生物可降解材料的制备和性能

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。

对于目前产品的降解性研究是重点，请各部门按此原则撰写研究方案及开展相关研究。需经过审批。

1. 生物材料降解的评价方法

最常用的生物降解评价方法示于表1。

上述评价方法较为笼统，近年国际标准化组织(ISO)对降解研究设计原理与研究方案作了较为详尽的介绍。

a. 设计原理

分析材料在正常使用情况下是否会降解对它的安全性评价来讲十分重要。对所有生物材料都进行降解研究既不可能也没有这个必要。因此，对哪些情况应考虑有必要进行降解研究、哪些情况可不必进行降解研究，ISO10993-9中作了原则规定。

作为判别，主要根据如下:

(1)下列情况应考虑进行降解研究

(a)材料是可被生物吸收的;

(b)长期植入材料(大于30d)，可能产生明显的生物降解;

(c)通过对材料的广泛研究表明，在材料(尤指介入或植入材料)与人体长期接触期间，毒性物质可以或可能释放出来。

(2)下列情况不必进行降解研究

(a)可溶出的或以一定的量和速度从特定材料中释放出的物质已经过安全性评价及具有安全临床使用史;

(b)在预计使用中已有充分的有关物质和降解产物的安全性评价研究数据。

即使是有必要进行降解研究的材料，在设计降解系统评价前应首先熟悉文献中介绍的此种材料降解机理和生物降解的情况。根据文献中实验研究以及临床实验研究的结果进行判定。若能证明此材料已进行了降解的系统评价，它的结论是符合ISO10993-1中的规定要求或为生命体能接受此材料或能被证明已为临床长期安全应用，或有文献及实验研究中实验数据证明它与已知材料的降解研究一致，则无须进行雷同的试验。在设计降解评价方法时应考虑材料的化学特性与物理特性，所制成的器械和它的作用原理、使用时间、位置及其局部环境的化学特性等因素，对不同材质的部件要考虑不同的降解机理的区别。评价方法应与这些条件相符合。若能检索到相应的标准与文献中通用推荐的方法，应优先考虑采用规定的降解产物定性与定量标准。

1 / 8 生物可降解材料聚乳酸的制备改性及应用

摘要：聚乳酸（PLA）是人工合成的可生物降解的的热塑性脂肪族聚酯，其具有良好的机械性能、热塑性、生物相容性和生物降解性等，广泛应用于可控释材料、生物医用材料、组织工程材料、合成纤维等领域。本文主要介绍了聚乳酸的合成、改性及其在各个领域的应用。

关键词：聚乳酸；生物降解；合成；应用

随着大量高分子材料在各个领域的应用，废弃高分子材料对环境的污染有着日益加剧的趋势。处理高分子材料的一些老套方法如焚烧、掩埋、熔融共混挤出法、回收利用等都存在缺陷并有一定的局限性，给环境带来严重的负荷，因此开发环境可接受的降解性高分子材料是解决环境污染的重要途径。而乳酸主要来源于自然界十分丰富的可再生植物资源如玉米淀粉、甜菜糖等的发酵。聚乳酸（polylactide简称PLA)在自然环境中可被水解或微生物降解为无公害的最终产物CO2和H2O，对其进行堆肥或焚烧处理也不会带来新的环境污染[1]。此外聚乳酸及其共聚物是一种具有优良的生物相容性的合成高分子材料。它具有无毒、无刺激性、强度高、可塑性强、易加工成型等特点，因而被认为是最有前途的生物可降解高分子材料[2]。利用其可降解性，也可用作生物医用材料如组织支架、外科手术缝合线、专业包装、外科固定等。

1 生物降解机理[3，4]

生物降解是指高分子材料通过溶剂化作用、简单水解或酶反应，以及其他有机体转化为相对简单的中间产物或小分子的过程。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。微生物首先向体外分泌水解酶，与可生物降解材料表面结合，通过水解切断这些材料表面的高分子链，生成低相对分子质量的化合物（有机酸、糖等)，然后，降解的生成物被微生物摄入体内，合成为微生物体物或转化为微生物活动能量，在耗氧条件下转化为CO2，完成生物降解的全过程。材料的结构是决定其是否可生物降解的根本因素。合成高分子多为憎水性的，一般不能生物降解，只有能保持一定湿度的材料才有可能生物降解。含有亲水性基团的高分子可保持一定的湿度，宜生物降解，同时含有亲水和憎水基的聚合物生物降解性好。一般分子量大的材料较分子量小的更难生物降解；脂肪族聚合物比相应的芳香族聚合物容易生物降解；支化和交联会降低材料的生物降解性。另外，材料表面的特性对生物降解也有影响，粗糙表面材料比光滑表面材料更易降解。影响可生物降解性的化学因素主要有高分子的亲水性、构型、形态结构、链段的活动性、分子量、高聚物的组成以及上述因素之间的相互关系等。高分子的亲水性越强越易水解，水解酶对酯键、酰胺键和氨基甲酸酯都有较强的作用；无定型态的高聚物比结晶状态容易水解；分子链段越柔顺，玻璃化温度越低，越有利于降解；链段活动性越大，自由体积越大，越容易受到酶的进攻，也就越容易降解；可降解性随着分子量增大而降低；高聚物的组成，如共混、共聚等也影响着高分子的可降解性。一般情况下只有极性高分子才能与酶相吸附并能很好亲和，因此高分子具有极性是生物降解的必要条件。具有生物降解性（包括水解）的分子化学结构有：脂肪族酯键、酞键、脂肪族醚键、亚甲基、氨基、酰氨基、烯氨基、芳香族偶氮基、脲基、氨基甲酸乙酯等。