生物降解高分子材料肖群（东北林业大学材料科学与工程学院,黑龙江哈尔滨 150040）摘要：高分子材料在日常生活中的使用量越来越大．然而高分子材料给人们生活带来便利、改善生活品质的同时，其使用后的大量塑料废弃物也与日俱增。

给人类赖以生存的环境造成了不可忽视的负面影响。

本文简要介绍生物降解高分子材料的定义、降解机理及影响因素的基础上，较为全面的阐述了当前生物降解高分子材料的应用领域。

关键词：生物降解，医用生物材料，1 前言聚合物工业蓬勃发展的同时也导致了环境污染的加剧，引起了人们对聚合物废料处理的关注。

目前全世界每年生产塑料约1．2亿吨．用后废弃的大约占生产量的50％～60％。

废塑料的处理以掩埋和焚烧为主，但这两种处理方法会产生新的有害物质。

对此，一些国家实行了3R工程，即减少使用、重复使用和回收循环。

但对一些回收困难、不宜回收或需要追加很大能量才能回收的领域(如食品包装、卫生用品)，实施3R工程很困难，而如果使用生物降解材料则十分有利[1]。

2生物降解高分子材料定义降解机理2．1生物降解高分子定义根据美国ASTM定义生物降解高分子材料是指在一定的条件下．一定的时间内能被细菌、霉菌、藻类等微生物降解的高分子材料[2，3,4]。

真正的生物降解高分子在有水存在的环境下，能被酶或微生物水解降解，从而高分子主链断裂，分子量逐渐变小，以致最终成为单体或代谢成CO2和H2O[5]。

2.2生物降解高分子材料的降解机理生物降解机理和光一生物降解机理．完全生物降解机理大致有三种途径：①生物物理作用：由于生物细胞增长而使聚合物组分水解，电离质子化而发生机械性的毁坏．分裂成低聚物碎片：②生物化学作用：微生物对聚合物作用而产生新物质(CH4、C02和H20)：③酶直接作用：被微生物侵蚀部分导致材料分裂或氧化崩裂。

而光一生物降解机理则是材料中的淀粉等生物降解剂首先被生物降解，增大表面／体积比，同时，日光、热、氧引发光敏剂等使高聚物生成含氧化物，并氧化断裂．分子量下降到能被微生物消化的水平。

进一步研究发现．不同的生物降解高分子材料的生物降解性与其结构有很大关系，包括化学结构、物理结构、表面结构等。

对不同种类的生物降解材料而言．它们降解机理的不同决定了它们具有不同的性质。

天然降解高分子材料．其本身来源于生物体，能保证足够的细胞及组织亲和性．降解周期一般较短．最终降解产物为多糖或氨基酸．容易被机体吸收．但是这种材料力学性能差。

难于满足组织构建的速度要求，应用时需要进行改性。

化学合成的生物降解材料的组成、结构和降解行为更易于控制。

比如降解速度和强度可调．易构建高孔隙率三维支架．但材料本身对细胞亲和力弱．往往需要引入适量能促进细胞黏附和增值的活性基团、生长因子或黏附因子等。

[6]3生物降解高分子材料的种类及降解过程3.1生物降解高分子材料的种类根据降解机理和破坏形式可将生物降解高分子分为完全生物降解高分子和生物破坏高分子两种：①完全生物降解高分子：指在微生物作用下，在一定时间内完全分解为CO：和H20的化合物。

②生物破坏性(或称崩解)高分子：指在微生物的作用下高分子仅能被分解为散乱的碎片。

根据生产方法。

又可分为以下3种。

(1)微生物生产高分子。

通过微生物发酵获得高分子材料．较有代表的如英国ICI公司开发的3一羟基丁酸和3一羟基戊酸酯的共聚物(PHBV)及其衍生物(商品名为Biop01)和日本东京工业大学开发的聚羟基丁酸酯(PHB)。

