聚丁二酸丁二醇酯基脂肪族聚酯生物降解研究进展

白桢慧，苏婷婷，王战勇

(辽宁石油化工大学化学化工与环境学部，辽宁 抚顺 113001)

0 前言

PBS作为环境友好的绿色高分子材料，自20世纪90年代商业化以来，便得到了科研人员的广泛关注[1-2]。作为可生物降解塑料，PBS及PBS基聚酯具有媲美传统石油基塑料的物理化学性质，可加工性及良好的力学性能。在食品包装、农用薄膜、卫生用品等领域具有很好的发展前景[3-4]。此外，PBS及PBS基聚酯同时兼具良好的生物相容性。在药物传送系统、组织工程支架、临时性介入医疗器件等生物医疗领域的应用研究也逐渐增多[5-6]。但PBS也存在一些缺陷，如相对分子质量较低，分子链中长支链少，缺少活性反应点且降解速率较慢等，使其在工业上的应用受到限制。为此，科研人员一般通过引入离子基团、共聚或共混等化学改性手段制备综合性能良好的PBS基聚酯。本文对近年来PBS及PBS基聚酯在微生物、生理环境及酶条件下的降解研究现状进行了介绍，同时详细阐述了影响其降解过程的相关因素，并对未来的发展前景进行展望。

1 堆肥降解及微生物降解

堆肥降解技术是一种有效的有机废物资源化手段，也是有机固体废物处理的有效方法。它是通过自然界中的细菌、真菌和放线菌作用于可降解塑料并将其转化为腐殖质的生物化学过程。可直观反映出塑料在自然条件下的降解性能，已逐渐成为世界各国评价塑料可生物降解性能的主要方法。近年来国内外相关科研人员进行了一系列的堆肥法处理PBS基聚酯等可生物降解塑料的研究。寇莹等[7]选用陕西当地4种土壤(堆肥土、污泥土、垃圾土和花园土)对PBS进行土埋实验。根据PBS薄膜失重率确定堆肥土的降解效果最佳，90 d后PBS薄膜失重率超过6 %；而花园土降解作用最差，相同时间内PBS薄膜失重率仅为1 %左右。观察降解前后PBS薄膜表面形貌变化发现，4种土壤对PBS薄膜的降解行为相似，降解作用均从薄膜边缘开始。由于土壤及堆肥的生物环境相对复杂，很难实现对降解后水溶性产物的收集和分析[8-9]。因此，相关人员[10-11]使用微生物悬浮液模拟天然微生物环境降解PBS以了解水溶性产物及其对降解环境的影响。研究发现，在降解的最初两周，水溶性产物使培养基pH从7.2酸化至5.2，并在一定程度上抑制微生物的生长。随着降解作用的进行，水溶性产物被微生物同化为碳源，培养基pH值逐渐恢复到中性，微生物也迅速生长。高效液相色谱 - 质谱联用仪(HPLC-MS)分析确定水溶性产物为1,4 - 丁二醇(B)、丁二酸(S)及相应寡聚体BS、BSB、SBS、BSBS、BSBSB和SBSBS。发芽试验进一步证明，水溶性产物本身对绿豆的危害很小，但酸化介质显著抑制了绿豆的萌发。李成涛等[12]的研究表明，丁二酸含量低于200 mg/L时，不会对植物种子萌发和幼苗生长产生影响，但浓度超过500 mg/L后，将抑制幼苗生长；1,4 - 丁二醇含量低于2 000 mg/L时，对种子萌发和幼苗生长均不产生影响。

土壤系统中的真菌生物量往往超过细菌生物量，且真菌对酸性条件表现出更强的耐受性。因此，酸性土壤中的有机物主要被真菌菌株分解[13-15]。王蕾等[15]以陕西花园土对PBS进行堆肥降解，研究其中微生物对PBS的降解能力。综合失重率及力学性能测试表明，真菌为PBS降解的主要贡献者。Tezuka等[16]为研究聚丁二酸乙二醇酯(PES)在自然环境中的降解行为，从淡水和土壤环境中分离出PES降解菌株。经鉴定表明，降解菌株主要为革兰氏阳性菌和真菌两大类，且在降解过程中起主要作用的为真菌菌株。Ishii等[17]从不同环境中分离出20个真菌菌株。其中，AspergillusclavatusNKCM1003菌株对PES的降解速率最高，约为20 μg/(cm2·h)。Zhao等[18]使用从堆肥中分离的杂色曲霉(A.versicolor)降解聚(丁二酸丁二醇酯 - 己二酸丁二醇酯)(PBSA)。在降解的初始阶段，菌株附着在聚酯薄膜表面，使聚酯链段发生断裂，形成微生物很难攻击的大片段，导致此阶段聚酯失重较慢。随着降解作用继续进行，聚酯相对分子质量逐渐降低，达到微生物容易攻击的程度，水解作用增强，聚酯失重较快。研究还发现，相较琥珀酸单元，己二酸单元由于容易受微生物侵袭而优先降解。随着降解作用的不断进行，降解残余物中琥珀酸单元的相对含量逐渐增加。

