2023年4月16日发(作者：ing的字)可生物降解高分子材料的分类及应用
摘要：本文作者对天然高分子材料、微生物合成高分子材料、化学合成高分子 材
料及掺混型高分子材料四类生物降解高分子材料进行了综述 ，并对可生物
降解高分子材料在包装、餐饮业、农业及医药领域的应用作了简要介绍。
尖键词:生物降解；高分子材料；应用
、■、亠
刖言
塑料是应用最广泛的高分子材料，按体积计算已居世界首位，由于其难以降 解，
随着用量的与日俱增，废弃塑料所造成的白色污染已成为世界性的公害。意大 利、德
国、美国等国家已率先以法律形式，规定了必须使用降解性塑料的塑料产品范 围；我
国目前的塑料生产和使用已跃居世界前列，每年产生几百万吨不可降 解的废 旧物，
严重污染着环境和危害着我们的健康。可见开发可降解高分子材料、寻找新的 环境友
好高分子材料来代替塑料已是当务之急。
降解高分子材料是指在使用后的特定环境条件下，在一些环境因素如光、
（1）
氧、风、水、微生物、昆虫以及机械力等因素作用下，使其化学结构能在较短时间内
发生明显变化，从而引起物性下降，最终被环境所消纳的高分子材料。根据 降解机
理的不同，降解高分子材料可分为光降解高黄芩功效与作用
分子材料、生物降解高分子 材料、 光-
"0
生物降解高分子材料、氧化降解高分子材料、复合降解高分子材料等，其中生物 降解
高分子材料是指在自然界微生物或在人体及动物体内的组织细胞、 酶
和体液的作用下，使其化学结构发生变化，致使分子量下降及性能发生变化的高分 子
材料。生物降解高分子材料的应用广泛，在包装、餐饮业、一次性日用杂品、药物 缓
释体系、医学临床、医疗器材等诸多领域都有广阔的应用前景 ，所以开发
生物降解高分子材料已成为世界范围的研究热点。
1
生物降解高分子材料的分类
根据生物降解高分子材料的降解特性可分为完全生物降解高分子材料 ）和
生物破坏性高分子材料（或崩坏性）；按照其来源的不同主要分为天然高分子材 料、
微生物合成高分子材料、化学合成高分子材料和掺混型高分子材料四类。 天然高
1・1
分子材料⑶
天然高分子物质如淀粉、纤维素、半纤维素、木质素、果胶、甲壳素、蛋白质等
来源丰富、价格低廉，特别是天然产量居首位的纤维素和甲壳素，年生物合成量超 过
10"
吨。利用它们制备的生物高分子材料可完全降解、具有良好的生物相容性、 安全无
毒，由此形成的产品兼具天然再生资源的充分利用和环境治理的双重意义， 因而受到
各国的重视，特别是日本。如日本四国工业技术实验所用纤维素和从甲壳素 制得的脫
乙酰壳聚糖复合，采用流延工艺制成的薄膜，具有与通用薄膜同样的强 度，并可在
2
个月后完全降解；他们还对壳聚糖-淀料复合高分子材料进行了大量的 研究工作，发
现调节原料的比例、热处理温度，可改变高分 子材料的强度和降解时 间。
天然高分子材料虽然具有价格低廉、完全降解等诸多优点，但是它的热力学性 能
较差，不能满足工程高分子材料加工的性能要求，因此对天然高分子进行化学修 饰、
天然高分子之间的共混及天然高分子与合成高分子共混以制得具有良好降解性、 实用
性的生物降解高分子材料是目前研究的一个主要方向。
1・24, 5]
微生物合成高分子材料⑶
43
微生物合成高分子材料是由生物通过各种碳源发酵制得的一类高分子材料 ，
主要包括微生物聚酯、聚乳酸及微生物多糖，产品特点是能完全生物降解。其中聚酯
类由英国公司开发的商品名为最为典型，其成分是■疑基丁酸 酯
ICIBiopol3（3HB）
和■羟基戊酸酯的共聚物,由丙酸和葡萄糖为低物发酵 合成。聚
3（3HV）（PHBV）
乳酸是世界上近年来开发研究最活跃的降解高分子材料之一 ，它在土壤
掩埋个月破碎，在微生物分解酶作用下个月变成乳酸，最终变成和出
3~6,6~ 12CO2
0Kogill19948005000t
