生物可降解高分子材料的發(fā)展現(xiàn)狀與前景綜述

生物可降解高分子材料的發(fā)展現(xiàn)狀與前景綜述生物可降解高分子材料的發(fā)展現(xiàn)狀與前景綜述生物可降解高分子材料的發(fā)展現(xiàn)狀與前景綜述V:1.0精細(xì)整理，僅供參考生物可降解高分子材料的發(fā)展現(xiàn)狀與前景綜述日期：20xx年X月生物可降解高分子材料的發(fā)展現(xiàn)狀與前景綜述PresentDevelopmentandProspectsofBiodegradablePolymer張璐，浙江大學(xué)工科試驗(yàn)班1128班，jangru@126.com摘要：本文介紹了生物可降解高分子材料的定義和降解原理，并概述了生物可降解材料的種類，例如天然高分子材料，合成高分子材料和摻混型高分子材料，同時(shí)介紹了可降解高分子材料在環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療保健、食品包裝等領(lǐng)域的應(yīng)用，并對(duì)其未來發(fā)展作了展望。關(guān)鍵字：可降解高分子材料，分類，應(yīng)用，發(fā)展前景Abstract:Thispaperintroducesthedefinitionanddegradationmechanismofbiodegradablepolymer,andsummarizesthetypesofbiodegradablematerials,suchasnaturallyoccurringpolymers,syntheticpolymersandmixingtype.Besides,theapplicationofbiodegradablepolymerinenvironmentprotecting,medicalscienceandotherareasandthedevelopmentprospectofthismaterialarealsoinclude.Keywords：degradablepolymer,classification,application,developmentprospect當(dāng)前社會(huì)，在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)突飛猛進(jìn)的同時(shí)，謀求綠色發(fā)展已經(jīng)越來越成為時(shí)代的重要趨勢(shì)。這種發(fā)展理念不僅體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)活動(dòng)上，也體現(xiàn)在生物、化學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科領(lǐng)域。就高分子材料方面而言，我國(guó)目前的高分子材料生產(chǎn)和使用已位居世界前列，每年產(chǎn)生數(shù)百萬噸的廢棄物，既造成了環(huán)境破壞，又極大地制約了學(xué)科本身的發(fā)展。為了解決這種矛盾，生物可降解高分子材料應(yīng)運(yùn)而生。作為一種新型的環(huán)境材料，生物可降解高分子材料很好平衡了經(jīng)濟(jì)與環(huán)境之間的需求，同時(shí)也為醫(yī)療保健等領(lǐng)域作出了長(zhǎng)足的貢獻(xiàn)。它的研究和迅速發(fā)展，已經(jīng)受到人們?cè)絹碓蕉嗟年P(guān)注。1生物可降解高分子材料的定義及降解原理可降解高分子材料，是一種環(huán)保高分子材料，它是在一定條件下，能在微生物分泌酶的作用下由大分子分解為小分子的材料[1]。高分子材料的生物降解過程可分為4個(gè)階段：水合作用、強(qiáng)度損失、物質(zhì)整體化喪失和質(zhì)量損失。高分子水合作用是因依靠范德華力和氫鍵維系的二次、三次結(jié)構(gòu)的破裂引發(fā)的。水合作用，以及其后高分子主鏈可能因?yàn)榛瘜W(xué)或酶催化水解而破裂，高分子材料的強(qiáng)度降低。對(duì)交聯(lián)高分子材料其強(qiáng)度的降低，可因高分子主鏈、交聯(lián)劑、外懸基因的開裂等造成。高分子鏈的進(jìn)一步斷裂會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量損失和分子量降低，最后分子量足夠低的分子鏈小段被酶進(jìn)一步代謝為水、二氧化碳等物質(zhì)[2]?？山到獠牧系纳镄圆粌H和它本身的結(jié)構(gòu)有關(guān)，也受材料的溫度、酶、PH值、微生物等外部環(huán)境因素的影響?？傊锟山到獠⒉皇且粋€(gè)受單一機(jī)理控制的過程，而是一個(gè)復(fù)雜的各種因素協(xié)同作用，相互促進(jìn)的過程。2生物可降解高分子材料的分類若按材料的來源分，可降解高分子可主要分為天然高分子材料、微生物生產(chǎn)型高分子材料、合成高分子材料和摻混型高分子材料。根據(jù)制造方法的不同，則可分為微生物合成、化學(xué)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膠原、明膠、甲殼糖、毛發(fā)、海藻酸、血管、血清纖維蛋白、聚氨基酸等，應(yīng)用較多為膠原，血清纖維蛋白。