堆肥及微生物降解作用均是通过微生物对聚酯的黏附作用进行的。微生物在聚酯表面发生黏附作用后，使聚酯发生水解及氧化反应形成低相对分子质量的聚酯片段；然后，微生物经过进一步的吸收和消耗作用，最终将聚酯代谢为H2O、CO2和生物量。然而，由于土壤环境的复杂性增加了降解产物的收集难度，聚酯在微生物环境中的降解行为及降解机理尚不清楚。因此，通过悬浮液模拟天然微生物环境研究相关降解过程及机理，对提高PBS及其聚酯的可生物降解能力具有十分重要的作用。

2 生理环境降解

脂肪族聚酯因具有较好的生物相容性，已在生物医疗领域中广泛应用。当其用于药物传送系统、临时性介入医疗器件等方面时，为避免通过手术去除植入物，其生物可降解性就显得十分重要[5]146-147。因此，近年来国内外许多研究人员致力于研究生理条件下(即温度为37 ℃，pH=7.4，磷酸盐缓冲液)聚酯的降解行为。研究表明，脂肪族聚酯的体外模拟水解分为2个阶段，与酶解作用相似，同样受到许多因素的影响，如化学结构，亲 - 疏水平衡，固体形态和结晶度等[19]32[20]434[21]7 403[22]1 025。在降解的初始阶段，聚酯链段发生随机断裂，伴随着结晶度的增加或降低。随着相对分子质量下降至13000 Da左右，聚酯水解进入第二阶段[23]。大量研究表明，PBS均聚物在生理条件下水解的非常缓慢，降解数周后质量仍保持相对恒定，仅表现出相对分子质量的降低。这是由于PBS较高的初始结晶度及疏水性所致[24]369[25-27][28]252-253[29]。因此，为拓宽PBS基聚酯在生物医疗及相关领域的应用，在PBS主链中引入易受水分子攻击的亲水性基团，可加快聚合物的水解速率。Gualandi等[30]使用丁二酸丁二醇酯(BS)和三乙烯琥珀酸酯(TES)通过反应性共混制备了4种化学组成相同但嵌段长度不同的共聚酯P(BS18TES18)、P(BS9TES9)、P(BS4TES4)和P(BS2TES2)。并在生理条件下对4种共聚酯进行水解实验测试。热失重曲线表明，通过增加嵌段长度，可以将聚合物质量损失从0调整到30 %，TES单元含量较高的共聚酯表现出较大的失重。Wang等[31]报道，随着共聚物中聚乙二醇(PEG)含量的增加，PBS基共聚酯显示出逐渐增大的水解速率。这是由于PEG单元亲水性强，易溶于水。因此，酯键在PEG链段上发生优先断裂，加速聚酯的降解。此外，PBS基聚酯与亲水基团的共聚作用对其水解速率也具有显著影响[32]。

研究表明，在中性的降解环境中，水分子的扩散作用比酯键水解更快。聚酯的降解遵循本体降解过程(图1)。聚酯的无定型区首先被水解，而后是紧密堆积的晶区。具有较低初始结晶度的聚酯可表现出良好的可降解性。因此，可通过引入离子基团降低聚酯结晶度，进一步提高降解速率[24]372。Wu等[33]将聚氨酯离子(UI)引入PBS链段，制备3种UI含量不同的共聚酯PBSUI-1、PBSUI-3和PBSUI-5。研究发现，UI的引入增大了PBS降解速率。且随着UI含量的增加，共聚酯的结晶度逐渐降低，降解速率逐渐增强。UI含量最高的聚酯PBSUI-5失重率最高，为35 %。与之相比，纯PBS的失重率仅为5.4 %。

Gualandi等[28]244-245对比研究了薄膜及支架2种形式聚酯的降解行为。研究发现，以薄膜形式存在的聚酯降解得更快。这与羧基端机的扩散速度有关，水解过程中产生的羧基端基对降解过程表现出自催化作用。由于尺寸和形态原因，相对于支架结构，薄膜中的酸性片段主要积累在降解形成的孔洞中心，可进一步催化大分子链的水解。Tallawi等[34]得到了相似的结论，他们在对新型聚合物聚甘油癸二酸酯/聚丁二酸丁二醇酯 - 二亚油酸酯(PGS/PBS-DLA)的体外降解研究中，发现由于PBS-DLA的引入抵消了PGS链末端游离羧基的酸性，最终导致聚合物降解速率的降低。

