可生物降解高分子材料的研究进展及其应用

陆天忻

（无锡市第一中学，江苏无锡 214031）

0.引言

1905 年的一天，美国化学家贝克兰在进行一次实验时，偶然将两种化学试剂（苯酚和甲醛）一同加入烧瓶，又加入了酸一起共热。结果烧瓶内壁奇迹般地出现了一种有黏性的黄色胶状物，不仅无法用水冲除，而且受热还会持续变硬。这种从未见过的物质引起了贝克兰的注意，就这样，经过4 年的埋头苦干，贝克兰终于弄清了这种神奇物质的性质，并发明了一种重要的材料— 塑料。

100 多年来，塑料始终是一种十分重要的材料。小到几乎人手一部的手机、超市中的购物袋，大到远涉重洋的舰艇，在浩瀚宇宙中飞行的宇宙飞船，塑料以较低的密度、良好的绝缘性和化学稳定性成为制造商们优先考虑的材料。不过，正是因为塑料的化学性质十分稳定，我们很难用温和的手段处理大部分废弃的塑料，一些没有被集中处理过的塑料制品会造成严重的污染。

可生物降解高分子材料可能是塑料的最佳替代品。科学家对可生物降解高分子材料的性质及其应用进行了深入的研究。他们发现，聚乳酸（PLA）、聚乙二酸丁二酸丁二酯（PBSA）等材料，可能在农业、医药和其他领域有着广泛的应用[1]。它们的机械性能优良，制备成本相对较低，是塑料的良好替代品。我们可以应用这些材料，制作农用薄膜、渔具、快餐包装纸和尿布等农用物品及生活用品，也可以应用它们制造毒性较低的药物及生物相容性较好的医疗器械。

1.可生物降解高分子材料

高分子材料是高分子量的固态非金属化合物，它们由重复的大分子组成，不同成分的高分子材料具有不同的特性。许多高分子材料都是由不可再生原料制成的，我们需要将来自石油的有机物连接起来，制成具有各种性能的高分子材料，然而，由于这些材料的化学性质相对稳定，它们很难在自然条件下降解。大量的不可降解高分子材料会造成严重的环境污染，威胁人类的健康和其他生物的生存。由于制备成本较低，降解速度较快，可生物降解高分子材料成为了不可降解高分子材料的最佳替代品。

可生物降解高分子材料具有许多传统塑料不具备的优势。第一，它的机械性能较好，许多可生物降解高分子材料的抗拉、抗压能力较强，在工业生产中有着广泛的应用。第二，可生物降解高分子材料的降解时间仅为普通塑料的1/10，它不会长期存在于土壤、湖泊中，威胁动物的生存。第三，我们可以通过人工手段，去除其中的重金属污染物，减少环境污染。第四，由于分子间的化学连接方式较为特殊，可生物降解高分子材料在燃烧时几乎不会产生致癌产物，而普通塑料燃烧时会产生大量的致癌物质。第五，我们可以将可生物降解高分子材料填埋到土壤中，在它们降解时，会释放出二氧化碳、氨气等有益植物生长的气体，促进作物生长。第六，生物相容性实验表明，可生物降解高分子材料在进入人体后，几乎不会被人体识别为外来物，不引起免疫反应。此外，人体可以将可生物降解高分子材料的降解产物快速地排出体外，因此，在外科手术中，可生物降解高分子材料倍受青睐[2]。

2.可生物降解高分子材料的研究进展

天然存在的生物聚合物主要有4 种来源：动物可以提供胶原蛋白和明胶；海洋可以提供可被加工成壳聚糖的几丁质；微生物可以提供许多种生物聚合物原料，应用这些原料，我们可以高效地生产聚乳酸（PLA）和多羟基链烷酸酯（PHA）；植物可以提供类似亲水胶体和脂肪的生物聚合物，这类由加拿大科学家开发的聚合物性能很好，是一种比较有前景的可生物降解高分子材料。应用先进的生物化工技术，科学家可以高效地将天然存在的生物聚合物制成多种可生物降解高分子材料，并将它们制成工业品、医疗用品及生活用品，在这些物品废弃后，它们的分解产物不会对环境造成较大的影响，十分经济且环保[3]。

2.1 淀粉基生物降解塑料

淀粉是一种十分常见的水胶体生物聚合物，存在于多种植物中，小麦、玉米、大米、豆类和马铃薯等农作物中都含有大量的淀粉。

由于淀粉基化合物来源广泛、价格低廉、更容易被生物降解等优点，淀粉基生物降解材料成为一种非常重要的可生物降解高分子材料。淀粉基生物降解塑料主要包括淀粉填充型降解材料和淀粉基完全生物降解材料。

如果我们将淀粉与其他高聚物共混，就可以通过挤塑等方法制得性能更好的高分子化合物。不过，一些高聚物的亲水性不佳，它们无法与含有大量羟基的淀粉形成稳定的化学键，这会影响产物的机械性能和耐酸性。此外，制备这类化合物的工序十分复杂，且制得的化合物不能在自然条件下完全降解。如何增强淀粉与其他高聚物的相互作用，提高淀粉基塑料的机械性能，使其更易加工、在自然条件下更易降解，是科学家面临的重要问题。

2.2 聚乳酸

聚乳酸是由乳酸聚合成的聚酯类高分子。它的生物相容性非常好，这是因为，聚乳酸的合成原料— 乳酸，是生物体内重要的代谢产物。许多生物体内都含有能分解含乳酸聚合物的酶，因此，在进入人体后，聚乳酸可以在酶的作用下，逐步分解为乳酸，并被快速排出体外，不会影响人体的生理功能。因此，我们可以将其制成输液用品、手术缝合线等。此外，聚乳酸也可以用于制作许多生活用品，如一次性餐具、食品包装膜等。在高科技领域，我们可以应用聚乳酸制造手机、电脑零件，减轻设备的重量[4]。

3.可生物降解高分子材料的应用

3.1 工业领域的应用

可生物降解高分子材料在工业上可用于制造人造皮革、人造纤维、食品包装膜等。通过掺入其他高聚物、引入特定基团，我们可以提高材料的耐高温、防水、防腐蚀性能，延长其使用寿命。目前，甲壳素/甲壳糖及其衍生物、PHB 等材料，常常被用于制作食品包装材料[5]。

3.2 农业领域的应用

可生物降解高分子材料可用于制造农用薄膜、一次性堆肥容器等。将种植着植物的花盆直接放到土壤中，随着植物的生长，花盆就会逐渐分解，其分解产物是良好的肥料[6]。

3.3 医学领域的应用

医疗过程中使用的生物聚合物必须有很好的生物相容性，并且可以在体内被快速分解，不产生毒性产物。从事组织工程工作的研究人员尝试在可生物降解容器中培养移植器官，通过在容器中添加生长因子，可以促进细胞和血管的生长。

4.结语

可生物降解高分子材料的应用前景极为广阔，拥有巨大的潜在市场，对于缓解石油危机、减轻环境污染具有十分重要的意义。不过，与传统材料相比，一些可生物降解高分子材料价格较高、机械性能较差，限制了其应用范围。我们可以尝试在制备过程中掺入特定单体，提升可生物降解高分子材料的性能。此外，控制生物降解高分子材料的降解速度，平衡材料性能与材料使用寿命之间的关系，具有十分重要的意义。