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　　篇一：浅谈生物可降解高分子材料的开发利用

　　［摘要］我国目前的高分子材料生产和使用已跃居世界前列，每年产生几百万吨废旧物。如此多的高聚物迫切需要进行生物可降解，以尽量减少对人类及环境的污染。本文探讨了生物可降解高分子材料现阶段的开发应用情况。

　　［摘要］我国目前的高分子材料生产和使用已跃居世界前列，每年产生几百万吨废旧物。如此多的高聚物迫切需要进行生物可降解，以尽量减少对人类及环境的污染。本文探讨了生物可降解高分子材料现阶段的开发应用情况。

　　［关键词］高分子材料可降解生物

　　我国目前的高分子材料生产和使用已跃居世界前列，每年产生几百万吨废旧物。如此多的高聚物迫切需要进行生物可降解，以尽量减少对人类及环境的污染。生物可降解材料，是指在 自然 界微生物，如细菌、霉菌及藻类作用下，可完全降解为低分子的材料。这类材料储存方便，只要保持干燥，不需避光，应用范围广，可用于地膜、包装袋、医药等领域。生物可降解的机理大致有以下3种方式：生物的细胞增长使物质发生机械性破坏；微生物对聚合物作用产生新的物质；酶的直接作用，即微生物侵蚀高聚物从而导致裂解。按照上述机理，现将目前研究的几种主要的可生物可降解的高分子材料介绍如下。

　　1、生物可降解高分子材料概念及降解机理

　　生物可降解高分子材料是指在一定的时间和一定的条件下，能被微生物或其分泌物在酶或化学分解作用下发生降解的高分子材料。

　　生物可降解的机理大致有以下3种方式：生物的细胞增长使物质发生机械性破坏；微生物对聚合物作用产生新的物质；酶的直接作用，即微生物侵蚀高聚物从而导致裂解。一般认为，高分子材料的生物可降解是经过两个过程进行的。首先，微生物向体外分泌水解酶和材料表面结合，通过水解切断高分子链，生成分子量小于500的小分子量的化合物；然后，降解的生成物被微生物摄入人体内，经过种种的代谢路线，合成为微生物体物或转化为微生物活动的能量，最终都转化为水和二氧化碳。

　　因此，生物可降解并非单一机理，而是一个复杂的生物物理、生物化学协同作用，相互促进的物理化学过程。到目前为止，有关生物可降解的机理尚未完全阐述清楚。除了生物可降解外，高分子材料在机体内的降解还被描述为生物吸收、生物侵蚀及生物劣化等。生物可降解高分子材料的降解除与材料本身性能有关外，还与材料温度、酶、ph值、微生物等外部环境有关。

　　2、生物可降解高分子材料的类型

　　按来源，生物可降解高分子材料可分为天然高分子和人工合成高分子两大类。按用途分类，有医用和非医用生物可降解高分子材料两大类。按合成方法可分为如下几种类型。

　　2.1微生物生产型

　　通过微生物合成的高分子物质。这类高分子主要有微生物聚酯和微生物多糖，具有生物可降解性，可用于制造不污染环境的生物可降解塑料。如英国ici公司生产的“biopol”产品。

　　2.2合成高分子型

　　脂肪族聚酯具有较好的生物可降解性。但其熔点低，强度及耐热性差，无法应用。芳香族聚酯(pet)和聚酰胺的熔点较高，强度好，是应用价值很高的工程塑料，但没有生物可降解性。将脂肪族和芳香族聚酯(或聚酰胺)制成一定结构的共聚物，这种共聚物具有良好的性能，又有一定的生物可降解性。

　　2.3天然高分子型

　　自然界中存在的纤维素、甲壳素和木质素等均属可降解天然高分子，这些高分子可被微生物

　　完全降解，但因纤维素等存在物理性能上的不足，由其单独制成的薄膜的耐水性、强度均达不到要求，因此，它大多与其它高分子，如由甲壳质制得的脱乙酰基多糖等共混制得。

　　篇二：生物降解高分子材料研究进展

　　【摘要】合成高分子材料， 并且因此开发可降解的高分子材料已成为高分子领域的一个重要研究课题，生物降解性高分子材料更是目前研究的热点。本文简述了生物降解性高分子的生物降解机理、影响因素，着重综述了淀粉、聚乳酸、可生物降解塑料等几种具有生物降解性的高分子材料的最新研究进展及其发展趋势。