综上表明，通过向PBS主链中引入亲水性基团及离子基团可达到提高PBS均聚物可生物降解性的目的。而作为生物医用材料，其与人体细胞直接接触。因此，引入不同基团的PBS基聚酯必须同时满足生物相容性的要求。目前，有关此方面的研究相对较少。因此，寻找合适的离子基团引入PBS主链，制备出高降解性的生物医用材料，应是未来的研究方向。

图1 聚酯的水解过程和酶降解过程Fig.1 Hydrolytic degradation and enzymatic degradation process of polyesters

3 酶降解

脂肪酶和角质酶是最常见的可催化PBS基聚酯水解的酶。PBS基聚酯的酶解作用也受许多因素的影响，如聚酯的化学组成，亲 - 疏水平衡，结晶度和表面形貌等。酶水解过程通过表面侵蚀作用发生(图1)。与简单水解作用不同的是，在酶水解过程中，低相对分子质量产物易于溶解在水性介质中，降解前后聚酯的相对分子质量几乎不会发生变化[19]37-39[21]7 405-7 406。

Tserki等[35-38]同时使用3种不同的酶，分别来自Pseudomonasfluorescens和Rhizopusdelemar的胆固醇酯酶和来自Candidacylindracea的脂肪酶降解PBS。实验结果表明，经过几周时间的降解，3种降解酶对PBS的降解率均达到40 %。Taniguchi等[39]使用来源于P.cepaci的脂肪酶降解PBS，研究结果表明，在降解14 d后，PBS的失重率可以达到80 %左右。孙炳新等[40]应用脂肪酶降解PBS，10周后PBS失重率为33.2 %，结晶度及热稳定性均有降低。Sun等[41]应用脂肪酶对PBS的降解机制进行研究。结果表明：由于脂肪酶的表面吸附能力强，能够很好地附着在聚酯表面，切断聚酯的酯键，该键断裂使聚酯内部结构发生变化导致其结晶度和热稳定性均下降，致使PBS降解。Jiang等[42]制备了PBS单晶，同样使用脂肪酶对其进行降解，结果表明：由于酶吸附在聚酯的侧面，酶促降解优先在此发生，片状聚酯降解后厚度基本不发生变化。Dimitrios等[19]41-42采用R.delemar脂肪酶在pH=7.2的磷酸缓冲液中降解PBS及同类脂肪族聚酯PES和聚丁二酸丙二酯(PPS)。研究发现，PPS表现出最大的降解速率及失重率，PES次之，而R.delemar脂肪酶对PBS的降解能力最弱。Dimitrios等因而提出影响3种聚酯生物降解能力的主要原因是聚合物的初始结晶度，该实验使用的3种聚酯PES、PPS和PBS中，PPS的结晶度具有最低的结晶度。因此，聚酯PPS表现出最大的失重率及最快的降解速率。这是由于酶解作用往往优先发生于晶体的无定型区，而后才是结晶区。Dimitrios等还提出，除结晶度外，聚合物的化学结构，如酯基间碳原子的个数，熔点以及玻璃化转变温度也会对酶降解过程产生影响。但影响脂肪族聚酯可降解性能最主要的因素还是聚酯的初始结晶度。而Rizzarelli等[20]440-442的研究得到了不同的结论，他们发现决定聚酯降解性能的主要因素为聚酯碳链的长短。他们采用PBS共聚酯聚PBSA及聚(丁二酸丁二醇酯 - co - 癸二酸丁二醇酯)为酶解实验的底物，分别使用来自Mucor.miehei和R.arrhizus的2种脂肪酶对其进行降解实验研究。研究发现，在酶水解过程中，聚酯中酯键的断裂不是随机的，而是有选择性的。即酶解作用更容易发生在酯基间含有较多碳原子的酯键上。此外，共聚或共混均有利于加速酶降解作用的进行[43]。Marija等[44]采用来自Candidacylindracea的脂肪酶对PBS，聚己二酸丁二醇酯及其共聚酯PBSA进行降解研究。经过100 h的降解，PBS、PBA几乎没表现出任何的质量损失，而3种BS含量不同的共聚酯均表现出较大的失重。Marija认为，与均聚物相比，共聚物骨架具有良好的柔韧性，可起到加速酶水解的作用。除上述因素外，亲 - 疏水平衡也是影响聚酯降解性的重要因素。当不同的酶覆着在相同底物表面时，聚酯的亲水 - 疏水性平衡会使酶对其产生不同的降解效果[21]7 405-7 406。Shirahama等[45]研究了几种不同的酶的降解性与聚酯亲水性的关系。结果表明，与亲水性聚酯相比，胆固醇酯酶和脂肪酶B对疏水性聚酯有着特殊的亲和力，并表现出相对大的失重和较快的降解速率。然而，当来自R.delemar的脂肪酶作用于相同底物时则表现出相反的降解趋势。

