生物可降解高分子材料的研究与发展.pdf

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1、 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/ 文章编号:100729629(2002)0320263206生物可降解高分子材料的研究与发展袁 华,任 杰,马广华(同济大学 材料科学与工程学院,上海200092)摘要:概述了可降解高分子材料的种类、应用领域和发展状况,并介绍了可降解高分子材料的降解机理和评价方法.关键词:生物可降解高分子材料;降解机理;评价方法中图分类号:Q17;TQ324.9 文献标识码:AResearch and Development of B

2、iodegradable PolymerYUAN Hua,REN Jie,MA Guang2hua(School of Materials Science and Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China)Abstract:The kinds,application fields and the present situation of biodegradable polymer are reviewedin this paper.The mechanism and evaluation method of biodegradabl

3、e polymer is introduced also.Key words:biodegradable polymer;biodegradation mechanism;evaluation method收稿日期:2001209220;修订日期:2001212225基金项目:上海市科技发展基金资助项目(002312024)作者简介:袁 华(19652),女,江苏人,同济大学讲师,博士生.生物可降解高分子材料,亦称之为“绿色生态高分子材料”,是指在一定条件下,能在微生物分泌酶的作用下分解的材料.其主要有2方面的用途:(1)利用其生物可降解性,解决环境污染问题,以保证人类生存环境的可持续发展.当

4、前,世界高分子材料产量已超过1.2亿t,使用后产生的不可自然分解的大量废弃物变成污染源,它们不仅大煞风景,而且造成地下水及土壤污染,妨碍动植物生长,危及人类健康和生存.传统的方法是将其回收后集中焚烧、掩埋或再生利用.20世纪90年代初,世界上许多大城市用于处理固体废物的垃圾填埋场已被用完,一些发达国家开始向落后国家出口垃圾,但所有这些都无法彻底解决污染问题,只有生物降解高分子才能从根本上解决废弃物所造成的环境问题;(2)利用其可降解性,用作生物医用材料.这类材料可在生物体内分解,参与人体的新陈代谢,并最终排出体外.生物降解高分子的研究初期多集中于部分降解的可崩溃型高分子材料,现已被逐渐否定.目

5、前生物可降解高分子材料的基本特征是在自然界能完全生物降解.美国、日本、德国等发达国家都先后制定了限用或禁用非降解塑料的法规1,不少国家还制定了生物可降解高分子材料的研究开发计划和措施,我国的邓先模、冯新德等2,3也进行了这方面的研究.由于成本、技术、水平等因素的制约,虽然对生物可降解高分子材料已有研究和试用,但其发展和应用还远没有达到令人满意的程度.以下对一些生物可降解高分子材料作一简述.1 生物可降解高分子材料的种类1.1 微生物合成高分子材料在控制氮、氧、磷和矿物离子等生命养料的环境中,某些细菌在发酵期间其内部会产生大量生第5卷第3期2002年9月建 筑 材 料 学 报JOURNAL OF

6、 BUILDING MATERIALSVol.5,No.3Sep.,2002 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/物降解脂肪族聚酯.如:真氧产碱杆菌可以利用果糖、木糖、延胡索酸、衣糠酸、丙酸、乳酸作为碳源生产PHB(聚232羧基丁酸酯)4,5.通过微生物发酵,在细胞内积累的PHB经过破壁、分离、提取等处理后可获得一定分子量的纯PHB.20世纪70年代,英国ICI公司首先开发出羟基丁酸酯2羟基戊酸酯共聚物(PHB2HV)Biopol产品6,这种材料可制成薄膜、

7、纸张涂膜,或发泡成型用作食品包装和容器等.后来美国、日本的一些公司继续了这一事业.以PHB为主体的生物可降解高分子材料具有优异生物降解性,但是生产效率低,要替代通用的高分子材料在成本上受到了限制.许多国家因此开展了多方面的研究工作,但已经商品化的还只有Biopol.Biopol的机械性能(从硬质到软质)、耐热性、耐水性、耐油性、耐药性和气体屏障性均优良,熔点为130160,拉伸强度为1830MPa,Biopol在好气和厌气条件下均显示出良好的生物降解性,最后分解为二氧化碳和水而消失,但在空气和净水中不会降解.1.2 化学合成生物可降解高分子材料用化学合成方法生产的生物可降解高分子材料,已具实用