　　【关键字】 生物降解高分子 降解性 塑料 淀粉 聚乳酸 研究进展

　　前言: 当今世界，合成高分子材料制品已经被广泛应用于人们生产和生活的各个领域，并且在众多领域取代了传统的金属、玻璃、陶瓷、木材等材料，特别是在包装行业应用更为广泛。PE、PS、PP、PVC等的薄膜、软袋及容器已使包装行业发生了一次深刻的革命。然而，由此产生的大量废旧塑料给地球环境及生态带来的影响己越来越为社会的广泛关注。其中塑料因为其不可降解性而给人们带来了“白色污染”的很大困扰。发展环境降解塑料（EDP）已成为当务之急［1］！

　　1. 生物降解高分子材料概述

　　从化学角度来定义，高分子是由分子量很大的长链分子所组成，而每个分子链都是由共价键联结的成百上千的一种或多种小分子构造而成［2］。高分子材料的功能很多，因此应用十分广泛。可是高分子材料在给人类创造美好生活的同时，也带来了一些负面效应，其中最明显的当属废旧塑料等引起的“白色污染”。

　　生物可降解高分子是指在一定条件下，一定时问内能被微生物降解的高分子材料。按美国材料试验学会ASTM在1989年给可降解塑料下的确切定义，可降解塑料是指：在特定时间内造成性能损失的特定环境条件下，其化学结构发生变化的一种塑料，根据促进化学结构发生降解变化的因素来分类，降解塑料可分为生物降解塑料和光降解塑料两种。前者在细菌、真菌和藻类等微生物的作用下，塑料产生分解直至消失；后者是在日光作用情况下，塑料产生分解直至消失［3］。

　　2. 降解高分子材料的生物降解机理

　　生物降解高分子的降解通常是以化学方式进行的，即在微生物活性(有酶参与)的作用下，酶进入聚合物的活性位置并渗透至聚合物的作用点后，使聚合物发生水解反应从而使聚合物大分子骨架结构发生断裂变成小的链段，并最终断裂为稳定的小分子产物，

　　完成生物降解过程。下表 [4]为一些生物降解高分子的水解反应情况。

　　高分子材料的生物降解过程可分为4个阶段：水合作用、强度损失、物质整体化丧失和质量损失。高分子水合作用是因依靠范德华力和氢键维系的结构的破裂引发的水合作用，以及其后高分子主链可能因化学或酶催化水解而破裂，高分子材料的强度降低。对交联高分子材料其强度的降低，可因高分子主链、交联剂、外悬基团的开裂等造成。高分子链的进一步断裂会导致质量损失和分子量降低，最后分子量足够低的分子链小段被酶进一步水解为水、二氧化碳等物质[5]。

　　总之，生物降解并非单一机理，而是一个复杂的生物物理、生物化学协同作用，相互促进的物理化学过程。到目前为止，有关生物降解的机理尚未完全阐述清楚。

　　3. 生物降解高分子材料的研究现状

　　以下按不同分类介绍目前研究的几种主要的可生物降解的高分子的研究现状。

　　3.1 天然生物可降解高分子

　　自然界中存在的纤维素、甲壳素和木质素等均属可降解天然高分子，这些高分子可被微生物完全降解，但因纤维素等存在物理性能上的不足， 热及力学性能差，由其单独制成的薄膜的耐水性、强度均达不到工程材料的性能要求， 另一方面，作为工程材料使用的高分子通常又没有生物降解性。因此，通过两种高分子的共混、嵌段或接枝共聚可以得到能满足两者要求的材料。如以纤维素和脱乙酰基壳多糖进行复合，制得的生物可降解塑料［6］。

　　3.1.1 多糖基复合高分子

　　高分子量的碳水化合物通常指多糖，自然资源丰富的淀粉、纤维素等多糖都可用作生产生物降解高分子的原料。

　　3.1.2 淀粉基系统

　　淀粉资源丰富，价格低廉，易为微生物侵蚀，是一种理想的生物降解材料，但其热、力学性能不够优良，从而限制了它们的使用，但己有许多研究淀粉与合成高分子的共混或共聚获得生物降解性材料的的文献报道。

　　Griffin对80%PE， 15%的淀粉共聚物成功地进行吹塑膜，加拿大的St. Lanwren公司取得该项技术专利并提供名为Ecostar的PE母料，可用作农用地膜或作包装材料淀粉与PVC的共混研究也比较深入，表明加入淀粉后PVC的强度并不下降，但随淀粉量的增加，延伸率明显降低。

