天然可降解聚合物的研究及应用

天然可降解聚合物的研究及应用

赵姝

西北民族大学 

摘要:近年来，全球原油价格迅速上涨,能源危机爆发,能源危机与环境污染问题日益严重。当前，研发可降解聚合材料成为解决能源危机与环境污染的主要渠道。因此，接下来笔者将对可降解聚合物及其应用进行简单介绍。

关键词:天然可降解;聚合物;研究及应用

塑料制品造成了严重的环境污染。当前，全球污染治理工作形势十分严峻，2007年，我国推出了“限塑令”，该政策的出台在一定程度上减轻了塑料污染，但是所取得的成就也是十分有限的。尽管各个部门积极采取塑料材料限制使用措施，但污染治理工作成效仍然不明显。比如，虽然超市、菜市场等场所采取了塑料袋收费制度，但是这并不能杜绝塑料袋的使用。9月9日，中共中央审议通过了《关于进一步加强塑料污染治理的意见》，对塑料制品的使用进行了更加严格地规范，该意见在总结以往经验的基础上提出了更加完备的政策措施，有效解决了以往治理政策单一、政策效果不明显的问题。并且，还严格规范了每一项政策措施的责任单位，由专门的部门负责落实中央所下达的各项政策。按照《意见》要求，各部门将积极组织开展塑料污染治理工作，推动治理工作不断向前推进。但是，塑料制品已融入到人们生活的方方面面，治疗塑料污染问题并不是一个简单的工程，在发挥政府作用的同时，也需要发挥市场和人民群众的作用,在全社会形成保护环境的良好氛围，从根本上解决塑料污染问题。

塑料是由多种添加剂组成的高分子化合物，形体样式十分丰富，可以根据所应用的场景来变换样式。因此，无论是人们的日常生活，还是工业、农业、服务业等经济领域都离不开塑料产品。也正是由于塑料制品的使用范围非常广，但废弃塑料的处理却十分不合理，最终导致白色污染越来越严重。当前，世界各国都在努力研发可降解的新材料，以求解决这一问题。

一、天然可降解聚合物的相关定义

天然可降解高分子材料往往是自然界的生物，比如，真菌、细菌，可以自动调节材料对环境的影响。微生物降解高分子材料主要通过以下两种渠道实现:一种是合成可以被微生物降解的大分子化学制品;另一种是培养能够降解塑料材料的微生物。当前，研究领域中多采用第一种方式，因为第二种方式可能存在微生物生长不受控制将影响生态环境的问题。[1]

某种材料是否具有生物可降解性的关键在于该材料的结构。憎水性是合成高分子材料的主要特性，而这一特性也导致合成高分子材料难以被生物降解。因为生物降解的重要条件之一便是“一定的湿度”。因此，想要实现生物降解便必须要研发出具有亲水性的高分子材料。除这一特性之外，其他因素也会影响材料被生物降解的难度。通常情况下，分子量更大的材料被生物降解的难度更大，芳香族聚合物被生物降解的难度更大，表面粗糙的材料被生物降解的难度更大。

二、天然可降解聚合物的应用探索

当前，天然可降解聚合物成为了全球范围内的新型材料，受到许多国家和地区的追捧，在诸多领域发挥着重要的作用。

1、应用于纺织行业

可降解材料已普遍适用于纺织行业。未来，纺织材料的可降解性将成为纺织材料的必然发展趋势。作为地球上存量最多的有机材料的原料，棉麻、木材具有高吸湿性和吸水性。而之所以拥有这样的特点，主要是因为青霉素纤维素是由-1，4葡萄糖单元重复连结而成的直链状高分子，大分子中的一个六环糖上有3个烃基，分子间规则的氢链结合使其形成结晶。并且，结晶度越高的天然纤维素越好，越适合用于纺织行业。

比如，醋酸纤维素具有生物可降解能力，能发挥光氧化催化作用，这十分有利于纺织材料的降解。再比如，Lyocell纤维，它不仅穿着柔软十分舒适，还具备良好的吸湿性和天然可降解性。甲壳素衍生物溶解在三氯乙酸中制成纺丝液用于纤维制作，使纤维具有天然可降解性。

2、应用于生命科学

天然可降解高分子在组织工程中发挥着重要作用。比如，使用天然可降解高分子材料可以使组织工程材料被生物所降解。组织工程学是一种新型的交叉学科，它以工程学和生命科学原理为基础，通过生物有机体的组织器官发挥作用。组织工程能够顺利发展的前提是材料科学的升级。作为组织工程的重要研究内容，天然可降解高分子材料是制作组织工程载体的重要材料，通过搭建组织工程平台使工程材料具有可降解性，从而为细胞的生长提供良好的环境，最终成长为器官和组织。除此之外，天然可降解高分子材料还能够联系普通细胞，在细胞间传递信号，从而达到促进组织细胞生长的效果。

