浅谈生物可降解高分子材料的研究与发展

黄鹏飞 何承超

摘 要：高分子材料又被称作聚合物材料，是一种应用十分广泛的物质。近年来，环境问题受到越来越高的重视。以塑料和工业涂料为首的高分子材料由于降解时间长、环境污染较大等问题使其发展受到制约。在这种情况下，新兴的生物可降解高分子材料得到了研究人员的关注。基于此，本文首先介绍生物可降解高分子材料的定义和分类，随后论述这种材料的应用前景。

关键词：生物可降解;高分子材料;环境保护

一、 引言

随着科学的发展，各种各样的高分子材料被应用到日常生产和生活中。这些高分子材料绝大多数降解时间都很长，导致目前至少有超过1亿吨的高分子废弃物只能进行自然降解处理因而变成了污染源。这种状况与“绿色发展”的理念严重不符。为了解决污染问题，各国开始对生物可降解高分子材料进行研究。这种新兴材料在性能上与传统高分子材料无太大差异，并且具有可以完全生物降解的特性。

二、 生物可降解高分子材料的定义和降解机理

生物可降解高分子材料指的是在自然环境下，通过水的参与，可以被微生物或者某些酶分解为普通分子物质的高分子材料。这些微生物包括藻类、细菌和霉菌。分解的过程本质上是一个由微生物或者某些酶参与的水解过程。在这一过程中，高分子材料的分子量逐渐减小，最终变成单体分子物质或者如二氧化碳和水这样的代谢物质。

对于此类高分子材料的生物降解机理，大体上可以分为两个环节。一方面是与自然环境相关的物理因素;另一方面是与微生物相关的化学因素。在物理因素方面，生物可降解高分子材料受到阳光辐照以及空气中水分的影响，导致这些材料的活性增强，便于自然降解。在化学因素方面，微生物通过代谢活动或者产生某些水解酶侵蚀或者直接切断生物可降解高分子材料的分子链，直接对其进行降解;降解之后的产物被微生物摄入到体内，为微生物的活动提供能量，其余的代谢产物将会以水和二氧化碳的形式流入到物质循环的过程中去。

三、 生物可降解高分子材料的分类

按照不同的分类方式可以将生物可降解高分子材料分成不同的类型。本文将根据生物可降解高分子材料的合成方式对其进行分类介绍。

（一） 自然合成的生物可降解高分子材料

自然界中存在大量有机高聚物，其中很多都可以作为高分子材料使用。在这些自然形成的有机聚合物当中，例如天然橡胶、甲壳素、蛋白质、琼脂、纤维素和木质素等，在自然环境下都可以通过微生物进行降解，而且产物没有任何毒性，更不会对环境造成影响。因此，从定义上来说，这些天然的有机聚合物都属于生物可降解高分子材料。这些自然合成的生物可降解高分子材料由于热塑性较差，因此加工制造存在一定困难。此外，这类高分子材料的力学性能以及复杂环境下的工作可靠性也不是很理想。

（二） 化工合成的生物可降解高分子材料

通过化学合成制造生物可降解高分子材料目前最为常见。这种方法合成的生物可降解高分子材料主要为脂肪族聚酯，较为常见的包括聚乳酸（PLA）、聚乙烯醇（PVA）以及聚丁二酸酯（PBS）等。其中发展最为迅速的是聚乳酸。此外，通过化工方法还可以合成芳香族聚酯，该类聚合物不具有生物降解的特性。但是，芳香族聚酯材料的强度、熔点以及可加工性都要优于脂肪族聚酯构成的高分子材料。基于上述原因，一些国家和科研单位开始着手研究将芳香族聚酯和脂肪族聚酯按照一定结构组成共聚物，使这种新材料既具有较好的理化特性，又能够进行生物降解，保护环境。

（三） 利用微生物合成的生物可降解高分子材料

利用微生物合成生物可降解高分子材料的方法近年来得到了越来越广泛的应用。它的合成原理是微生物在含有氮、磷等矿物质元素的环境中利用产生的酶将脂肪族聚酯降解，再将这些水解后的物质收集到一起形成新的高分子。这些新生成的高聚物含有大量的多糖和微生物聚酯。例如，在一定条件下，真氧产碱杆菌可以利用某些碳源产生聚-β-羟丁酸，广泛应用于食品包装以及薄膜生产上。

四、 生物可降解高分子材料的发展前景

（一） 农业方面

作为传统农业国，我国每年要消耗数量极大的塑料地膜、大棚保暖层以及农产品包装袋等。这些物资如果使用传统塑料制品，将会对环境造成巨大污染。随着材料制造技术的不断发展，生物可降解高分子材料逐步替代了传统的塑料制品被应用到农业生产上。这种材料不僅可以在自然状态下进行生物降解，保护了环境;而且降解产物还能为农业生产提供养分，达到一种良性循环的状态。

（二） 医学方面

生物可降解高分子材料由于对人体危害很小所以被广泛应用于医学方面。早在20世纪七八十年代，生物可降解高分子材料就被应用于胶囊类药品的药物释放体系当中，作为缓释制剂的载体。随后这种高聚物材料又被作为手术缝合线以及骨科损伤固定材料应用于外科手术当中。近年来，随着医学技术的发展，生物可降解高分子材料逐步在细胞组织修复工作中发挥重要作用。

（三） 包装材料方面

塑料袋以及其他产品包装袋向来是重要的环境污染源。将生物可降解高分子材料应用到产品包装方面，可以在极大程度上缓解、治理“白色污染”。所以这种新兴材料被越来越多地应用到物品包装方面。例如在2017年问世的“Ooho”，就直接利用从棕藻中提取的海藻基膜包装饮用水，代替了传统的塑料水瓶包装，从源头上解决了塑料水瓶对于陆地以及海洋环境的污染。

五、 结束语

广泛应用生物可降解高分子材料符合我国“保护环境”的基本国策以及“科学发展观”的战略思想。从生产应用方面来看，生物可降解高分子材料的成本相比于传统高聚物材料仍然高出很多。从制备技术方面来看，这种材料的生产加工仍然存在困难。但是，作为一种新兴材料，生物可降解高分子材料是解决全球化环境问题的重要突破口，具有广阔的发展前景。所以，在机遇与挑战面前加快发展脚步，对于我国生物可降解高分子材料的未来至关重要。

参考文献：

[1]汪浩.生物降解高分子材料研究与进展[J].化工管理，2017（3）.

[2]金泽康.可生物降解高分子材料的研究与进展[J].橡塑技术与装备，2016（24）：34-35，45.

[3]桂红.浅析对生物降解高分子材料的研究[J].山东工业技术，2017（16）：246.

[4]滕琴.可生物降解高分子材料的相关研究进展[J].信息记录材料，2018，v.19（8）：45-46.

作者简介：

黄鹏飞，何承超，湖北省武汉市，武汉东湖学院15级生命科学与化学学院。