8、价值并商品化的主要有脂肪族聚酯、聚乳酸和聚乙烯醇等.日本昭和高分子公司由二醇和二酸脱水聚合制得聚亚丁基丁二酸(PBS)和聚亚丁基丁二酸2己二酸酯(PBSA);美国Union Carbide公司以聚己内酯(PCL)为原料开发了商品名为“Tone”的产品;日本昭和高分子公司也开发了类似产品,命名为Bionolle7,已用来生产包装瓶、薄膜等,产品应用还在开发.近年来世界上研究开发最活跃的可降解高分子材料是聚乳酸(PLA),PLA的化学合成法有2种:一种是“二步法”,即以DL乳酸或L2乳酸为原料,在催化剂作用下生成丙交酯,再在催化剂作用下开环聚合,通过变换引发剂的种类和浓度合成分子量为1010410

9、0104的PLA;另一种方法是“一步法”,即在溶剂存在的条件下进行缩合脱水反应,直接生成高分子量的PLA,分子量高达30104.PLA作为热塑性塑料,可以采用普通的成型方法加工.目前国际市场上出售的PLA树脂仅有5种:大日本油墨与化学公司的产品CPLA;三井化学公司的产品LACEA;日本岛津制作所的产品LACTY;Cargill Dow公司的产品Ecopla;美国Chronopol公司的产品Heplon810.美国Air Product&Chemical公司开发了Vinex品牌,它是以聚合度较低的聚乙烯醇为基础的树脂,同时具有水溶性、热塑加工性和生物降解性,Vinex通过挤出、共挤出、纺丝成型

10、,可制得适用于包装食品的薄膜、农用水溶性薄膜、容器及一次性消费用品等11.1.3 天然高分子合成材料纤维素、淀粉、甲壳素、蛋白质等天然高分子在自然界资源丰富,这类自然生长、自然分解的产物完全无毒,但大多不具热塑性,成型加工困难,耐水性差,往往不能单独使用.现一般将其和化学合成生物可降解高分子材料掺混制成高分子合金,或对其进行改进,使其具有可加工性12.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13,14.淀粉基生物可降解高分子材料的研究初期为不完全生物降解的可崩溃型高分子材料,由于仍采用不能生物降解的PE或其它聚酯材料为

11、原料,故除了添加的淀粉能够降解外,剩余的大量PE或聚酯仍然残存而不能完全降解.美国Warner2Lamber药物公司研究了一种完全以淀粉制成的新型树脂,由70%(质量分数,文中涉及的含量均为质量分数)支链淀粉和30%线形淀粉组成.该树脂可以造粒,能用注射法、挤出法及其它标准方法加工成型,可代替现代农业和医药上使用的各种生物降解材料,因而被认为是材料科学发展史上的重大进展.Mater2Bi是由意大利Novamont公司开发的商业树脂,是一种生物降解性很好的材料,其中,淀粉或淀粉衍生物含量 60%,专用改性剂含量 40%,其显著特点是氧的阻隔性能好,已应用于包装行业,可用模压、吹塑、挤出等成型方法

12、成型15.甲壳素是虾、蟹等甲壳类动物以及昆虫外壳和菌类细胞壁的主要成分.目前,美国、日本已在碱462 建 筑 材 料 学 报第5卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/性条件下使用甲壳质脱乙酰,从中得到壳聚糖,再由壳聚糖开发出了一系列可生物降解制品,如絮凝剂、外科缝线、人造皮肤、缓释药膜材料、固定酶载体、分离膜材料等.蛋白质的降解主要是肽键的水解反应所引起的.美国Clemson大学正在研究从玉米、麦子、大豆等植物中提取蛋白质,可溶性蛋白质在一定温度(如140

13、)下可交联,人们用其与纤维素一起制造生物降解复合材料16.2 应用领域生物可降解高分子材料的应用研究范围很广,可用于农业、园林、水产以及装潢、包装、卫生、化妆品等领域,由于成本等因素,目前研究多集中在生物医疗工程领域.2.1 微胶囊药物释放体系17,18微胶囊技术是20世纪50年代开始并发展起来的,至60年代,人们对微胶囊技术在医学领域的应用也进行了广泛的研究.早期大多集中在具有生物相容性的非生物降解型高分子,如硅橡胶、丙烯酸类聚合物.1970年,Yolles等率先将PLA用作药物长效缓释制剂载体,由此开始了生物降解型高分子微胶囊药物释放体系的研究.生物可降解的脂肪族聚酯类高分子由于其分子量可

