生物降解高分子材料研究应用进展

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【摘要】：随着全世界范围内科学技术进一步飞速发展与前行的过程中，材料科学行业也随着社会的发展而不断的进步。就对目前我国的材料科学来说，生物降解高分子材料应用进展研究是行业重点发展方向之一。针对这一点不仅需要对材料控制的方面有全新全面的突破，另外还需要大力加强对相关技术的衍生工作，从而使相关企业能够进一步在技术上有新的发展与突破。本文将从生物降解材料的优势作为出发点，主要探讨说明天然与人工合成这两种高分子材料的研究进展程度，并且展望生物降解材料的应用前景来进行重点阐述，同时本文研究内容也可供相关部门和广大同行借鉴与参考，从而得以优化我国生物降解高分子材料工作中存在的各种问题。
【关键词】：高分子材料；生物降解；研究；合成
引言
伴随着我国社会经济不断发展，人们的生活水平不断提升，人们对于居住环境和工作生活环境都提出了更高的要求。而传统的很多材料因为不易降解、可再生性差、不利于环境的可持续发展，逐渐被抛弃。生物可降解材料的应运而生，它对于起到改善人们居住的生活环境，提升人们的生活品质，在一定程度上有利于促进环境的可持续发展。
1.生物降解材料的优势以及降解机理
我国对生物易于降解材料的定义为：是一种在非人为条件作用下，能够和存在于自然环境中的各种微生物如细菌、真菌等生物发生分解作用的新型材料。优质的生物降解材料是含有良好的物理性质、稳定的化学性质，并且在把它废弃在自然环境中能够快速和自然界的各种微生物群完全降解，通过微生物的降解作用可以把它从高分子有机物转化成小分子无机物的过程，最终成为自然界环境中碳循环的构成部分的高分子材料。常见的易于降解材料包含：聚酯、骨胶原、聚乳酸等等。
1.1生物降解材料的优势
易于降解材料具有多种优势。第一，它具有稳定的化学性质，在常温之下能够保持稳定，不易与周围环境中的其它物质发生化学反应。第二，它有利于保护传统的石油资源，它不依赖于石油资源，它并不是石油的提取物。第三，可以减少对自然环境的污染，有利于环境的可持续发展，为人们提供更加优质的生活、居住环境，在它废弃使用之后，它的废弃物质能够在自然环境中自行在微生物的作用下降解。第四，顺应时代潮流，与国际接轨。当今，世界各国对易于降解材料的研究更加重视，我国通过研究易于降解材料能够加强我国在新型材料的方面的国际话语权，有利于和国际接轨，提升我国的大国形象。
1.2生物降解材料的降解机理分析
易于降解材料的生物降解过程十分复杂，影响因素非常多。主要包含以下几点：
第一，物理作用下的降解过程。自然环境中的光能、地磁辐射、水、湿度、温度这些因素都会造成材料分子的构造结构以及材料分子的稳定性发生变化。比如：辐射敏感性聚合物高分子材料可以在地磁辐射的作用下使得材料分子内部变得活跃，当达到一定程度的地磁辐射作用后，最终会使得整个材料分子变得活跃起来，最终导致材料被分解。
第二，化学作用下的降解过程。自然条件中的酸碱度PH值、含氧程度这些因素都会造成材料中的大分子化学键发生断裂，是它们发生化学反应从而产生新的小分子团，这个化学反应过程也就是把材料中复杂的有机大型分子分解成简单的小型无机分子的过程。
第三，微生物作用下的降解过程。自然界中的微生物种群十分庞大，在它们的作用下，能够有效的分解材料的大分子团。通常来说，对于一个物质来说它的分子量数目变化会使得这个物质的水溶性变差，让水无法更好的通过微生物的细胞膜结构，这就造成了自然界中的微生物种群对材料的降解能力变差。但是在多种微生物种群的相互作用之下，会产生多种降解酶，这些降解酶综合在一起能够根据本身酶最能发挥功效的方式来对高分子材料复杂的结构进行分解作用，不同的微生物降解酶会有针对性的断裂化学键，通过无氧代谢与有氧代谢这两种過程，形成水、二氧化碳、甲烷以及其它少量的副产品。
2天然高分子材料的生物降解
2.1PHA的生物降解分析