在医学领域，天然可降解聚合物得到了广泛应用，促进了我国医学研究的发展。比如，医生在选择伤口敷料的时候往往会选择具有生物相容性和亲肤性的材料，而天然可降解聚合物，不仅具有以上两种特征，还能够实现生物降解。这种具有亲肤性的聚氨酯黏胶主要由多醇和二异氰酸酯组成，当该材料触碰到血液时便会在短时间内发生复杂交联反应，并通过高反应性异氰酸变成弹性体生成物，这是制造人造皮肤的好材料。此外，还可以利用甲壳素制作人造皮肤，这类材料所制造的产品往往具有柔软性、成模性和抗菌消炎性，能够有效促进伤口愈合。

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3、应用于包装产业

越来越多的人意识到传统包装材料的弊端。因此，为了解决环境污染问题，我们必须革新包装材料，使用高分子材料来解决环境污染问题。但是，随着高分子材料的问世，聚乳酸这一新型包装材料受到了包装市场的巨大欢迎。聚乳酸材料不仅可以做到防水阻气，而且在在印刷过程中也十分便利。以聚乳酸为原材料制作的包装材料对人体来说几乎是无害的，因此聚乳酸可以作为食品包装的重要原材料。

市场上诸多商家都将天然可降解聚合物作为产品包装的首要选择，该材料的独特优势受到了社会的普遍认可。比如，可口可乐公司所制作的一次性纸杯全都是由聚乳酸制作而成的，这些杯子具有可降解性，放在露天环境下只需要40天便可以完全分解;美国知名糖果品牌也采用聚乳酸制作糖果的包装膜，这种新型包装具有极好的保存性和结晶透明性，而且在印刷过程中也十分便利，在保存糖果时也能够隔绝糖果的气味，防止糖果香味外泄。

4、应用于药学领域

(1)给药载体介质

以天然可降解聚合物作为药物的载体进行保存，当人吃下药物，天然可降解聚合物按设计的速度释放，从而控制药物释放时间，这便是聚合物控制的药物释放。天然可降解聚合物被广泛应用于医学领域。比如，在生产疫苗、胰岛素、避孕药等药物时，往往会使用天然可降解聚合物纳米粒作为药物的载体。并且，当前许多正处于研究阶段或者处于临床实验阶段的药物，也往往会使用天然可降解聚合物作为药物的载体。通过制作纳米粒形态的聚合物药物载体来提高药物表面的亲水性，控制药物的释放速度。但值得注意的是，必须提前确定药物的降解速度和药物降解所需要的环境，然后再根据药物的性质制备纳米粒，以此保证药物的安全性、智能性。今后，天然可降解材料的使用将成为医学领域的新研究方向。[3]

(2)注射药物传递系统

注射药物传递系统受到了医学领域的普遍关注，这一新系统具有极强的优越性。比如，能够节省用药时间，十分方便;药物进入体内后，释放时间得到延长，患者能够更好地适应这种新型的药物传递系统，减少药物所带来的不良反应;医生可以根据患者的病变部位局部用药。与以往的传递系统相比，新型注射药物传递系统具有明显的优势。但是，实践表明，这种新型注射药物传递系统在血液循环中所停留的时间比游离药物还长，再加上巨型细胞和其他细胞会吞噬脂质体，导致药物在血液循环中逐渐失去了药效。除此之外，脂质体还存在药物稳定性较差，药物包风率较低的问题，这些问题都严重限制了脂质体发挥作用。

(3)基因治疗载体

生物降解聚合物微球具有诸多优势。比如，化学结构可人为控制；颗粒大小可根据实际情况制作；自身稳定性好，能够通过外界手段干预基因释放速度。通过化学偶联将其注入到聚合物颗粒的表面，充实聚合物，自动识别靶细胞，在细胞内部实现逐步降解，将DNA释放到细胞浆之内，从而发挥作用。[3]

5、应用于环保领域

上个世纪60年代以来，人们意识到开发天然可降解聚合物的重要性，90年代便掀起了新的工业化热潮。于是，聚乳酸这一最有前景的高分子材料问世。

聚乳酸具有极强的生物降解性，它可以在人体内迅速降解，因而普遍应用于人们的生活和工作中。比如，在医学领域，聚乳酸是医用绷带、医疗制成固定装置的重要材料；在人们的日常生活，聚乳酸可以用于制作尿布。除此之外，聚乳酸还普遍应用于农林牧渔等多个方面，具有广泛的应用前景。而之所以能够被广泛使用。其主要原因在于聚乳酸这一天然可降解合成物具有熔点高、透明度好、结晶度大的优势，是制作纤维制品、模压制品的重要原材料，因此越来越多的人注意到聚乳酸在生物降解性能方面的优势，开展了相关方面的研究。

