陸天忻

（無(wú)錫市第一中學(xué)，江蘇無(wú)錫 214031）

0.引言

1905 年的一天，美國(guó)化學(xué)家貝克蘭在進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)時(shí)，偶然將兩種化學(xué)試劑（苯酚和甲醛）一同加入燒瓶，又加入了酸一起共熱。結(jié)果燒瓶?jī)?nèi)壁奇跡般地出現(xiàn)了一種有黏性的黃色膠狀物，不僅無(wú)法用水沖除，而且受熱還會(huì)持續(xù)變硬。這種從未見(jiàn)過(guò)的物質(zhì)引起了貝克蘭的注意，就這樣，經(jīng)過(guò)4 年的埋頭苦干，貝克蘭終于弄清了這種神奇物質(zhì)的性質(zhì)，并發(fā)明了一種重要的材料— 塑料。

100 多年來(lái)，塑料始終是一種十分重要的材料。小到幾乎人手一部的手機(jī)、超市中的購(gòu)物袋，大到遠(yuǎn)涉重洋的艦艇，在浩瀚宇宙中飛行的宇宙飛船，塑料以較低的密度、良好的絕緣性和化學(xué)穩(wěn)定性成為制造商們優(yōu)先考慮的材料。不過(guò)，正是因?yàn)樗芰系幕瘜W(xué)性質(zhì)十分穩(wěn)定，我們很難用溫和的手段處理大部分廢棄的塑料，一些沒(méi)有被集中處理過(guò)的塑料制品會(huì)造成嚴(yán)重的污染。

可生物降解高分子材料可能是塑料的最佳替代品?？茖W(xué)家對(duì)可生物降解高分子材料的性質(zhì)及其應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究。他們發(fā)現(xiàn)，聚乳酸（PLA）、聚乙二酸丁二酸丁二酯（PBSA）等材料，可能在農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥和其他領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。它們的機(jī)械性能優(yōu)良，制備成本相對(duì)較低，是塑料的良好替代品。我們可以應(yīng)用這些材料，制作農(nóng)用薄膜、漁具、快餐包裝紙和尿布等農(nóng)用物品及生活用品，也可以應(yīng)用它們制造毒性較低的藥物及生物相容性較好的醫(yī)療器械。

1.可生物降解高分子材料

高分子材料是高分子量的固態(tài)非金屬化合物，它們由重復(fù)的大分子組成，不同成分的高分子材料具有不同的特性。許多高分子材料都是由不可再生原料制成的，我們需要將來(lái)自石油的有機(jī)物連接起來(lái)，制成具有各種性能的高分子材料，然而，由于這些材料的化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，它們很難在自然條件下降解。大量的不可降解高分子材料會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，威脅人類的健康和其他生物的生存。由于制備成本較低，降解速度較快，可生物降解高分子材料成為了不可降解高分子材料的最佳替代品。

可生物降解高分子材料具有許多傳統(tǒng)塑料不具備的優(yōu)勢(shì)。第一，它的機(jī)械性能較好，許多可生物降解高分子材料的抗拉、抗壓能力較強(qiáng)，在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。第二，可生物降解高分子材料的降解時(shí)間僅為普通塑料的1/10，它不會(huì)長(zhǎng)期存在于土壤、湖泊中，威脅動(dòng)物的生存。第三，我們可以通過(guò)人工手段，去除其中的重金屬污染物，減少環(huán)境污染。第四，由于分子間的化學(xué)連接方式較為特殊，可生物降解高分子材料在燃燒時(shí)幾乎不會(huì)產(chǎn)生致癌產(chǎn)物，而普通塑料燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的致癌物質(zhì)。第五，我們可以將可生物降解高分子材料填埋到土壤中，在它們降解時(shí)，會(huì)釋放出二氧化碳、氨氣等有益植物生長(zhǎng)的氣體，促進(jìn)作物生長(zhǎng)。第六，生物相容性實(shí)驗(yàn)表明，可生物降解高分子材料在進(jìn)入人體后，幾乎不會(huì)被人體識(shí)別為外來(lái)物，不引起免疫反應(yīng)。此外，人體可以將可生物降解高分子材料的降解產(chǎn)物快速地排出體外，因此，在外科手術(shù)中，可生物降解高分子材料倍受青睞[2]。

