生物可降解高分子材料的发展现状与前景综述

生物可降解高分子的发展现状与前景综述 1 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料，生物可降解高分子材料很好平衡了 技术突飞猛进的同时，谋求绿色发展已经济与环境之间的需求，同时也为医疗 经越来越成为时代的重要趋势。这种发保健等领域作出了长足的贡献。它的研 展理念不仅体现在经济活动上，也体现究和迅速发展，已经受到人们越来越多 在生物、化学等基础学科领域。就高分的关注。 子材料方面而言，我国目前的高分子材1 生物可降解高分子材料的定义 料生产和使用已位居世界前列，每年产及降解原理 生数百万吨的废弃物，既造成了环境破可降解高分子材料，是一种环保高 坏，又极大地制约了学科本身的发展。分子材料，它是在一定条件下，能在微 为了解决这种矛盾，生物可降解高分子生物分泌酶的作用下由大分子分解为 [1]材料应运而生。作为一种新型的环境材小分子的材料。 2 张璐(3110103221)生物可降解高分子材料的发展现状与前景综述 高分子材料的生物降解过程可分产型高分子材料、合成高分子材料和掺为4个阶段:水合作用、强度损失、物混型高分子材料。根据制造方法的不质整体化丧失和质量损失。高分子水，则可分为微生物合成、化学合成、 [3]作用是因依靠范德华力和氢键维系的。 天然高分子及其共混物二次、三次结构的破裂引发的。水合作2.1 天然高分子材料 用，以及其后高分子主链可能因为化学天然可降解性高分子材料主要有或酶催化水解而破裂，高分子材料的强胶原、明胶、甲壳糖、毛发、海藻酸、度降低。对交联高分子材料其强度的降血管、血清纤维蛋白、聚氨基酸等，应低，可因高分子主链、交联剂、外悬基用较多为胶原，血清纤维蛋白。这类材因的开裂等造成。高分子链的进一步断料最大的优点是降解产物易于被吸收裂会导致质量损失和分子量降低，最后而不产生炎症反应，单存在力学性能分子量足够低的分子链小段被酶进一差，尤其是力学强度与降解性能间存在 [2]步代谢为水、二氧化碳等物质。可降反对应关系，及高强度源于高分子量，解材料的生物性不仅和它本身的结构导致降解速度慢，难于满足组织中 组织构建的速度要求，也是构建多孔三有关，也受材料的温度、酶、PH值、微 [4]生物等外部环境因素的影响。总之，生维支架存在困难。 物可降解并不是一个受单一机理控制尽管天然高分子材料的发展面临的过程，而是一个复杂的各种因素协同诸多挑战，世界各国对它的支持力度依作用，相互促进的过程。 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2 生物可降解高分子材料的分类 构材料要增加到10%，而到2050年要达若按材料的来源分，可降解高分子 [5]可主要分为天然高分子材料、微生物生到50%。因此，天然高分子领域的研 3 张璐(3110103221)生物可降解高分子材料的发展现状与前景综述 究及应用开发正在迅速发展，而且它们年代以来，发达国家更是对有益环境的也必将带动其他高新技术领域的发展，微生物降解高分子材料的开发、应用研为提高资源利用率，减少环境污染，实究领域投入了大量人力物力，取得了巨现绿色发展作出卓越的贡献。 大的经济、环境、社会效益。 2.2 微生物生产型高分子材料 2.3 化学合成高分子材料 这种材料是通过微生物合成的高通过化学方法合成可降解高分子分子物质。这类高分子主要有微生物聚材料，可以对合成的目标产物进行人为酯和微生物多糖，具有生物可降解性，的分子设计，并在分子链上引入不同种可用于制造不污染环境的生物可降解类和数量的基团，从而得到的聚合物具塑料。如英国ICI公司生产的“Biopol”有预测的物理化学性质，达到降解速率产品。 可控，以满足生产生活的需求。 微生物降解主要取决于聚合物分比如，脂肪族聚酯具有较好的生物子的大小和结构、微生物的种类以及微可降解性。但其熔点低，强度及耐热性生物的生活环境条件。对聚合物而言，差，无法应用。芳香族聚酯(PET)和一般可微生物降解的化学结构顺序为:聚酰胺的熔点较高，强度好，是应用价脂肪族酯键、肽键,氨基甲酸酯,脂肪值很高的工程塑料，但没有生物可降解族醚键,亚甲基。另外，相对分子质量性。将脂肪族和芳香族聚酯(或聚酰胺)大、分子结构排列规整、疏水性大的聚制成一定结构的共聚物，这种共聚物具合物，不利于微生物的生长和作用，也有良好的性能，又有一定的生物可塑 [6]就不利于生物降解。 