聚乳酸具有天然可降解性，对环境十分友好，充分发挥聚乳酸的生物功能，不仅能为人们生活和工作提供便利，还能解决资源短缺问题、保护生态环境。并且，聚乳酸制品的使用也有效解决了废弃物处理这一难题。因为聚乳酸在自然环境下可以自动分化成二氧化碳和水，做到“零污染”。因此，聚乳酸也被称为新型跨世纪环保材料，其研究和开发受到世界的普遍关注。迄今为止，聚乳酸是最有名的人工合成有机高分子绿色产品，在人们的生活中发挥着巨大的作用。

三、天然可降解聚合物的研究展望

1、国内外研究形势展望

近年来，生物降解塑料产业的规模不断扩大，人们逐渐适应了生产、使用可降解性的塑料产品，这有效解决了二氧化碳排放过量的问题，困扰了人类多年的温室效应得到了明显的好转，白色污染问题的治理也寻找到了新的方向。因此，为了促进经济和环境协同发展，我们必须重视可降解塑料的生产。当前世界上生产可降解塑料的国家主要有美国、日本、加拿大、中国等，且范围还在不断扩大。

事实上，早在前几年全球范围内就掀起了一股研发、生产生物降解塑料的热潮，但是由于高昂的价格和性能指标的差距，导致生物降解塑料的研发受到诸多限制，当时市面上仍然使用的是传统塑料材料。市场接受度较低、推广度难度大，纵观生物塑料的推广过程，我们发现，高价格是导致生物塑料难以在市场上竞争的主要原因。尤其是在国际油价较低的时候，生物塑料很难与传统塑料进行竞争。当前，全球油价大概在百美元左右，传统塑料在价格上的优势逐渐被淡化，越来越多的工厂迫切寻找新的塑料替代品；再加上绿色环保理念的盛行，无污染的塑料材料成为了诸多企业所追求的新方向。因此，生物塑料制品迎来了新的市场机遇。除了具有生物可降解性之外，耐高温性也是生物塑料的巨大优势之一。与传统塑料相比，生物塑料不易在高温环境下变形，因而应用范围更加广泛，具有一定的竞争优势。

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政策的支持是生物塑料在初期推广阶段所必须具备的前提条件。一些发达国家出台了相关国家政策规定大型商场、超市必须使用生物塑料、可降解性塑料制品，这为生物塑料产业的发展提供了政策支持，也间接促进了传统塑料产业向生物塑料方向升级，实现了塑料加工业的良性发展。

2、课题研究展望

天然可降解高分子材料的用途十分广泛，具有广阔的前景。由于该材料具有生物可降解性，因而受到了世界各国的普遍重视，成为了生物科学领域的新研究方向。对于笔者来说，天然可降解高分子的研究价值主要源于以下几个方面。

天然高分子材料具有无刺激性、无毒性、价格低廉的优势，其制作原料也十分容易获得，再加上起强大的生物降解能力，受到了市场的欢迎。当前，市面上所使用的天然高分子材料主要有木质素、淀粉、天然纤维。

本研究主要以天然高分子为原料对非生物降解聚合物和生物降解聚合物的复合、天然高分子材料之间的复合改制进行研究，了解其降解性能。

(1)通过复合改制PLA、PCL、PGA等材料，再以壳聚糖、淀粉等天然材料为原料制备出天然高分子可降解聚合材料。该材料具有生物降解性能、力学性能、可加工性能等性能，具有较强的实用性和优良性等优势，但仍需对其降解性进行进一步研究。

(2)对PE、PP、PVC等物质材料进行复合改制，在此基础上使用淀粉、壳聚糖等天然成分作为主要原材料进行制备，从而获得天然高分子可降解材料。

(3)探索天然高分子聚合物的使用环境，创造最佳使用条件。比如，探索制备工艺、分析复合材料的配比。

四、结束语

综上所述，天然可降解高分子材料适用于多个领域，其强大的天然可降解性受到人们的重视，成为当前科学领域的重要研究方向。因此，我们必须充分认识到天然可降解高分子材料的重要性，提高信息探索处理能力，在夯实自身专业能力的基础上深入探究该材料的新用途和新发展，用天然可降解高分子材料解决人民日常生活中的问题，引导本专业的发展风向，推动该领域持续稳定发展。

参考文献：

[1]何晓烨。环境友好型聚合物基复合材料的研究进展[J]。广州化工，2016，44(04):18-20+45。

[2]巴雁远。 基于生物可降解材料的微纳能源采集技术及应用研究[D]。电子科技大学，2021。DOI:10。27005/d。cnki。gdzku。2021。000187。

[3]殷标，王冬妮，李耕，王丽平，温彦威，张佳佳，贾红兵。短期应用的生物可降解天然橡胶/细菌纤维素晶须复合材料（英文）[J]。合成橡胶工业，2017，40(06):486。

[4]王萍。天然生物可降解材料在农业领域中的应用[J]。吉林农业，2015(03):67。DOI:10。14025/j。cnki。jlny。2015。03。019。
资助项目：西北民族大学校级大学生创新创业训练项目（项目编号：X202210742254）