14、控制在相当宽的范围内而受到重视.主要有聚乙交酯(PGA)、聚乳酸(PLA)、聚 2己内酯(PCL)等.不同的聚酯降解速度不同,而同种聚酯亦会由于构型的不同而具有不同的降解速度.根据药物的性质、释放要求可制成特定的药物埋植制剂,如层状微粒、微球(1100m)、纳米微球(0.011m).微球制剂可靶向体内不同的器官和组织,使药物有效地靶向控释,拓宽了给药途径,减少了给药次数和给药量,提高了药物的生物利用度,最大程度地减少了药物对全身特别是肝、肾的毒副作用.微胶囊的制备方法一般分为化学法、物理法和物理化学法.化学法包括界面聚合法、原位聚合法、聚合物快速不溶解法、气相表面聚合法等;物理法包括空气悬浮涂

15、层法、喷雾干燥法、真空喷涂法、静电气溶胶法等;物理化学法包括水溶液中相分离法、有机溶剂中相分离法、溶液中干燥法、溶液蒸发法等.大量的研究考察了药物从制剂中释放的机理,目前还没有一种可靠的模型来模拟或预测药物的释放行为,一般认为存在材料降解控释,即利用控制聚合物溶蚀速度的机理;药物扩散控释,即控制药物在水凝胶中的扩散释放速度的机理.在药物释放的不同阶段,上述机理分别起主要作用.为了保证其释放效果,常采用混合载体材料实现药物的脉冲释放或通过外界物理因素如超声波、射线、电磁场等加以调节.2.2 骨科内固定材料8,19生物可降解高聚物用作骨科内固定材料,如骨夹板、骨螺钉等,可避免长期以来国内外一直采用

16、不锈钢金属材料作骨折内固定材料所造成的骨质疏松和愈合后需二次手术的缺陷.作为内固定材料,不仅需要满足生物的相容性、可降解性、可吸收性,还要求有足够的初始力学强度和适当的强度衰减.作为支撑骨架,降解后期的力学强度要维持到骨折愈合.目前研究最多的用于骨折内固定器材的生物可降解高聚物有PLLA(左旋聚乳酸)、PGA(聚羟基乙酸)、PCL(聚 2己内酯)及它们的共聚物或复合材料,概括起来有2方面的进展:(1)生物可降解高聚物有望作为骨折内固定材料.近年来的临床研究表明,手术一段时间后,会出现延期的炎症反应,可能是由于降解速度较慢,长期存在的未降解部分产生了副作用所致.因此,如何根据个体的差异,有效地控

17、制降解速度,仍然是有待研究的重要课题;(2)材料强度的研究取得了骄人的进展.首先,高分子量生物可降解高分子合成获得了重大突破,其次,利用PGA纤维、PLA纤维、碳纤维、氢氧化铝、羟基磷灰石、磷酸钙等增强生物可降解高分子材料取得了良好的效果,研究结果表明,植入的复合材料的力学性能以及降解速度依赖于增强材料的组成、纤维增强材料的取向、所用聚合物的种类及聚合物与增强材料之间的界面结合.562 第3期袁 华等:生物可降解高分子材料的研究与发展 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved

18、.http:/2.3 组织修复材料2,20可降解高分子材料作为支撑材料,在其上移植器官组织的生长细胞,使其形成自然组织,这就是组织修复工程.作为支架材料的聚合物应当是无毒的,有合适的生物降解性和良好的生物相容性,且与某些具体细胞有一定的相互作用的能力.这些生物材料制成的支架在结构上还应满足以下几点:(1)为细胞生长和输送营养所必须的孔结构;(2)为支持细胞生长所必须的足够的机械强度和几何形状;(3)从基体中控释对组织生成有益的组织诱导因子、生长因子等.目前,已在肝细胞组织、皮肤细胞组织、软骨细胞组织、血管、视网膜色素上皮(RPE)细胞组织的修复等方面进行了一些研究,通常的做法是在坏死或受损的器