這類材料最大的優(yōu)點(diǎn)是降解產(chǎn)物易于被吸收而不產(chǎn)生炎癥反應(yīng)，單存在力學(xué)性能差，尤其是力學(xué)強(qiáng)度與降解性能間存在反對(duì)應(yīng)關(guān)系，及高強(qiáng)度源于高分子量，導(dǎo)致降解速度慢，難于滿足組織工程中組織構(gòu)建的速度要求，也是構(gòu)建多孔三維支架存在困難[4]。盡管天然高分子材料的發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)，世界各國(guó)對(duì)它的支持力度依然很大。美國(guó)能源部（DOE）預(yù)計(jì)到2020年，來自植物可再生資源的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)材料要增加到10%，而到2050年要達(dá)到50%[5]。因此，天然高分子領(lǐng)域的研究及應(yīng)用開發(fā)正在迅速發(fā)展，而且它們也必將帶動(dòng)其他高新技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，為提高資源利用率，減少環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)綠色發(fā)展作出卓越的貢獻(xiàn)。2.2微生物生產(chǎn)型高分子材料這種材料是通過微生物合成的高分子物質(zhì)。這類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，可用于制造不污染環(huán)境的生物可降解塑料。如英國(guó)ICI公司生產(chǎn)的“Biopol”產(chǎn)品。微生物降解主要取決于聚合物分子的大小和結(jié)構(gòu)、微生物的種類以及微生物的生活環(huán)境條件。對(duì)聚合物而言，一般可微生物降解的化學(xué)結(jié)構(gòu)順序?yàn)椋褐咀艴ユI、肽鍵＞氨基甲酸酯＞脂肪族醚鍵＞亞甲基。另外，相對(duì)分子質(zhì)量大、分子結(jié)構(gòu)排列規(guī)整、疏水性大的聚合物，不利于微生物的生長(zhǎng)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、無二次污染、生態(tài)恢復(fù)好等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)入80年代以來，發(fā)達(dá)國(guó)家更是對(duì)有益環(huán)境的微生物降解高分子材料的開發(fā)、應(yīng)用研究領(lǐng)域投入了大量人力物力，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)效益。2.3化學(xué)合成高分子材料通過化學(xué)方法合成可降解高分子材料，可以對(duì)合成的目標(biāo)產(chǎn)物進(jìn)行人為的分子設(shè)計(jì)，并在分子鏈上引入不同種類和數(shù)量的基團(tuán)，從而得到的聚合物具有預(yù)測(cè)的物理化學(xué)性質(zhì)，達(dá)到降解速率可控，以滿足生產(chǎn)生活的需求。比如，脂肪族聚酯具有較好的生物可降解性。但其熔點(diǎn)低，強(qiáng)度及耐熱性差，無法應(yīng)用。芳香族聚酯（PET）和聚酰胺的熔點(diǎn)較高，強(qiáng)度好，是應(yīng)用價(jià)值很高的工程塑料，但沒有生物可降解性。將脂肪族和芳香族聚酯（或聚酰胺）制成一定結(jié)構(gòu)的共聚物，這種共聚物具有良好的性能，又有一定的生物可塑性。正因?yàn)榛瘜W(xué)合成高分子材料有這些好處，在國(guó)內(nèi)外研究通過化學(xué)合成的生物降解材料種類才會(huì)比較多。今后生物降解高分子材料更加會(huì)以化學(xué)合成為主要研究方向，并集中向以下幾個(gè)方面延伸：用新的方法合成新穎結(jié)構(gòu)的降解高分子，如酶催化合成高分子；對(duì)現(xiàn)有的降解高分子進(jìn)行改進(jìn)，獲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，并拓寬應(yīng)用；降解速度的控制研究[7]。2.4摻混型高分子材料摻混型生物降解材料是指將兩種或兩種以上高分子物（其中至少有一種組分具有生物可降解性）共混復(fù)制得的生物降解高分子材料[8]。選在沒有生物可降解的高分子材料中，摻混一定量的生物可降解的高分子化合物，使所得的產(chǎn)品具有相當(dāng)程度的生物可降解性，這就制成了摻合型生物可降解高分子材料。這種方法用的生物降解組分大多采用淀粉、纖維素、木粉等天然高分子，其中又以淀粉居多。目前已工業(yè)化的產(chǎn)品為美國(guó)WanerLambert公司的“Novon”?！癗ovon”是以變性淀粉為主，且配有少量其他生物降解性添加劑的高淀粉含量（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內(nèi)可控。另外，“Novon”可采用擠出、注塑、層壓、吹塑等成型加工方法，產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于垃圾袋、購(gòu)物袋、一次性食品容器、醫(yī)療器材、緩沖發(fā)泡制品等[9]。