可降解高分子材料

1、可降解高分子材料1 可生物降解高分子材料的定義 可生物降解高分子材料是指在一定的時(shí)間和一定的條件下， 能被微生物或其 分泌物在酶或化學(xué)分解作用下發(fā)生降解的高分子材料。2 生物降解高分子材料降解機(jī)理 生物降解的機(jī)理大致有以下 3 種方式：生物的細(xì)胞增長(zhǎng)使物質(zhì)發(fā)生機(jī)械性破 壞；微生物對(duì)聚合物作用產(chǎn)生新的物質(zhì)； 酶的直接作用， 即微生物侵蝕高聚物從 而導(dǎo)致裂解。一般認(rèn)為，高分子材料的生物降解是經(jīng)過(guò)兩個(gè)過(guò)程進(jìn)行的。首先， 微生物向體外分泌水解酶和材料表面結(jié)合， 通過(guò)水解切斷高分子鏈， 生成分子量 小于 500 的小分子量的化合物 （有機(jī)酸、酯等 ）；然后，降解的生成物被微生物攝 入人體內(nèi)，經(jīng)過(guò)種種的代

2、謝路線(xiàn)， 合成為微生物體物或轉(zhuǎn)化為微生物活動(dòng)的能量， 最終都轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳。 降解除有以上生物化學(xué)作用外， 還有生物物理作用， 即微生物侵蝕聚合物后， 由于細(xì)胞的增大， 致使高分子材料發(fā)生機(jī)械性破壞。 因 此，生物降解并非單一機(jī)理，而是一個(gè)復(fù)雜的生物物理、生物化學(xué)協(xié)同同作用， 相互促進(jìn)的物理化學(xué)過(guò)程。 到目前為止，有關(guān)生物降解的機(jī)理尚未完全闡述清楚： 除了生物降解外， 高分子材料在機(jī)體內(nèi)的降解還被描述為生物吸收、 生物侵蝕及 生物劣化等。人們深入研究了不同的生物可降解高分子材料的生物降解性， 發(fā)現(xiàn)與其結(jié)構(gòu) 有很大關(guān)系，包括化學(xué)結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)等。高分子材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)直 接影響著生物

3、可降解能力的強(qiáng)弱， 一般情況下：脂肪族酯鍵、肽鍵氨基甲酸酯 脂肪族醚鍵 亞甲基。當(dāng)同種材料固態(tài)結(jié)構(gòu)不同時(shí)， 不同聚集態(tài)的降解速度有如 下順序：橡膠態(tài) 玻璃態(tài) 結(jié)晶態(tài)。一般極性大的高分子材料才能與酶相粘附并 很好地親和，微生物粘附表面的方式受塑料表面張力、表面結(jié)構(gòu)、多孑 L 性、 環(huán)境的攪動(dòng)程度以及可侵占表面的影響。 生物可降解高分子材料的降解除與材料 本身性能有關(guān)外，還與材料溫度、酶、 pH 值、微生物等外部環(huán)境有關(guān)。3 可生物降解高分子材料的種類(lèi) 按照原料組成和制造工藝不同可分為以下三種：天然高分子及其改性產(chǎn)物、 微生物合成高分子和化學(xué)合成高分子。31 天然高分子及其改性產(chǎn)物 天然高分子包括

4、淀粉、纖維素、甲殼質(zhì)、蛋白質(zhì)等，雖然具有完全生物降解 性，但是其熱學(xué)、力學(xué)性能差，成型加工困難，不能滿(mǎn)足工程材料的性能要求， 因此需通過(guò)改性，得到有使用價(jià)值的可生物降解材料。日本四國(guó)工業(yè)試驗(yàn)所開(kāi)發(fā)了以乙酰多糖和纖維 素為主要成分的高分子材 料，試制的生物降解薄膜、無(wú)紡布、發(fā)泡塑料等已接近實(shí)用化。MaterBi 是由意大利 Novamont 公司開(kāi)發(fā)的樹(shù)脂，具有互穿網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，是一種生物降解性很好 的材料，其顯著特點(diǎn)是氧的阻隔性能好，已應(yīng)用于包裝行業(yè)。蛋白質(zhì)的降解主要是肽鍵的水解反應(yīng)所引起的。美國(guó) C1emson 大學(xué)正在研 究從玉米、麥子、大豆等植物中提取蛋白質(zhì)。 可溶性蛋白質(zhì)在一定溫度 （如