19、官上直接用已植入器官、组织生长细胞的可降解高分子基材来修复或取代,如烧伤的皮肤,也可在体外培养一段时间后再植入器官.2.4 手术缝合线21生物可降解高分子材料作为外科手术缝合线,由于其生物降解性,在伤口愈合后可自动降解并吸收,无需二次手术,这就要求聚合物具有较高的初始强度,同时能有效地控制聚合物降解速度,随着伤口的愈合,缝合线可缓慢降解.近年来,主要在以下几个方面取得了一些进展:(1)手术线强度有了较大的提高.这主要归功于高分子量可降解聚合物的合成及缝合线加工工艺的改进;(2)缝合线的多功能化.在缝合线中掺入非甾体抗炎药来抑制局部炎症及排异反应,在缝合线中加入增塑剂增加了缝合线的韧性,调节了聚

20、合物的降解速度;(3)临床应用取得了成功.2.5 农业、园林、土木等用材农业、园林、土木等用材包括育苗床用片材、苗圃用膜材、树根包装袋、植被用片材、多功能卷材、防草用地膜、坡面防护绿化卷材等等.各种膜材和功能片材要求的使用时间不一,有的要求1个季节,而有的最少要求13年,如:用于植树方面的材料,在树苗培植的几年时间里最终慢慢降解回归土壤.目前,一些农业先进国家不断投资建造以农业废弃物或家畜粪为原料的堆肥生产装置,农用等可降解塑料也可利用这些装置回归自然.2.6 装潢、生活、卫生、杂品、医疗用材22装潢、生活、卫生、杂品、医疗用材包括地毯垫布、壁纸、桌布、包装袋、帽子、内衣、餐巾纸、茶叶袋、医疗

21、用无纺布、纱布、包扎带、医用胶布基材等等.以上大多数是一次性用品,使用后掩埋或燃烧均无毒气产生,与其他有机废弃物一起变为堆肥,回归自然.值得一提的是,一些具有生物体适应性的生物可降解高分子材料,将广泛地应用于与生物体相接触的地方,今后还将开发出更为广泛的用途.3 降解机理人们深入研究了不同的生物可降解高分子材料的生物降解性,发现与其结构有很大关系,包括化学结构、物理结构、表面结构等.酯类高分子含有易水解化学键,有较快的降解速度.当同种材料固态结构不同时,不同聚集态的降解速度有如下顺序:橡胶态玻璃态结晶态.一般情况下,极性大的塑料才能与酶相粘附并很好地亲和,微生物粘附表面的方式受塑料表面张力、表

22、面结构、多孔性、环境的搅动程度以及可侵占表面的影响;其次,微生物在高分子材料表面分泌酶,酶再作用于高分子材料,通过水解和氧化等反应将高分子断裂成低分子量的碎片(分子量 500),最终形成CO2和H2O.降解除有以上生物化学作用外,还有生物物理作用,即微生物侵蚀聚合物后,由于细胞的增大,致使高分子材料发生机械性破坏23.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、电磁、超声波及射线等外部环境有关.温度对生物可降解高分子材料有双重影响,一方面,在一定范围内升温,微生物代谢活动逐步旺盛,生长加速,有利于高分子材料的降解;另一方面,随温度上升,细胞内物质如蛋白质

23、、酶、核酸等对温度比较敏感,将逐渐662 建 筑 材 料 学 报第5卷 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/变性失活,分解速度减慢.一般来讲,每种可降解聚合物都有1个最适宜降解的温度范围.pH值对微生物的生长繁殖影响很大,处于最佳pH值下的微生物生长代谢旺盛,可降解高分子材料降解速度加快.例如,对PL GA(聚乙丙交酯)等合成材料起主要作用的是细菌、放线菌和真菌等微生物,其最适宜的pH值为59,此时,PL GA降解速度加快.4 生物降解性能的评价方法24随着