　　3.1.3 纤维素基复合高分子

　　纤维素也是资源丰富的天然高分子，倪秀元等研究了羟乙基纤维素与MMA和丙烯酸进行超声波共聚的情况，结果表明产物可被脂肪酶及一些微生物通过水解反应而破坏。再生纤维素适合用于纤维与薄膜的制造，日本四国工业试验所开发了以乙酰多糖和纤维素为主要成分的高分子材料，试制的生物降解薄膜、无纺布、发泡塑料等已接近实用化。纤维素酯、纤维素醚、纤维素缩醛化合物等常用的化学改性纤维，其生物降解性与羟基反应的程度有关。因此加大纤维素羟基的反应程度也是纤维素改性使用的一个方向［7］。

　　3.1.4 木质素

　　木质素与纤维素一起共生于植物中，它是酚类化合物，通常是不能被生物降解的，但通过预处理可使其被纤维素酶酶解。利用木质素上的酚基与不同试剂反应可得到乙烯基的接枝共聚物，Phillips等讨论了它的生物降解性，并取得了令人鼓舞的成果。

　　3.1.5 蛋白质复合高分子

　　蛋白质的骨架肽键对微生物降解十分敏感，通过功能基团的去除或接枝共聚可改善其热学及力学性能，但同时也降低了其生物降解性能。目前研究最多的是结构蛋白骨胶原的水解产物明胶。围绕蛋白质基的生物降解材料的研究还处于起始阶段，距离商品化还有相当距离。

　　3.2 合成生物可降解高分子材料

　　3.2.1 亲水性高分子

　　聚合物材料能保持一定的湿度是其可生物降解的首要的和必要的条件，因此水溶性及亲水性聚合物的开发受到普遍关注。已有专利报道用亲水性的可生物降解高分子作为植物种子的保护涂层。

　　这些聚合物的生物降解程度随制备方法及所用原料的不同而不同。例如，由马来酸酐、乙二醇、丙烯酸及对甲苯磺酸制得的亲水聚合物生物降解度为61％，而由乙二醇、二丙烯酸酯、巯基乙醇及偶氮二氧基丙烷合成的高分子生物降解度可达89％。赖氨酸、苯乙烯嵌段共聚制得的水溶性可生物降解材料也有报道。PS是应用最为广泛的塑料之

　　一，而且在包装行业的用量非常大。因此提高它的生物降解性倍受关注。系统研究表明，部分氧化或水解的PS可以被青霉菌和摩拉克菌分解断链，这是由于形成羟基和羰基等亲水性基团的缘故。

　　3.2.2 聚氨酯、聚酯、聚酰胺、聚酸酐类高分子［8］

　　这些合成高分子的主链结构与天然高分子结构部分相似，因此它们有的可以被微生物降解。例如，聚氨酯的主链与蛋白质中的肽键类似，脂肪族的聚氨酯具有较好的生物降解性能。聚酯中的聚己内酯(PCL)的生物降解性能研究比较深入，其中生物降解性随分子量增大而降低。另外，含苯基丙氨酸的低分子量聚酯型聚脲在pH为7. 8时可以被胰凝蛋白酶水解，但如果用甘氨酸代替苯基丙氨酸

　　，则该聚脲不能被其水解，生物降解困难。在酸性和碱性介质中，β-取代的聚酯的生物降解特性也已有研究，结果表明除全同立构聚酯外，所有的这类聚醋均可为微生物所攻击。人们正努力合成可生物降解的尼龙材料，由氨基酸合成的PA不仅可生物降解，而且生物相容性也比较好。

　　3.2.3 微生物产生型高分子

　　多种微生物能制造并在体内储藏聚羟基烷羧酸酯。世界各国均在广泛研究这种微生物产生型的热塑性树脂，特别是聚羟基丁酸酯(PHB)作为来源于生物的热塑性塑料久己为人们重视，但它存在结晶性过高、机械性能差、易热分解、难加工等缺点。最近研究表明，通过热处理控制PHB的结晶与非结晶结构，可制得性能优良的PHB。

　　除了PHB这一简单微生物合成聚酷外，共聚聚酯的微生物合成也有大量报道。利用真养产碱菌(Aeutrophus)可生产HB与(R )-3-羟基戊酸酯(3HV ) 、HB与4-羟基丁酸酯(4HB)，HB与3-羟基丙酸酯(3HP)的共聚物。其中英国ICI公司开发的PHB-PHV共聚物已以“Biopol”商品名出售。

　　5. 结论及展望

　　虽然生物降解高分子的研究已有相当长的历史，并正处在轰轰烈烈的进行之中，但距大规模使用还有相当长的一段距离。目前，生物降解性高分子已经成为化学家、生物学家和环境学家共同感兴趣的一个领域。