3生物可降解高分子材料的應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，生活領(lǐng)域，生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中都可以看到生物可降解高分子的應(yīng)用。下面就以可降解材料在環(huán)境保護(hù)和醫(yī)療保健這兩方面的應(yīng)用為例，作具體展開。3.1生物可降解高分子材料與環(huán)境污染利用可降解高分子材料的生物可降解性，可以解決環(huán)境污染問題，以保證人類生存的可持續(xù)發(fā)展。比如將可降解高分子材料作為裝潢、生活、衛(wèi)雜品用材。這些用材包括地毯墊布、壁紙、桌布、包裝袋、餐巾紙、紗布等等，而其中大多數(shù)都是一次性用品，若采用可降解材料制作，則使用后掩埋或燃燒均無毒氣產(chǎn)生，且可以與其他有機(jī)廢物一起變?yōu)槎逊?，回歸自然，既創(chuàng)造了再生資源，又保護(hù)了生態(tài)環(huán)境，很好地體現(xiàn)了“綠色發(fā)展”的理念。3.2生物可降解高分子材料與醫(yī)療保健生物可降解材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究十分廣泛。由于可降解高分子材料不需要二次手術(shù)移出，因此其特別適用于一些需要暫時(shí)性存在的植入場(chǎng)合。根據(jù)其臨床中的應(yīng)用，可分為以下幾類：外科手術(shù)縫合線；骨固定材料；人造皮膚；藥物釋放體系[10]。目前，我國(guó)一年約生產(chǎn)3000多億片片劑與控釋膠囊劑，其中70%以上是上了包衣的表皮，其中包衣片中油80%以上是傳統(tǒng)的糖衣片，而國(guó)際上發(fā)達(dá)國(guó)家80%以上使用水溶性高分子材料作薄膜衣片，因此，我國(guó)的片劑制造水平與國(guó)際先進(jìn)水平有很大的差距。我國(guó)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的生物高分子研究尚需繼續(xù)深入。3.3生物可降解材料與食品包裝大量的食品包裝塑料廢棄物散落在居民區(qū)、路邊，令人觸目驚心。這些大量廢棄的包裝材料給環(huán)境造成了巨大污染，解決這一問題已迫在眉睫。但是只靠消極的減少使用量是不能從根本上解決問題的，只有采用可降解性能高的材料才能從源頭上做到可持續(xù)發(fā)展。目前應(yīng)用最廣，最有發(fā)展?jié)摿Φ牟牧媳闶蔷廴樗?。聚乳酸阻氣阻水性、透明性及可印刷型良好，且其基本原料乳酸是人體固有的生理物質(zhì)之一，對(duì)人體無毒無害，在食品包裝市場(chǎng)上大有用武之地。采用新型可降解材料替代傳統(tǒng)塑料包裝已顯得越來越重要。近10年來，生物降解塑料市場(chǎng)在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展。據(jù)歐洲生物協(xié)會(huì)降解協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，世界生物降解塑料的總產(chǎn)量從2000年的2.8萬t增加到2010年的40萬t，年遞增30.1%（圖1）。預(yù)計(jì)2013年將達(dá)到77萬t。單就美國(guó)一個(gè)國(guó)家而言，可食性包裝產(chǎn)值也由1999年的100萬美元迅速增加到2009年的1億美元[11]。圖一世界生物降解塑料產(chǎn)量4生物可降解高分子材料的發(fā)展前景生物可降解高分子材料將在未來發(fā)揮越來越重要的作用，這一點(diǎn)是不言而喻的。為了更好地利用可降解高分子材料，目前世界各國(guó)都在做出努力。盡管生物可降解高分子材料的前景很樂觀，但是在發(fā)展的過程中也面臨著很多問題。比如相較同類現(xiàn)行塑料產(chǎn)品價(jià)格過高；產(chǎn)品的可降解性能影響力學(xué)性能，從而影響產(chǎn)品的使用范圍；技術(shù)仍未成熟，限制其在更廣領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展。為了解決這些問題，我們的科研工作者仍需不斷做出努力。參考文獻(xiàn)：[1]翟美玉,彭茜.生物可降解高分子材料[J].化學(xué)與粘合,2008,(05).[2]王建.生物可降解高分子及其應(yīng)用[J].四川防治科技,2003,(03):14[3]蔡機(jī)敏.生物可降解高分子的合成及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J].中國(guó)科技信息,2008,(02)[4]湯順清,周長(zhǎng)忍,鄒翰.生物材料的發(fā)展現(xiàn)狀與展望（綜述）[J].暨南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2000,21(05)[5]汪懌翔,張俐娜.天然高分子研究進(jìn)展[J].高分子通報(bào),2008,(07)[6]許云,劉江,趙同建.微生物降解高分子材料的研究進(jìn)展[J].彈性體.2005,15(2):63~66[7]田小艷,張敏,張愷,高傳東,邱建輝.化學(xué)合成生物降解高分子材料的研究現(xiàn)狀[J].化工新型材