5、140C） 下可交聯(lián)， 人們用其與纖維素一起制造生物降解復(fù)合材料： 纖維蛋白單體在凝血 酶作用下聚合成立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的纖維蛋白凝膠，纖維蛋白凝膠來(lái)源于自身血液， 可避免免疫原性問(wèn)題，是一種較為理想的細(xì)胞外基質(zhì)材料。32 微生物合成高分子 微生物合成高分子是由微生物發(fā)酵法制成的一類(lèi)材料，主要包括聚酯和多 糖，如：真氧產(chǎn)堿桿菌可以利用果糖、木糖、延胡索酸、衣糠酸、丙酸、乳酸作 為碳源生產(chǎn)PHB（聚一 3 一羧基丁酸酯）。具有代表性的是聚B 一羥基烷酸（PHAs） 系列聚酯。如英國(guó) IC 公司首先以丙酸、葡萄糖為碳源食物，通過(guò)發(fā)酵法成功地 開(kāi)發(fā)出有實(shí)用價(jià)值的生物降解性 3一羥基丁酸一 3一羥基戊酸共聚

6、物，商品名為 Biopol。Biopol的機(jī)械性能（從硬質(zhì)到軟質(zhì)）、耐熱性、耐水性、耐油性、耐藥性 和氣體屏障性均優(yōu)良，熔點(diǎn)為 130160C,拉伸強(qiáng)度為1830MPa。Biopol在 好氣和厭氣條件下均顯示出良好的生物降解性，最后分解為二氧化碳和水而消失，但在空氣和凈水中不會(huì)降解。33 化學(xué)合成高分子可以用化學(xué)合成法生產(chǎn)的有生物降解性高分子包括聚乳酸 (PLA) 、聚 8 一己 內(nèi)酯(PCL)、聚乙烯醇(PVA)等。美國(guó)Union Carbide公司以PCL為原料開(kāi)發(fā)了商 品名為T(mén)one的產(chǎn)品；日本昭和高分子公司也開(kāi)發(fā)了類(lèi)似產(chǎn)品 Bio nolle,已用來(lái) 生產(chǎn)包裝瓶、薄膜等：聚乙烯醇為研究

7、得最多的可生物降解的高聚物。美國(guó) Air Product&Chemical 公司開(kāi)發(fā)了 Vinex 品牌,它是以聚合度較低的聚乙烯醇為基礎(chǔ) 的樹(shù)脂同時(shí)具有水溶性、熱塑加工性和生物降解性,可制得適用于包裝食品的薄膜、農(nóng)用水溶性薄膜、容器及一次性消費(fèi)用品等。近年來(lái)世界上研究開(kāi)發(fā)最活躍的可降解高分子材料是聚乳酸PLA類(lèi)材料的一個(gè)突出特點(diǎn)是能用多種方式加工,如擠出、紡絲、雙軸拉伸等,加工過(guò)程中分 子的定向不僅會(huì)大大增加力學(xué)強(qiáng)度, 同時(shí)使降解速度變慢。 目前國(guó)際市場(chǎng)上出售 的PLA樹(shù)脂僅有5種：大日本油墨與化學(xué)公司的產(chǎn)品 CPLA;三井化學(xué)公司的 產(chǎn)品 LACEA ；日本島津制作所的產(chǎn)品 LACTY ：

8、 Cargill Dow 公司的產(chǎn)品 EeopLa； 美國(guó) Chronopo1 公司的產(chǎn)品 Heplon 除脂肪族聚酯外,聚酰胺類(lèi)、聚酸酐類(lèi)、聚 氨酯、聚磷脂等也有研究。4 生物可降解高分子材料的應(yīng)用生物可降解高分子材料主要有兩方面的用途：(1) 利用其生物可降解性,解決環(huán)境污染問(wèn)題,以保證人類(lèi)生存環(huán)境的可持 續(xù)發(fā)展。通常,對(duì)高聚物材料的處理主要有填埋、 焚燒和再回收利用等 3 種方法, 但這幾種方法都有其弊端。 如填埋法對(duì)土地有長(zhǎng)期危害, 并且隨填埋地的日益減 少而無(wú)法繼續(xù)實(shí)行； 焚燒法釋放出大量有害氣體； 回收再利用法, 因材料的收集、 分揀困難, 故一時(shí)難以推廣。 因此所有這些都無(wú)法徹底

9、解決污染問(wèn)題, 只有生物 降解高分子才能從根本上解決廢棄物所造成的環(huán)境問(wèn)題。(2) 利用其可降解性,用作生物醫(yī)用材料。由于成本等因素,目前研究多集 中在生物醫(yī)療工程領(lǐng)域,因此以下對(duì)可降解高分子在此方面的應(yīng)用作一簡(jiǎn)述。生物醫(yī)學(xué)材料必須具備以下兩個(gè)條件：一、要求材料與組織短期接觸時(shí)無(wú)毒性、無(wú)致敏、無(wú)致炎、無(wú)致癌作用、無(wú) 其他不良反應(yīng)二、應(yīng)具備耐腐蝕性及相應(yīng)的生物力學(xué)性能和良好的加工性能。 這類(lèi)材料可 在生物體內(nèi)分解， 參與人體新陳代謝， 并最終排出體外， 其基本特征是生物降解 性和生物相容性。41 藥物基因控制釋放系統(tǒng) 初期的藥物控制釋放體系是將活性物質(zhì)加載到高分子基質(zhì)中， 然后再輸人人 體。在該