。美国公司于年投资万美元建立年产量的聚乳酸 工厂，该 工
厂以玉米经乳酸菌发酵得到■乳酸经聚合制得聚乳酸；陶氏聚合物公司在 美
LCargill-
国内布拉斯加州建成的 万吨/年生物法聚乳酸装置，是迄今为止
世界上最大的聚乳酸生产装置。
微生物合成高分子材料有良好的降解性和热塑性，易加工成型，但在耐热和 机
械强度方面还需改进，而且成本较高，现在只在医药、电子等附加值较高的行业得 到
广泛应用。目前，各国科学家正在进行改用各种碳源以降低成本的研究。化学 合
1・3
成高分子材料同
由于在自然界中酯基容易被微生物或酶分解，所以化学合成生物降解高分子材 料
14
大多是分子结构中含有酯基结构的脂肪族聚酯。 聚酯及其共聚物可由二元
醇和二元酸（或二元酸衍生物）、疑基酸的逐步聚合来获得，也可由内酯环的开环 聚
合来制备。缩聚反应因受反应程度和反应过程中产生的水或其他小分子的影响很难 得
到高分子量的产物。幵环聚合只受催化剂活性和外界条件的影响，可得到高分子量 的
聚酯，相对分子量高达单体完全转化聚合。因此，开环聚合成为内酯、乙交 酯、丙交
酯的均聚和共聚合成生物降解高分子材料的理想聚合方法。目前开发的主要 产品有水瓶座幸运数字
聚
乳酸、聚己内酯、聚丁二醇丁二酸酯等。除了脂 肪族聚酯外，多
(PLA)(PCL)(PBS)
酚、聚苯胺、聚碳酸脂、聚天冬氨酸等也已相继开发成功。
合成高分子材料比天然高分子材料具有更多的优点，它可以从分子化学的角度 来
设计分子主链的结构，从而来控制高分子材料的物理性能，而且可以充分利用来 自自
然界中提取或合成的各种小分子单体。不过在如何精确的通过设计分了结构控 制其性
能方面还有待进一步的研究。
1・4(7)
掺混型高分子材料
掺混型高分子材料主要是指将两种或两种以上的高分子物共混或共聚 ，其
中至少有一种组分是可生物降解的，该组分多采用淀粉、纤维素、壳聚糖等天然高分
子。以淀粉为例，它可分为淀粉填充型、淀粉接枝共聚型和淀粉基质型生物 降解高分
子材料三类。淀粉与聚乙烯、聚乙烯醇、聚苯乙烯混合属淀粉填充型，淀 粉接枝丙烯
酸甲酯、丙烯酸丁酯苯乙烯等属淀粉接枝型，但是这两类高分子材料 大部分不能完全
彻底降解，属于不完全生物降解高分子材料，所以其前景不是很 好。淀粉基质型生
物降解高分子材料是以淀粉为主体，加入适量可降解添加剂来制备。如美国
Warner-
LambertNovon"
公司的“ 的主要原料为玉米淀粉,添加可生物降解的聚乙烯 醇，该产
品具有良好的成型性，可完全生物降解不知死焉知生
。这是一类很有发展前途的产品， 是年代
90
国外淀粉掺混型降解高分子材料的主攻方向。
2
生物降解高分子材料的应用
生物降解高分子材料具有无毒、可生物降解及良好的生物相容性等优点，所以 其
应用托业成绩
领域非常广，市场潜力非常大，下面就其在包装、餐饮业、农业及医药领域 的应
用作一简要介绍。
2・1[8, 9]
在包装、餐饮业的应用
据有另部门预测，我国食品包装如餐饮业、超市、蔬菜基地等，工业品包装业 如
家电、仪器仪表、医疗卫生等，在世纪塑料包装高分子材料需求量将达到万
21500
吨，按其中难以收集计算，则废弃物将达万吨。如果将这些不可降解塑料 由
30%150
可降解高分子材料代替，可为生物降解高分子材料在包装领域开辟很大的市场。另
外，庞大的一次性餐饮具的市场需求也给生物降解高分子材料带来巨大的市场空 间，
如在年我国餐盒的使用量约亿只，方便面碗也在亿只以上，还有 一次
2李白烈士
000150150
性杯、碗、盘、碟等，特别是国家经贸委下达禁止生产、销售、使用一次性发泡 塑料
餐具后，降解高分子材料的市场空间显得优为广阔。
在欧洲，一些国家正在推广一种自动“除权”的生物降解高分子材料 ,主要 用于
对存放周期有严格要求的商品，如药品、食品等。使用这种包装的商品，一旦 过了使