24、生物可降解高分子材料在世界范围内成为研究开发的热点,如何评价其生物降解性能及其安全性就成了当前的一个重要研究课题.1990年至1992年,日本通产省委托日本生物工业协会设立了“生物降解塑料试验及评价委员会”,进而在1993年以日本生物降解塑料研究委员会为中心成立了“生物降解塑料试验及评价委员会”.目前,国际上主要采用美国材料试验标准(ASTM)作为标准方法.我国还没有统一的国标、部标和行标,一些科研机构主要通过一些生物化学和微生物学的实验手段来评价生物可降解高分子材料的生物降解性.4.1 野外环境试验以土壤、河(湖)水、海水、湖沼中的微生物群为微生物源,将要试验的高分子材料埋入含有上述微生物群

25、的地下或堆肥中,通过失重、显微镜观察、物性下降、分子量降低等项目检验塑料的劣化、破坏等分解特征.该试验能反映出自然环境条件下的生物分解性能,但由于评价时间长(常常需1个月几年)、重复性差、定量性差,不宜用于代谢产物的测定从而解释代谢机理.4.2 环境微生物试验以土壤、河(湖)水、海水、湖沼中的微生物群为微生物源,在实验室条件下将试验样品埋入或浸入容器中的微生物源,通过分析失重、物性降低、试样中高分子量物质的减少、CO2和CH4的发生量、CO2的吸收(BOD),目测霉菌繁殖程序、显微镜观察等来检验高分子材料的劣化、破坏等分解特征.随分析项目的不同,该试验能在相当程度上反映出在自然条件下的生物降解

26、性,有相当的定量性.但同样的缺点是重复性不太好,评价需要较长时间(几周几个月),不太适宜代谢产物的测定和解释代谢机理,添加的材料或混入的齐聚物将影响分析结果.4.3 特定单独分离的微生物的体外试验(也称之为特定微生物侵蚀试验)以能分解、矿化对象高分子的单独分离的微生物为微生物源,通过分析失重、物性降低、试样中高分子量物质的减少、目测霉菌繁殖程序、显微镜观察等来检验塑料的劣化、破坏等分解特征.该试验较用环境微生物试验的降解速度快,可用于一般用环境微生物源试验时不能检测出的材料,能明显检测出材料的生物降解性,但不能反映自然环境条件下的生物降解性,只适用于有限的高分子材料.4.4 特定单独分离的酶的

27、体外试验以从分解、矿化对象高分子的微生物单独分离出的酶(酯酶、脂酶、淀粉酶、纤维素酶、蛋白质酶等加水分解酶和其他酶)为酶源,在容器中加入缓冲液和试验样品,让酶作用一定时间,通过分析失重、物性降低、分子量降低、定量测定生成产物及可溶性全有机碳量(TOC),能检验高分子主链的切断等分解特征.4.5 生物可降解高分子人体内置材料的体外降解试验25生物可降解高分子人体内置材料的体外降解试验可分为实际降解试验和加速降解试验.实际降解试验是模拟人体生理环境,将试样浸泡在(371)磷酸盐缓冲液中,浸泡时间为4,26,104周,通过失重、差热扫描、原子吸收光谱、气相色谱、X射线衍射、扫描电镜等方法测试其物理化

28、学性能的变化,从而表征其降解性能;加速降解试验是一种试镜头(screening test)的试验方法,可在较短时间内获得材料的降解信息,便于比较与选择,与体内行为无关.该试验是将试样浸泡在(701)的磷酸盐缓冲液中,经过24 h,1周后,测试其物理化学性能的变化来表征其降解性能.762 第3期袁 华等:生物可降解高分子材料的研究与发展 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/5 生物可降解高分子材料的前景生物可降解高分子材料的重要地位是不言而喻的,世界各国正在竭

29、力开展研究和开发工作,并推广其应用,前景十分广阔.现在必须面对的挑战是:(1)降低成本.目前生物可降解高分子材料的价格要高于普通塑料价格的510倍,不易推广;(2)材料的精细化.即根据具体需要调节其性能,如降解时间、生物相容性等等;(3)用新的方法合成新颖结构的生物可降解高分子材料;(4)对现有的生物可降解高分子材料进行改性,获取更好性能的高分子材料.总之,生物可降解高分子材料是一类极有前途的高分子材料,值得材料研究工作者为之奋斗.参考文献:1 Zhang X C.Biodegradable polymer(orthopedic application)A.Polymeric Material

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