10、體系中，藥物釋放主要是由擴(kuò)散驅(qū)動(dòng)，而后高分子基質(zhì)本體水解。這方 面用得較好的是DLLA /GA共聚物。PLA和PLGA制成的微球，能在一段時(shí)間 內(nèi)以一恒定的速率釋放縮氨酸、 蛋白質(zhì)、 疫苗等， 其釋放速率依賴(lài)于高分子的生 物可降解行為。而藥物以納米球和納米顆粒的形式直接注射到固態(tài)組織或器官 中，則是更進(jìn)一步的發(fā)展。 微球制劑可靶向體內(nèi)不同的器官和組織， 使藥物有效 地靶向控釋?zhuān)?拓寬了給藥途徑， 減少了給藥次數(shù)和給藥量， 提高了藥物的生物利 用度 最大程度地減少了藥物對(duì)全身特別是肝、腎的毒副作用，美國(guó)專(zhuān)利提到 一種利用可生物降解高分子制造緩控釋藥物的技術(shù)， 可使藥物在牙周病灶組織長(zhǎng) 期發(fā)揮藥效

11、。 PCL 類(lèi)的聚內(nèi)酯也被用于藥物釋放。 PCL 是一種半結(jié)晶高分子， 藥物滲透性好，且降解速率很低。將 PCL和聚L 一丙交酯(PLLA)或聚羥基乙酸 (PGA)共混，或合成相應(yīng)的嵌段共聚物，有利于控制生物降解過(guò)程和藥物釋放特 性。例如，控制 PLA 和 PCL 片段的長(zhǎng)度就能控制藥物釋放行為。4 2 外科手術(shù)縫合線(xiàn)用聚乙交酯、PLLA及其共聚物制成的外科縫合線(xiàn)，可在傷口愈合后自動(dòng)降 解并被生物體吸收， 無(wú)需拆線(xiàn)， 現(xiàn)已商業(yè)化。 目前的研究熱點(diǎn)是如何提高縫合線(xiàn) 的柔軟性和機(jī)械強(qiáng)度， 同時(shí)在縫合線(xiàn)加入非甾體消炎藥來(lái)抑制炎癥和排異性， 加 入增塑劑增加線(xiàn)的韌性和調(diào)節(jié)降解速度。 研究發(fā)現(xiàn)，用甲殼質(zhì)

12、制成的縫合線(xiàn)無(wú)毒， 機(jī)械性能良好，易打結(jié)，在膽汁、胰液中拉力強(qiáng)度的延續(xù)性比聚乙交酯纖維好， 在使用初始的1015天強(qiáng)度很好，以后迅速降解并被生物體吸收。43 骨內(nèi)固定材料和組織工程采用降解材料做固定材料可避免因使用不銹鋼所造成骨質(zhì)疏松及愈后的二 次手術(shù)，在心血管組織工程也呈現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。 可用于骨折固定材料的聚 合物有PGA、PLLA、PDLLAD等。PGA是一種結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的線(xiàn)性聚烴基脂肪 酸酯，是作為第一批可降解吸收材料被美國(guó)食品藥物管理局批準(zhǔn)用于臨床的。 用 PGA纖維、PLA纖維、碳纖維、磷酸鈣等增強(qiáng) PLA，可明顯提高材料的初始強(qiáng) 度和承載能力。 另外，在治療過(guò)程中還可將抗生素類(lèi)

13、的藥物及骨生長(zhǎng)因子、 骨生 長(zhǎng)調(diào)節(jié)蛋白等置于植入材料中， 可防止感染、 促進(jìn)骨愈合。 將聚乳酸及其共聚物 用作支撐材料，在其上移植器官、組織的生長(zhǎng)細(xì)胞，使其形成自然組織，稱(chēng)為外 科替代療法，即組織工程。聚酯，特別是聚 d 一羥基酯 （如聚乳酸、聚乙醇酸及 聚e一己內(nèi)酯等）在組織工程領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 專(zhuān)利提到一種利用23種 可降解纖維做的織物，可植入可控釋藥物作為組織工程材料。5 存在問(wèn)題與發(fā)展前景開(kāi)發(fā)和應(yīng)用 生物可降解高分子材料， 目前存在的主要問(wèn)題是價(jià)格偏高， 使其使用領(lǐng)域受 到限制。 在理論和技術(shù)方面， 應(yīng)加深對(duì)生物降解高分子材料的降解機(jī)理研究， 在 提高可降解高分子材料的機(jī)械強(qiáng)度、 使用壽命的同時(shí)兼顧其降解性能是研究的