Shinozaki等[46]经过对脂肪族聚酯的降解研究发现，P.antarcticaJCM10317释放的角质酶可在数天的降解后使PBSA，聚乳酸和聚己内酯的降解率达到50 %左右。Gamerith等[47]报道了来自Thermobifidacellulosilytica的角质酶对PBS聚酯的降解能力。研究发现，角质酶经过1.5 h侵蚀作用，PBS聚酯表现出93 %的质量损失。Bai[48]等使用角质酶，在温度为37 ℃，pH=7.4条件下，对PES、PBS以及聚丁二酸己二醇酯(PHS)进行酶降解实验研究。经过12 h的酶解作用，3种聚酯几乎完全失重。此外，结果还表明，PES、PBS、PHS三者的降解速率依次增加，PHS的降解速率最大。这是由于在脂肪族聚酯中，当酯基之间含有6个碳原子时，聚酯拥有最快的降解速率，增加或减少酯基间的碳原子个数，均会降低酶降解速率。Pan等[49]同样使用角质酶降解不同相对分子质量的PBS聚酯降解48 h，对降解前后的样品进行差示扫描量热仪和X射线衍射仪分析，发现角质酶可同时降解了聚酯的结晶区及无定型区域，酶促降解没改聚酯的变晶体结构，而是破坏了其结构，最终导致结晶度的显著降低。Hu等[50]使用PBS分别与纤维素微晶(CMC)，醋酸纤维素(CA)和三醋酸纤维素(CTA)混合，并研究了角质酶队3种混合物的酶解性能。研究表明，降解4 h时，PBS/CMC和PBS/CA混合物的失重率约85%，而PBS/CTA的降解率低于20 %。这是由于PBS与CMC，CA的相容性差，PBS/CMC和PBS/CA的混合物中有许多孔，水分子容易渗入混合物内部进而降解混合物；而PBS和CTA可均匀混合并紧密堆积在一起，水分子很难进入。

综上，一般来讲，与脂肪酶相比，角质酶对PBS基聚酯具有更高效的生物降解性，降解率高且所需降解时间较短(48 h以内)。而脂肪酶一般需要数天甚至数周的降解时间，且降解率相对较低。但无论是使用角质酶或脂肪酶降解PBS基聚酯，聚酯的酶解过程均受诸多因素的影响。通常情况下，减小聚酯的结晶度，增加其碳链长度、疏水性，制备共聚或共混物均有利于加速酶降解作用的进行。此外，研究还发现，球晶中纤维填充的程度也对酶侵蚀过程有很大影响。由细纤维填充的球晶，水分子难以深入渗透到聚酯薄膜内部，因此失重较慢。酶解作用从球晶的中心部分开始，随后球晶的其他部分被降解[22]1 030。而对于充满粗糙纤维且堆积松散的球晶型貌，水分子可以很容易地渗透到聚酯内部，导致深度侵蚀。

4 结语

作为可生物降解的高分子材料，PBS基聚酯具有良好的综合性能，以其替代传统的石油基塑料，是缓解资源短缺及环境污染的有效途径之一。而目前为止，PBS基聚酯在自然环境(堆肥降解)下的可降解性较差，且降解行为及降解机理还不清楚。为提高其在土壤环境中的可降解性，一方面可使用微生物悬浮液模拟天然微生物环境探究聚酯的降解过程及机理，并通过探究得到的降解机理对PBS基聚酯进行设计改性，在不降低其应用性能的同时达到提高生物降解性的目的；另一方面，可综合酶降解及生理环境降解过程中影响PBS基聚酯降解速率的相关因素，对PBS进行改性，提高降解性能。如向PBS主链中引入亲水性基团、降低聚酯的结晶度、增加聚酯的碳链长度以及制备PBS共聚物等。此外，作为生物医用材料，PBS基聚酯与人体细胞直接接触。因此，除可降解性外，PBS基聚酯还应具有良好的生物相容性及可与植入部位相结合的力学性能。因此，在PBS基材料可以商业化用于生物医疗领域之前，仍需要进行进一步的研究。