可生物降解聚合物材料的合成与应用

聚乳酸合成工艺及应用

第七章 聚乳酸合成工艺及应用

聚乳酸(PLA)是一种以通过光合作用形成的生物质资源为主要起始原料生产的生物可降解高分子材料，使用后可通过微生物降解为乳酸并最终分解成二氧化碳和水。聚乳酸的合成和应用实际上是一个来源于可再生资源、使用寿命结束后降解产物回归自然、参与到生物资源再生的过程中去的一个理想的生态循环，属于自然界的碳循环。聚乳酸无毒，无刺激性，具有良好的生物相容性、生物吸收性、生物可降解性，同时还具有优良的物理、力学性能，并可采用传统的方法成型加工，在农业、包装材料、日常生活用品、服装和生物医用材料等领域都具有良好的应用前景，因而聚乳酸成为近年来研究开发最活跃的可生物降解高分子材料之一。 7.1

聚乳酸的合成工艺

7.1.1 乳酸缩聚

乳酸上的羟基和羧基进行脱水缩聚反应生成聚乳酸，如图7.2。

必须解决以下三个问题:一，乳酸缩聚的平衡常数非常小，在热力学上分析很难生成高分子量的聚乳酸，必须从动力学上加以控制，即有效的排出缩聚反应生成的水，使反应平衡向生成聚乳酸的方向移动;二，抑制聚乳酸解聚生成丙交酯的副反应;三，抑制变色、消旋化等副反应。

(1) 溶液缩聚法

合成过程中利用高沸点溶剂和水生成恒沸物将缩聚产生的痕量水带出，有力地促进了方应向正方向进行;同时蒸出的溶剂带出水合丙交酯经分子筛脱水后回流到反应系统中，有效地抑制了聚乳酸解聚生成丙交酯。

高沸点溶剂可以是苯、二氯甲烷、十氢萘、二苯醚等。

特点:直接制的高分子两聚乳酸，但有机溶剂的回收和分离工序使生产过程较复杂并增加了设备投资，增加了成本，而且残存的有机溶剂对产品造成污染。 (2)

熔融缩聚法

利用无催化剂条件下制的聚合度约为8左右的低聚乳酸为起始物，加入催化剂SnCl?HO(0.4%，质量分数)和等摩尔的对甲基苯磺酸(TSA)，在180?、22

410Torr的条件下反应15h可制得M大于10×10的聚乳酸。 W

phb合成途径

PHB合成途径

PHB，即聚氢丙烯（Polyhydroxybutyrate），是一种生物可降解的聚合物，具有良好的可降解性和可生物降解性，被广泛应用于塑料制品、医疗器械、包装材料等领域。那么，PHB的合成途径有哪些呢？

一、微生物发酵法

微生物发酵法是目前最常用的PHB合成途径之一。通过选用能够产生PHB的微生物菌株，如蓝绿藻、细菌等，将其培养于含有碳源的培养基中，经过一系列的发酵过程，微生物菌株会将碳源转化为PHB。这种方法具有生产周期短、产量高等优点，但也存在着对培养基成分、环境条件等要求较高的问题。

二、植物转基因法

植物转基因法是一种利用基因工程技术将PHB合成相关基因导入植物体内，使植物能够自身合成PHB的方法。这种方法相对于微生物发酵法更为复杂，但其具有生产成本低、环境友好等优点。目前，已经有科研人员成功将PHB合成相关基因导入玉米、大豆等作物中，实现了大规模的PHB合成。

三、化学合成法

化学合成法是一种通过化学反应来合成PHB的方法。该方法主要是将聚羟基丁酸酯与聚己内酯等化合物进行酯交换反应，生成PHB。这种方法具有合成工艺简单、操作方便等优点，但其产出的PHB质量相对较低，不适用于高品质的PHB制备。

四、生物催化法

生物催化法是利用酶或微生物对底物进行催化反应，合成PHB的方法。该方法具有反应条件温和、PHB产率高等优点，但由于酶或微生物的选择性较强，需要针对不同的底物选择合适的酶或微生物，因此在操作上较为繁琐。

PHB的合成途径主要包括微生物发酵法、植物转基因法、化学合成法和生物催化法。不同的合成途径具有各自的优缺点，可以根据实际需求和生产条件选择合适的方法。随着科技的发展，相信PHB的合成途径会不断完善，为生物可降解材料领域的发展做出更大的贡献。