　　未来的生物降解性高分子的研究课题将主要集中在改善材料的物理化学性能，降低材料的成本，确立适合各种不同用途的生物降解速度的控制技术。此外，由于生物降解性高分子一般都含有的色素、稳定剂、增塑剂等各种添加剂， 在材料降解后会溶出，所以开发安全性的添加剂及不需要添加剂的生物降解高分子也是这一领域的重要研究课题。

　　篇三：生物材料论文

　　xx人xx单位

　　摘 要: 材料科学与物理学、化学、生物学及临床科学越来越紧密地结合，并突破旧有科学的狭小范围，诞生了另一个新兴的产业--生物医学材料产业。生物医学材料已经成为生物医学工程的4大支柱产业之一，它为医学、药物学及生物学等学科的发展提供了丰富的物质基础。作为材料学的一个重要分支，它对于促进人类文明的发展必将作出更大的贡献。

　　生物医学材料指的是一类具有特殊性能、特种功能，用于人工器官、外科修复、理疗康复、诊断、治疗疾患，而对人体组织不会产生不良影响的材料。现在各种合成和天然高分子材料、金属和合金材料、陶瓷和碳素材料以及各种复合材料，其制成产品已经被广泛地应用于临床和科研。

　　关键词: 生物材料; 陶瓷；高分子;降解。

　　生物材料也称为生物医学材料, 是指以医疗为目的, 用于与生物组织接触以形成功能的无生命的材料[1]自19世纪80年代以来, 以医疗、保健、增进生活质量、造福人类为目的的生物材料取得了快速的发展。它最早的使用可以追溯至19世纪末, 在1886年, 首例钢片和镀镍钢治疗骨折应用于临床获得成功。迄今为止, 除大脑以外的各种人工器官已经应用于人体, 并取得了良好的效果。目前, 生物材料主要包括医用高分子材料、生物陶瓷、医用金属材料等[2]。

　　1．生物医学材料的分类

　　一般而言，临床医学对生物医学材料有以下基本的要求：无毒性，不致癌，不致畸，不引起人体细胞的突变和组织细胞的反应；与人体组织相容性好，不引起中毒、溶血凝血、发热和过敏等现象；化学性质稳定，抗体液、血液及酶的作用；具有与天然组织相适应的物理机械特性；针对不同的使用目的具有特定的功能。

　　目前, 按材料性质不同, 生物材料一般可分为医用高分子材料、生物陶瓷材料、医用金属材料、生物降解材料、生物医学复合材料等。

　　1. 1 医用高分子材料

　　医用高分子材料是生物医用材料研究领域最活跃的领域之一, 特别是20世纪60年代以来发展更快, 已经能合成出许多具有优良性能的软、硬材料及药物控释材料应用到各个医学领域。医用高分子易于加工成型, 原材料易得, 理化性质可以在很宽的范围内被调节和控制, 加之生物体的大部分组织和器官实质都是由高分子化合物构成, 故一经出现就得到重视和应用。医用高分子材料要应用于生物体必须同时要满足生物功能性、生物相容性、化学稳性、可加工性等严格的要求。当前研究主要集中在外科置入件用高分子材料和生物降解及药物控制释放材料[3]。

　　1. 2 生物陶瓷材料

　　生物陶瓷又称生物医用非金属材料, 从广义上讲包括主要构成成分为无机非金属材料及其制品。与高分子材料和金属材料相比, 生物陶瓷在人体内极其稳定, 压缩强度高, 对生物组织有良好的相容性与亲和性, 且耐腐蚀, 无毒副作用, 几乎看不到与生物组织的排斥反应, 因而受到人们的普遍关注[4, 5],是近年来研究较多且进展较快的领域。当前的研究主要集中在具有特异性功能的活性材料, 良好的力学性能且促进组织生长的功能材料, 具有生物体组织结构的复合材料

　　[6], 以磷酸盐为基体材料的生物活性陶瓷是目前生物陶瓷研究中最活跃的领域

　　[7]。

　　1. 3 医用金属材料

　　医用金属材料具有高的机械强度和抗疲劳性能, 是临床应用最广泛的承力植入材料。己经应用于临床的医用金属材料主要是不锈钢、钴基合金和钛基合金等三大类。此外, 还有形状记忆合金、贵金属以及纯金属钽、锆、铌等。主要用于骨和牙等硬组织的修复和替换, 心血管和软组织修复以及人工器官的制造, 如人工髋关节、骨折内固定钢板以及骨螺钉等。最先泛用于临床治疗的金属是金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)等贵重金属[8], 它们具有良好的稳定性和加工性能。之后, 铜(Cu)、铅(Pb)、镁(Mg)、铁(Fe)和钢等曾用于临床试验, 但因耐腐蚀性、生物相容性较差以及力学性能欠佳未受到广泛应用。随着冶金技术的进步, 不锈钢逐渐应用于临床, 虽然抗腐蚀性并不十分理想, 但其易加工, 价格低廉, 故在临床应用中得到了一席地[9]。目前应用最多的医用金属是不锈钢、钛及钛合金以及钴铬钼合金[10]。

