梁秋严
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摘要：随着环境污染的逐渐加重，人们也越来越注重环境友好材料的研究和应用。而生物降解高分子材料具有显著的环境友好性，所以其研究引起了越来越多的关注。基于这种情况，本文对可生物降解高分子材料的分类进行了介绍，并且对其应用情况展开了分析，从而为关注这一话题的人们提供参考。
关键词：可生物降解；高分子材料；分类；应用
生物降解被认为是一个或多个分子经化学反应转化成简单小分子的过程，在生物医学方面如组织支架、外科缝合线、专业包装、外科固定治具和药物释放基质等领域，得到了广泛研究与应用。近年来，在一次性用品、日常生活用品、农业用品，以及纺织和环境科学领域，生物可降解材料同样备受瞩目，并已有一些产品投放市场。根据各特定应用需要，生物可降解高分子材料必须能以适当而且可控的速度水解，其聚合物及其降解产物无毒;生物可降解聚合物的硬度、渗透性、弹性、热稳定性等化学与机械性能，也必须满足加工与应用的要求。
1.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。
2.生物可降解高分子的降解性
2.1天然生物可降解高分子
所有天然高分子如纤维素、淀粉、蛋白质、甲壳素和木质素，都是生物可降解的，大自然中存在着降解这些材料的酶和微生物。因此，多糖类淀粉和纤维素得到了极其广泛的应用，并与高分子材料形成共混物用于塑料工业。但是，天然高分子也存在着一些显著的缺点，如较强的生理活性、排斥性，难以评估的降解速率，机械强度不够等，这限制了其在制药和生物医学领域中的应用。以纤维素为例，其结构如图1所示。
图1纤维素的结构
天然纤维素材料强度高，难以为大多数有机体所消化。不过，有两类纤维素材料经结构改性而在工业上得到了广泛应用:一类是再生纤维素，另一类是化学改性纤维素。再生纤维素适合用于纤维与薄膜的制造。纤维素酯、纤维素醚、纤维素缩醛化合物等常用的化学改性纤维，其生物降解性与羟基反应的程度有关。当其吡喃葡萄糖环上的三羟基基团被更多的疏水酯基取代后，其生物降解行为才能出现。
2.2化学合成高分子材料
化学合成高分子材料就是利用化学合成法制成的高分子材料，通常由含有脂基结构的脂肪族聚酯组成。就目前来看，常用的化学合成高分子材料有聚乳酸、多酚、聚已内酯等。相较于天然高分子材料，该种高分子材料能够通过化学分子进行高分子结构设计，所以能够获得拥有较好物理性能的材料。
2.3微生物合成高分子材料
通过为微生物提供碳源和氮源等物质，则能够合成需要的高分子物质。就目前来看，常用的微生物合成高分子材料有多糖、微生物聚酯和聚乳酸等。这些材料能够完全生物分解，具有较高的热塑性，能够轻易加工成型。但是，这些材料的机械强度和耐热性较差，合成成本也较高，所以应用范围有限。
3.生物降解高分子材料的应用和前景
3.1药物控制释放
在过去20年里，合成生物可降解高分子被广泛用于最重要的药物释放领域。以糖尿病为例，通常的治疗方法是周期性注射胰岛素，这种方式只是对正常生理性胰岛素分泌物极差的情况近似。而理想的情况应是，药物能在合适的时间、合适的地方加以释放，以满足生理需要。这就使得用生物可降解高分子制成的药物控制释放系统来控制药物的释放速率，变得很有意义、很必要了。初期的药物控制释放体系是将活性物质加载到高分子基质中，然后再输入人体。在该体系中，药物释放主要是由扩散驱动，而后高分子基质本体水解。这方面用得较好的是DLLA/GA共聚物。PGA是高度结晶的高分子，具有很高的降解速率。而PDLLA(无规右，左旋聚乳酸)是无定形材料，药物渗透性低，降解速率高。由于扩散机理对于大分子的释放太慢，对一些高分子基质侵蚀释放机理是需要的，因此，在过去10年里人们针对医学应用，对PLA、PGA和PLGA微球控制释放体系进行了开发研究。
PLA和PLGA制成的微球，能在一段时间内以一恒定的速率释放缩氨酸、蛋白质、疫苗等，其释放速率依赖于高分子的生物可降解行为。而药物以纳米球和纳米颗粒的形式直接注射到固态组织或器官中，则是更进一步的发展。PCL之类的聚内酯也被用于药物释放。PCL是一种半结晶高分子，药物渗透性好，且降解速率很低。将PCL和PLLA或PGA共混，或合成相应的嵌段共聚物，有利于控制生物降解过程和药物释放特性。例如，控制PLA和PCL片段的长度就能控制药物释放行为。
3.2在农业领域的应用
在农业领域，应用的可生物降解高分子材料主要包含农用覆盖膜和药物释控。从2011年开始，中国农用薄膜产量一直在持续增长。而使用不可降解的农用覆盖膜将导致土壤板结，从而使作物的生长受到阻碍，并且也将对环境造成污染。使用可生物降解材料制成的薄膜，则能够避免这些问题的产生，并且能够使土壤保持水分，同时也能够去除杂草，因此将有利于作物的生长。通常的情况下，常用的降解薄膜多为高吸水性树脂，具有较好的水分调控功能。在农用药物释控方面，使用甲壳素和淀粉等物质制成的高分子材料能够得到较好的应用，不仅能够降低药物对非目标的损害，还能够防止药物渗透挥发。而高分子材料的高分子量，将能成为限制化学药物损失的主要因素，能够有效防止农业生产药物的渗透挥发和降解。但就目前来看，使用这些材料进行药物释控，还要解决这些物资不溶于标准溶剂的问题。在化肥领域，目前则使用了CR工艺进行甲醛和尿素聚合物的生产，而得到的聚合物在遇到水后会进行尿素的释放。
3.3在包装材料中的运用
在包装材料中，生物降解高分子材料也得到了广泛的应用。不仅在食品和洗涤剂的包装中有使用，而且在日用品、化妆品的包装中也有使用。其中，使用较为广泛的材料是丙酸纤维素、醋酸纤维素，通过这些材料的混合和加工，可以得到一些可降解的材料。又如，现在超市购物需要使用大量的塑料口袋，餐馆外卖需要使用大量的饭盒，这些白色污染曾经成为全世界瞩目关注的问题。如果我们可以使用高分子材料加工成可降解的包装袋，将饭盒做成可降解的材料，那么就能够使环境得到很好的保护。
结论
总之，相较于其他材料，可生物降解高分子材料具有无毒和无污染的特性，能够有效减少人类生产对环境的污染。但就目前来看，该类材料价格仍然较高，并且产品性能有限，所以导致其应用范围受到了限制。因此，相关人员还应该加强该类材料的研究，从而通过提升材料的性能以更好推广应用生物可降解材料。
参考文献
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[3]陈喻东.生物可降解高分子材料的开发利用[J].科技风，2010，01:240.
论文作者:梁秋严
论文发表刊物:《科技新时代》2019年2期
论文发表时间:2019/4/9
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