用限期，包装物就会自己分解和散架，使此类商品自动丧失在市场流通的
“权利”。研究人员还在这类降解高分子材料中加入某些染料 ，当“除权”日
期临近时，包装物的颜色会出现异常变化，以提醒消费者。这为生物降解高分子 材
料的应用开辟了新的途径。
现目前用于包装、餐饮行业的生物降解高分子材料有甲壳素/壳聚糖及其衍 生
物、聚■羟基丁酸酯)及其共聚物(聚■羟基丁酸基戊酸酯)
(3(PHB)3gg-co-3-^(PHBV)
等，开发的产品主要有包装袋、食品袋、快餐餐具、饮料杯等。
2・29]
在农业中的应用◎
生物降解高分子材料的第二大应用领域就是在农业上。可生物降解高分子材料可
在适当的条件下经有机降解过程成为混合肥料，或与有机废物混合堆肥，特别是用 甲
壳素/壳聚糖制备的生物降解高分子材料或含有甲壳素/壳聚糖的生物 降解高分子材
料，其降解产物不但有利于植物生长，还可改良土壤环境。
我国是农业大国，每年农用薄膜、地膜、农副产品保鲜膜、育秧钵及化肥包装 袋
等的用量很大。农作物地膜覆盖面积在年就超过亿亩，地膜需求量万 吨，
2000150
并以每年速度增长；化肥包装袋在年为万吨，估计到年会 增至
20-30%2000232005
36
万吨；如此大的用量造成了大量的不可降解的废弃物，既污染了环境又浪费 了高分
子材料。如果用可生物降解高分子材料代替，农用地膜可在田里自动降解， 变成动、
植物可吸收的营养物质，这样不但减轻环境的污染，有益于植物的生长， 还可达到循
环利用的目的。在农业领域目前已开发的产品主要有地膜、育苗钵、肥料 袋、堆肥袋
等。
2・3
在医药领域中的应用[佝
生物降解高分子材料在医药领域上的一重要应用是药物控制释放。在药物控制 释
放体系中，药物载体一般是由高分子材料来充当的，它们可分别用在不同的控制 释放
体系中，如凝胶控制释放、微球和微胶囊控制释放、体内埋置控制释放、靶向控 制释
放等等。由于这些聚合物具有被人体吸收代谢的功能，与不可降解的药物载体聚 合物
相比，具有缓释速率对药物性质的依赖性小、更适应不稳定药物的释放要求及 释放速
率更为稳定等优点。正因如此，可生物降解高分子材料作为药物缓释载体的 研究吸引
了世界各国的科研工作者，成为研究的热点。目前作为药物控制释放载体 被广泛研究
的生物降解高分子有聚乳酸、乳酸■己内酯共聚物、乙交酯■丙交酯共聚物 等脂肪族
聚酯以及天然高分子材料甲壳素/壳聚糖及其衍生物。
生物降解高分子材料在医药领域上的另一重要应用是作为骨内固定装置。此 应用
包括两个方面，一是要求植入聚合物在创伤愈合过程中缓慢降解 ，主要用于 骨折内
固定高分子材料，如骨夹板、骨螺钉等；另一类要求在相当时间内聚合物缓
慢降解，在初期或一定时间内在高分子材料上培养组织细胞 ，让其生长成组
织、器官，如软骨、肝、血管、皮肤等。长期以来，国内外一直采用不锈钢金属高 分
子材料作骨折内固定高分子材料，由于其应力遮挡保护易形成骨质疏松，且 愈合 后
需二次手术。若用可降解材料代替，则无需二次手术，材料在体内完成使命后会 自动
降解，所以用可生物降解的高分子材料来代替金属高分子材料成为另一研究热
点。近年来中国科学院成都有机化学研究所邓先模、 熊成东等研究出了
相对分子量超过万的可较好的满足骨固定高分子材料的要求，目前正 在
100PDL-LA,
进行临床研究。
除此之外，生物降解高分子材料在医药领域还可用作外科缝合线、组织修复、
伤口敷料等。
2.4
其它方面的应用
生物降解高分子材料除了在包装、餐饮业、农业、医药领域的应用外 ，在一 次
性日用品、渔网具、化妆品、手套、鞋套、头套、桌布、园艺等多方面都存在着潜 在
的市场，有很好的发展前景。
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