　　1. 4 生物降解材料

　　所谓可降解材料是指那些在被植入人体内以后, 能够不断的发生分解, 分解产物能够被生物体所吸收或排出体外的一类材料, 现已成为医用高分子发展的重要方向之一[11]。临床中主要用作非永久性植入支架或装置。植入后, 首先代行被替换组织的功能, 然后随着材料的降解吸收被新生组织同步替换,最后达到永久治疗的目的, 免去了二次手术的痛苦, 可提高疗效[12]。聚乳酸( PLA)是典型的合成可降解聚合物之一, 其代谢产物乳酸是体内三羧酸循环的中间代谢物, 且吸收和代谢机理己经明确并具有可靠的生物安全性, 因此作为第一批可生物降解吸收材料已被美国FDA批准用于临床, 是迄今研究最多, 应用最广泛的可降解生物材料。其强度相对较高, 模量可达4Gpa, 故广泛地应用于制作医疗器械、骨折固定装置等, 并因具有一定的生物活性, 也曾应用于骨填充、替换材料。

　　1. 4 生物医学复合材料

　　生物医学复合材料是由两种或两种以上不同材料复合而成的生物医学材料，主要用于修复或替换人体组织、器官或增进其功能以及人工器官的制造。其中钻合金和聚乙烯组织的假体常用作关节材料；碳-钛合成材料是临床应用良好的人工股骨头；高分子材料与生物高分子（如酶、抗源、抗体和激素等）结合可以作为生物传感器。

　　2 生物医学材料的应用前景

　　就材料和组织间的相互作用而论，生物材料科学的发展，已经历了生物惰性材料和与组织相互作用的生物材料阶段。进入20世纪90年代，由于高技术的进展以及临床需求推动了新型生物材料的设计、合成与制造。分子生物学的进展有力地促进了植入体科学的发展，使生物材料的研究进入了～个崭新的阶段，即将生物技术应用于生物材料，利用生物学原理去设计和制造具有生物结构和功能的材料。这种新型生物材料含有活体细胞、细胞组成和细胞

　　产物，以及模拟细胞生物功能，能充分调动人体自身修复和完善的功能，材料科学与生命科学真正融为一体，生物材料科学提供框架，生物技术提供功能。生物材料科学已从材料和宿主界面的研究，加入了新的成员——活体细胞，生物材料已从无生命的材料发展进入有生命活性的材料，从而使人类有可能在将来完全复制整个的人体器官。

　　近年来, 世界生物材料市场发展势头更为迅猛,其发展态势可与信息、汽车产业在世界经济中的地位相比。据1988年美国国家健康统计中心调查, 美国己有1100万人(不包括齿科材料)植入了一件以上的生物医用材料, 全球达3000万人以上, 1995年世界生物医用材料市场已达2000亿美元。中国科学院在2002年《高技术发展报告》中披露, 1990～1995年, 世界生物医用材料市场以每年大于20%的速度增长。这期间中国的增长虽然也比较快, 但由于起点低, 市场份额只占世界市场的2%。2000年, 全球医疗器械市场己达1650亿美元, 其中生物医学材料及制品约占40%至50%。20世纪90年代, 医疗器械平均年增长率在11%左右, 预计未来几年发展中国家将会大幅度增长。如除日本外的亚洲地区将从2000年占世界市场份额17%的280亿美元, 增长至2005年占世界市场份额的25%。生物医用材料及其制品的市场预计10- 15年将达到药品市场的规模, 成为本世纪经济的支柱性产业。

　　随着社会日益增加对生物材料的需要,将会促进材料合成技术的发展,改善对现有生物材料的改性,特别是表面改性技术,设计出便捷高效的方法,制造出功能更完善的组织工程材料;在新材料的设计和研究中,通常把研究对象要求的生物相容性作为一个重要问题考虑。因此,今后也会重点考虑对生物学性能的评价和检测方式的研究,与此同时,也将会考虑理化性能对生物学性能的影响,通过加强对材料组成结构、物理化学性能的研究方法的研究,促进人们对生物学性能的了解。

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