生物可降解材料的研发与应用

随着人们对环境保护意识的增强，生物可降解材料的研发与应用正在逐渐得到关注和重视。这种新型材料不仅具有良好的环保性能，而且可以有效替代传统塑料和化学合成材料，在未来的应用中具有广阔的发展前景。

1. 什么是生物可降解材料？

生物可降解材料是一种可以被微生物代谢并在自然界中被分解的材料。它们由天然的有机高分子构成，可以通过生物降解过程，与自然界中的生物体循环，不会对环境造成污染，也不会产生有害的副产品。

生物可降解材料的主要原材料包括淀粉、纤维素、聚乳酸、聚羟基烷酯等天然有机高分子物质。这些物质都是天然来源，不仅容易获取，而且不会对环境造成污染和破坏。

2. 生物可降解材料的优点

相对于传统的塑料和化学合成材料，生物可降解材料具备以下优点：

（1）环保性能好。生物可降解材料不会对环境造成污染，不会对自然界产生有害的影响，符合人们追求环保和可持续发展的理念。

（2）使用安全。生物可降解材料不含有有害物质，使用过程中不会产生有害气体和副产品，对人体健康不会造成危害。

（3）可降解性好。生物可降解材料可以在自然界中被微生物代谢分解，不会产生不可降解的垃圾，也不会造成土地资源的浪费。

3. 生物可降解材料的研发

近年来，国内外许多研究机构和企业都在生物可降解材料领域进行了广泛的研究与开发。许多新型的生物可降解材料已经成功开发出来，拥有广泛的应用前景。

（1）聚乳酸。聚乳酸是一种由乳酸单体聚合而成的高分子材料。它具有良好的可降解性、生物相容性和物理机械性能，适合于制备医用、包装和农业用途的产品。

（2）淀粉基材料。淀粉是一种天然的有机物质，可以与其他聚合物共混形成生物可降解的淀粉基材料。这种材料具有良好的可降解性和可塑性，在包装、土壤改良和草坪整形等领域具有广泛的应用。

（3）PHA类材料。PHA类材料是由微生物通过生物合成过程产生的一种天然高分子材料。它比聚乳酸更生物可降解，可以在自然界中循环利用。这种材料适用于制备塑料袋、一次性餐具和家具等产品。

关于生物降解高分子材料在医药领域的应用

由于社会的不断发展，各行各业都得到了不同程度的发展，这其中也包括高分子材料的发展，而这种发展在医药领域表现的非常突出。例如高分子缓释材料的作用不仅仅表现在对药物用量的把握，有效帮助药物的有效成分发挥作用，使药物的特性保持平稳状态，同时还能够降低部分药物可能产生的毒副作用。缓释材料对药物用量的控制能使得同量的药物持续更长的作用时间，显著的提高药物制剂的利用率，另外，它不仅仅能够对其的释放量进行控制，还能够保证药物在体内的浓度，使其浓度维持在发挥作用的最低值，同时还能够避免浓度过高可能导致的药物中毒。另外，高分子材料本身所具备的可降解性，使得它的用处更加广泛，也能做为手术时的辅助工具，起到医药领域药物的运载作用。

1.生物降解高分子材料的定义

一定时间和一定条件下，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均是可生物降解高分子材料。而能被生物降解的一个显著的标志便是，在无除水之外的其它物质的作用下，可以被酶或者是其它的微生物进行分解，由大分子质量的物质转化为小分子质量物质，并最终成为水和二氧化碳等简单分子。另外，这些材料本身也具有易吸附水，比表面积相对其它材料而言要大的特点。国内外都越发重视对生物可降解高分子的利用，例如乳化剂，微胶囊的外表包裹物等等。同时生物降解高分子材料的细分材料都有其独有的特性，这些特性使得它们能够在不同的方面得以运用，高分子材料也有天然高分子材料和化学合成的生物降解高分子材料，后者的高分子材料相较与前者而言拥有较强的控制性。

2.高分子材料生物降解机理

在之前人们对大分子药物的控制释放研究与实验成功之后，在这之后人们的研究方向便发生了转变，开始研究如何对药物的控制释放进行改进，以及增加合分子之间的可融合性，增强生物降解性以使其更好的服务于人类。降解的主要情况是水解，而水解则主要是对分子内聚合物形成的分子链的断裂过程。同时，降解也可以从物理和化学两方面来解读，同时还能继续细分。从物理角度来说分为表面和本体两方面的降解，表面降解更像是由浅及深的逐层突破。而本体降解并没有这个顺序性，一切降解的开始都是同时的，但降解部位都是随机的。