2.可生物降解高分子材料的研究進(jìn)展

天然存在的生物聚合物主要有4 種來(lái)源：動(dòng)物可以提供膠原蛋白和明膠；海洋可以提供可被加工成殼聚糖的幾丁質(zhì)；微生物可以提供許多種生物聚合物原料，應(yīng)用這些原料，我們可以高效地生產(chǎn)聚乳酸（PLA）和多羥基鏈烷酸酯（PHA）；植物可以提供類似親水膠體和脂肪的生物聚合物，這類由加拿大科學(xué)家開(kāi)發(fā)的聚合物性能很好，是一種比較有前景的可生物降解高分子材料。應(yīng)用先進(jìn)的生物化工技術(shù)，科學(xué)家可以高效地將天然存在的生物聚合物制成多種可生物降解高分子材料，并將它們制成工業(yè)品、醫(yī)療用品及生活用品，在這些物品廢棄后，它們的分解產(chǎn)物不會(huì)對(duì)環(huán)境造成較大的影響，十分經(jīng)濟(jì)且環(huán)保[3]。

2.1 淀粉基生物降解塑料

淀粉是一種十分常見(jiàn)的水膠體生物聚合物，存在于多種植物中，小麥、玉米、大米、豆類和馬鈴薯等農(nóng)作物中都含有大量的淀粉。

由于淀粉基化合物來(lái)源廣泛、價(jià)格低廉、更容易被生物降解等優(yōu)點(diǎn)，淀粉基生物降解材料成為一種非常重要的可生物降解高分子材料。淀粉基生物降解塑料主要包括淀粉填充型降解材料和淀粉基完全生物降解材料。

如果我們將淀粉與其他高聚物共混，就可以通過(guò)擠塑等方法制得性能更好的高分子化合物。不過(guò)，一些高聚物的親水性不佳，它們無(wú)法與含有大量羥基的淀粉形成穩(wěn)定的化學(xué)鍵，這會(huì)影響產(chǎn)物的機(jī)械性能和耐酸性。此外，制備這類化合物的工序十分復(fù)雜，且制得的化合物不能在自然條件下完全降解。如何增強(qiáng)淀粉與其他高聚物的相互作用，提高淀粉基塑料的機(jī)械性能，使其更易加工、在自然條件下更易降解，是科學(xué)家面臨的重要問(wèn)題。

2.2 聚乳酸

聚乳酸是由乳酸聚合成的聚酯類高分子。它的生物相容性非常好，這是因?yàn)椋廴樗岬暮铣稍稀?乳酸，是生物體內(nèi)重要的代謝產(chǎn)物。許多生物體內(nèi)都含有能分解含乳酸聚合物的酶，因此，在進(jìn)入人體后，聚乳酸可以在酶的作用下，逐步分解為乳酸，并被快速排出體外，不會(huì)影響人體的生理功能。因此，我們可以將其制成輸液用品、手術(shù)縫合線等。此外，聚乳酸也可以用于制作許多生活用品，如一次性餐具、食品包裝膜等。在高科技領(lǐng)域，我們可以應(yīng)用聚乳酸制造手機(jī)、電腦零件，減輕設(shè)備的重量[4]。

3.可生物降解高分子材料的應(yīng)用

3.1 工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

可生物降解高分子材料在工業(yè)上可用于制造人造皮革、人造纖維、食品包裝膜等。通過(guò)摻入其他高聚物、引入特定基團(tuán)，我們可以提高材料的耐高溫、防水、防腐蝕性能，延長(zhǎng)其使用壽命。目前，甲殼素/甲殼糖及其衍生物、PHB 等材料，常常被用于制作食品包裝材料[5]。

3.2 農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

可生物降解高分子材料可用于制造農(nóng)用薄膜、一次性堆肥容器等。將種植著植物的花盆直接放到土壤中，隨著植物的生長(zhǎng)，花盆就會(huì)逐漸分解，其分解產(chǎn)物是良好的肥料[6]。

3.3 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

醫(yī)療過(guò)程中使用的生物聚合物必須有很好的生物相容性，并且可以在體內(nèi)被快速分解，不產(chǎn)生毒性產(chǎn)物。從事組織工程工作的研究人員嘗試在可生物降解容器中培養(yǎng)移植器官，通過(guò)在容器中添加生長(zhǎng)因子，可以促進(jìn)細(xì)胞和血管的生長(zhǎng)。

4.結(jié)語(yǔ)

可生物降解高分子材料的應(yīng)用前景極為廣闊，擁有巨大的潛在市場(chǎng)，對(duì)于緩解石油危機(jī)、減輕環(huán)境污染具有十分重要的意義。不過(guò)，與傳統(tǒng)材料相比，一些可生物降解高分子材料價(jià)格較高、機(jī)械性能較差，限制了其應(yīng)用范圍。我們可以嘗試在制備過(guò)程中摻入特定單體，提升可生物降解高分子材料的性能。此外，控制生物降解高分子材料的降解速度，平衡材料性能與材料使用壽命之間的關(guān)系，具有十分重要的意義。