PHA也叫做聚羟基脂肪酸酯，它是通过各种细菌而人工合成的可以作为能量储存的有机物。PHA结构复杂，它的塑料热加工性质优质，并且还具有很好的生物降解性质，使比较良好的生物可降解材料。通常可以用作生物医学行业。PHA熔点并不固定，通常会在200摄氏度左右的条件下发生分解反应。它的抗拉性能良好，但是因为它的制作成本较高，阻碍了它的广泛应用。
2.2PHB的生物降解分析
PHB对于水的溶解性差，它不溶于水，但是能够溶于氯仿，它拥有很好的生物相融性质。通常可以制作成易于降解的生物医疗塑料，它可以用于外科手术用的手术器械，比如手术缝线和手术针等等。
很多科研团队通过对PHB研究，实验结果显示明矾在经过改性之后，它的PHB亲水性能够显著提升，对人体肾上腺细胞的繁殖和生物功能没有不良影响，所以可以用来作为肾上腺细胞移植手术的载体材料，具有临床医用的适用性。李荣群团队发现通过完全分解的PHB和聚氧化乙烯这两种物质的混合体具有良好的物理力学性质，这种混合物有着优质的抗拉伸延展性，克服了纯净的PHB容易发生脆性破坏的特点，大大延伸了PHB的适用性。
2.3壳聚糖的生物降解分析
壳聚糖（chitosan）又称脱乙酰甲壳素，是由自然界广泛存在的几丁质（chitin）经过脱乙酰作用得到的，化学名称为聚葡萄糖胺（1-4）-2-氨基-B-D葡萄糖。它是灰白色的固体物质，没有气味、没有毒性，这种物质的生物相容性质很好，具有很好的生物血液相容性和生物安全性，除此之外，它的微生物降解性能也很优秀从而被医学行业、化工行业、污染处理行业以及食品加工行业等等。
3化学合成高分子材料的生物降解
人工化学合成高分子材料很多也具有很好的生物降解特性，比如：PE材料、PVC材料、PLA材料、PEG材料等等。
3.1PE材料的生物降解分析
PE材料是當前我国生产量最大的一次性使用的塑料材料。它大量适用于产品包装、农业大棚膜等等行业。但是因为它的降解机理限制条件严格局限性很大，受到温度、湿度、地理环境的作用影响大，导致它在弃用之后，在自然环境中的可降解率偏低。所以，对PE的材料特性进行一定的改造措施很有必要，对于减少它对环境的破坏有着重要的影响意义。Marek Koutny博士通过研究发现，使用氧化剂可以导致PE材料的高分子大量断裂破坏，从而使得PE光解反应和热解反应速率显著提升，大大提高了环境对PE材料废弃物的降解效率。
3.2PVC材料的生物降解分析
PVC材料是常见的5大塑料材料的其中一种，它占比大，PVC材料的化学性质稳定、可塑造性质好并且绝缘性能优质。但是不足的是，PVC材料的抗热性能和受光性能不好，当温度达到140摄氏度的条件下，它会释放出硫化氢物质，导致材料变色。PVC材料通常是用作水管件材料、电缆管线等等方面。它的用量仅仅低于PE材料的使用量，但是它的废弃物质会对生态环境造成污染。
3.3PLA材料的生物降解分析
PLA是用乳酸作为主要原材料从而人工合成的直链结构的族聚酯，它的生物降解性能良好，并且还具有很好的生物相容性质。可以用作医用输液管线材料，不拆手术线等等。它不会产生氮氧化合物和硫氰化合物等有毒物质。PLA的原材料充足并且可以人工生产。在实际的生产中，我们可以使用淀粉制作成乳酸，再经过人工合成为PLA材料。它能够在自然界中充分降解，降解产物不会对环境造成二次污染，形成二氧化碳和水。但是PLA材料的降解具体过程还不清楚，还待进一步研究。
3.4PEG材料的生物降解分析
PEG是水溶性较好的有机化合物，它常常被用于纺织行业、化学工业等等行业，它在自然界中非常不容易被降解，是重要的水体污染物之一。通过大量实验发现，了聚乳酸聚乙醇酸 共聚物分别与琥珀酸聚乙二醇酯，聚乙二醇共混制备药物载体，DSC检测表明共混体系各种成分相容性好，PEG的加入 通过影响到载体微粒表面的疏水性来影响到药物的释放过程。但是目前还不能显著的提高PEG材料的自然降解属性，还需要更多的研究。
结束语：
综上所述，材料科学行业也随着社会的发展而不断的进步。优质的生物降解材料是一门综合性极强的交叉科学，它包含了高分子材料学、生物学、物理学、化学以及环境科学等多种学科类型。随着人们对环境的重视，生物降解高分子材料应用进展研究显得很有必要。
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