的小分子出发制备分子链上含有酯基、酰胺基、肽基的聚合物，这些高分子化合物结构单元中含有易被生物可降解的化学结构或是在高分子链中嵌入易生物可降解的链段。化学合成法反应条件苛刻，副产品多，工艺复杂，成本较高。3.1.3微生物发酵法许多生物能以某些有机物为碳源，通过代谢分泌出聚酯或聚糖类高分子。但利用微生物发酵法合成产物的分离有一定困难，且仍有一些副产品。3.2生物可降解高分子材料开发的新方法——酶促合成用酶促法合成生物可降解高分子材料，得益于非水酶学的发展，酶在有机介质中表现出了与其在水溶液中不同的性质，并拥有了催化一些特殊反应的能力，从而显示出了许多水相中所没有的特点。3.3酶促合成法与化学合成法结合使用酶促合成法具有高的位置及立体选择性，而化学聚合则能有效的提高聚合物的分子量，因此，为了提高聚合效率，许多研究者已开始第6页用酶促法与化学法联合使用来合成生物可降解高分子材料。4生物可降解高分子材料的应用目前生物可降解高分子材料主要有以下的用途4.1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。4.2利用其可降解性，用作生物医用材料。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，其中包衣片中有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。国外片剂和薄膜衣片多采用羟丙基甲纤维素，羟丙纤维素、丙烯酸树脂、聚乙烯吡咯烷酮、醋酸纤维素、邻苯二甲酸醋酸纤维素、羟甲基纤维素钠、微晶纤维素、羟甲基淀粉钠等。4.3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，上世纪60年代合成性纤维开始用于烧伤治疗的人工皮肤，70年代致力于对植入的人工表面处理，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。具有良好生物相容性德可降解高分子合成材料经过适宜的制备工艺，构建具有仿细胞外基质结构、适当的力学强度、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、气体发第7页泡发、溶液浇注2沥滤法、固体自由成型法、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以进入，从而提高了支架材料的细胞通透性。细胞进入后可调节其生长空间，尺寸比细胞小的纤维可与细胞产生较强的相互作用。目前相分离法、自组装法、模板法和静电纺丝法可用于构建超细纤维组织工程支架，聚乳酸及其共聚物等的电纺超细纤维制成三维多孔材料已尝试作为细胞生长和组织成形的骨架4.4生物降解高分子材料在农业方面用途也十分广泛，我国是农业大国，每年农用薄膜、地膜、农副产品保鲜膜及化肥包装袋等的用量十分大。普通农用薄膜难回收，但在自然环境中不易于降解，不仅污染环境，而且废弃的塑料膜在不断积累，会使土壤的通气性降低。妨碍农作物根系发育和对水分、养分的吸收。从而导致农作物的减产。生物降解高分子材料可在适当的条件下经过有机降解过程成为肥料，或与有机废料混合堆肥，其降解的产物不但有利于农作物的成长，还可以改善土壤环境。现在开发使用的可生物降解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，这样不但减轻了环境污染，还有益于植物的生长，达到循环利用的目的。除此之外，农用可降解高分子材料的主要产品还有育苗钵、肥料袋、堆肥袋等。5可生物降解高分子材料的研究和应用展望在可降解聚合物合成方面，旨在赋予聚合物组成、结构。分子量等物理特征、降解行为和降解速度的可调性。在功能性，提高对环第8页境刺激的快速响应性、灵敏性和准确恢复性，并拓展在生物医用领域的应用将是研究的重点，在活性大分子控释体系方面，生物活性大分子的高级、甚至一级结构在制备和释放过程中受到物理、机械、化学等因素的作用下产生了不可逆的变化。在组织工程支架材料方面，研究如何在可生物降解聚合物支架上引入生物学、化学、物理学和力学信号，并通过多种信号飞协同作用。诱导多细胞定向分布、定向分化最终形成特定的组织。在可生物降解材料的产业化方面，应进一步研究可生物降解聚合物的分解速率、分解彻底性、降解过程和机理；开发可控制降解速率的技术；二是提高与其他同类产品的竞争力，改进生产工艺，简化合成路线，降低生产成本从而提高产品的影响力。参考文献[1]侯红江,陈复生,程小丽,辛颖.可生物降解材料降解性的研究进展[J].塑料科技,2009,(03):89-93.[2]翟美玉,彭茜.生物可降解高分子材料[J].化学与粘合,2008,(05).[3]谢凯,陈一民,盘毅,许静.聚酯型生物降解性高分子材料的现状及展望[J].材料导报，1998-04-15.[4]张富新,赵丰丽.生物降解材料的研究进展[J].信阳师范学院学报(自然科学版)，2002-07-30.课程设计这一目的性非常强的课程，让我们对自己的专业有一个更深入的了解。可能是我们还没上过什么专业课的缘故吧，刚开始我对课程设计一无所知，通过老师的讲解才明白一些相关知识。在写论文第9页是我思考了很久才确定了这一个方向的，因为环境的污染越来越严重，作为人类的一份子，我们有责任去运用我们的知识去保护我们的环境。在写论文是遇到的最大的困难就是我们还没有真正的去接触这一样东西，一切都是依据书本的知识来完成。