性。 微生物降解方法具有成本低、无二正因为化学合成高分子材料有这次污染、生态恢复好等优点，进入80些好处，在国内外研究通过化学合成的 4 张璐(3110103221)生物可降解高分子材料的发展现状与前景综述 生物降解材料种类才会比较多。今后生“Novon”。“Novon”是以变性淀粉为主，物降解高分子材料更加会以化学合成且配有少量其他生物降解性添加剂的为主要研究方向，并集中向以下几个方高淀粉含量(含量大于90%)的天然聚面延伸:用新的方法合成新颖结构的降合物材料，可完全生物降解，且分解速解高分子，如酶催化合成高分子;对现率在一年之内可控。另外，“Novon”可有的降解高分子进行改进，获取更好性采用挤出、注塑、层压、吹塑等成型加能的高分子材料;提高材料生物降解性工方法，产品广泛应用于垃圾袋、购物和降低材料的成本，并拓宽应用;降解袋、一次性食品容器、医疗器材、缓冲 [7][9]速度的控制研究。 。 发泡制品等 2.4 掺混型高分子材料 3 生物可降解高分子材料的应用 掺混型生物降解材料是指将两种在工农业生产领域，生活领域，生或两种以上高分子物(其中至少有一种物医学领域中都可以看到生物可降解组分具有生物可降解性)共混复制得的高分子的应用。下面就以可降解材料在 [8]生物降解高分子材料环境保护和医疗保健这两方面的应用。选在没有生物 可降解的高分子材料中，掺混一定量的为例，作具体展开。 生物可降解的高分子化合物，使所得的3.1 生物可降解高分子材料与环境污产品具有相当程度的生物可降解性，这染 就制成了掺合型生物可降解高分子材利用可降解高分子材料的生物可料。这种方法用的生物降解组分大多采降解性，可以解决环境污染问题，以保用淀粉、纤维素、木粉等天然高分子，证人类生存的可持续发展。比如将可降其中又以淀粉居多。目前已工业化的产解高分子材料作为装潢、生活、卫杂品品为美国Waner Lambert 公司的用材。这些用材包括地毯垫布、壁纸、 5 张璐(3110103221)生物可降解高分子材料的发展现状与前景综述 桌布、包装袋、餐巾纸、纱布等等，而差距。我国在医学领域的生物高分子研其中大多数都是一次性用品，若采用可究尚需继续深入。 降解材料制作，则使用后掩埋或燃烧均3.3 生物可降解材料与食品包装 无毒气产生，且可以与其他有机废物一大量的食品包装塑料废弃物散落起变为堆肥，回归自然，既创造了再生在居民区、路边，令人触目惊心。这些资源，又保护了生态环境，很好地体现大量废弃的 包装材料给环境造成了了“绿色发展”的理念。 巨大污染，解决这一问题已迫在眉睫。3.2 生物可降解高分子材料与医疗保但是只靠消极的减少使用量是不能从健 根本上解决问题的，只有采用可降解性 生物可降解材料在医学领域的研能高的材料才能从源头上做到可持续究十分广泛。由于可降解高分子材料不发展。目前应用最广，最有发展潜力的需要二次手术移出，因此其特别适用于材料便是聚乳酸。聚乳酸阻气阻水性、一些需要暂时性存在的植入场合。根据透明性及可印刷型良好，且其基本原料其临床中的应用，可分为以下几类:外乳酸是人体固有的生理物质之一，对人科手术缝合线;骨固定材料;人造皮肤;体无毒无害，在食品包装市场上大有用 [10]药物释放体系。目前，我国一年约生武之地。 产3000多亿片片剂与控释胶囊剂，其采用新型可降解材料替代传统塑中70%以上是上了包衣的皮，其中包料包装已显得越来越重要。近10年来，衣片中油80%以上是传统的糖衣片，而生物降解塑料市场在世界范围内迅速国际上发达国家80%以上使用水溶性高发展。据欧洲生物协会降解协会统计，分子材料作薄膜衣片，因此，我国的片世界生物降解塑料的总产量从2000年剂制造水平与国际先进水平有很大的的2.8万t增加到2010年的40万t， 6 张璐(3110103221)生物可降解高分子材料的发展现状与前景综述 年递增30.1%(图1)。预计2013年将为了解决这些问题，我们的科研工作者 达到77万t。单就美国一个国家而言，仍需不断做出努力。 可食性包装产值也由1999年的100万 参考文献: [11]美元迅速增加到2009年的1亿美元。 [1]翟美玉,彭茜.生物可降解高分子材料[J].化学与粘合,2008,(05). 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