这类产品具有较高的生物降解性．但价格昂贵，目前只在高档消费品中应用。

(2)合成高分子材料。

如已成为研究开发热点的聚乙烯醇和主要活跃在医疗领域的聚乳酸(PLA)等，另外还有美国Union Carbide公司以聚己内酯(PCL)为原料开发的商品名为“Tone”的产品(售价在4．4美ff．／kg左右)。

(3)天然高分子材料。

生物降解材料的研究和开发在很大程度上取决于天然原料的利用。

因为人们已非常清楚地认识到天然原料基本上能在自然界降解而且以其为原料的合成材料通常也会生物降解。

如纤维素、淀粉、蛋白质、甲壳素、木质素、单宁和树皮等原料合成的塑料，都是很好的生物降解化合物。

在一些发达国家，已达到一定的开发利用水平，特别是通过化学修饰和共聚等方法对这些高分子进行改性，可以合成许多有用的环境可降解高分子材料。

添加剂型生物降解塑料是指将生物可降解成分以添加剂的形式加到原料中而制成的塑料。

如普通的PE、PP、PS中添加淀粉或淀粉衍生物的塑料。

这类产品虽然在技术和应用上还存在一些问题。

但其价格相对低廉。

3．2 生物降解的过程生物降解过程主要分为3个阶段：(1)高分子材料的表面被微生物黏附．微生物黏附表面的方式受高分子材料表面张力、表面结构、多孔性、温度和湿度等环境的影响。

(2)微生物在高分子材料表面上所分泌的酶作用下，通过水解和氧化等反应将高分子断裂成低相对分子质量的碎片。

(3)微生物吸收或消耗低相对分子质量的碎片，一般相对分子质量低于500，经过代谢最终形成C02、H20及生物量。

4生物降解高分子的应用4.1 聚合物超细纤维组织工程支架组织缺损和创伤修复的研究和发展与生物材料同步。

在上世纪60年代中期。

合成性纤维开始用于烧伤治疗的人工皮肤。

在70年代致力于对植入物的人工表面处理．避免引起血液凝集。

如在材料表面引入肝素复合物涂层等。

1987年提出了“组织工程”的概念．为修复病损的组织和器官提供了一种新的治疗途径，它是建立在细胞培养、天然材料提纯、人工材料合成、移植技术等基础上的一门学科．其中支架材料起着支撑细胞生长、引导组织再生、控制组织结构和释放生物活性冈子等作用．是决定其成败的关键因素之一。

具有良好生物相容性的可生物降解高分子合成材料经过适宜的制备T艺。

构建具有仿细胞外基质结构、适当力学强度、生物活性物质载体功能的组织工程支架，逐渐成为新的研究热点。

制备三维多孔支架的方法有纤维粘接法、相分离法、气体发泡法、溶液浇注2沥滤法、同体自由成型法、颗粒烧结法等。

聚合物纳米纤维的一个独特性能是它与生物天然的细胞外基质结构类似。

纤维间结合较弱，即使较小的孔细胞也可进入，从而提高了支架材料的细胞渗透性。

细胞进入后可调节其生长空间，尺寸比细胞小的纤维可与细胞产生较强的相瓦作用，同时细胞沿纤维走向有一定的趋向性。

目前相分离法、自组装法、模板法和静电纺丝法町用于构建超细纤维组织工程支架。

‘聚乳酸及其共聚物等的电纺超细纤维制成三维多孔材料已尝试作为细胞生长和组织形成的骨架．但目前主要是探讨纤维的组成、直径及表观形貌对细胞粘附及生长行为的影响。

4.2医学领域生物降解高分子材料在生物医学领域具有十分重要的应用，它的主要应用表现在以下几方面：4.2.1 药物控制释放载体这是当今医用高分子研究中最热门的领域之一。

缓释系统是指药物能在指定时间内按预定的速度释放到指定的部位。

它可控制药物在体内的释放速率，使药物在体内能够保持有效浓度，减小或消除副作用，特别是在植入或附于病区时，则更能显示其优越性[16]。

生物降解高分子材料与不可降解的聚合物．药物缓释体系相比，它们主要具有3大优点：①缓释速率主要南载体的降解速率控制，对药物性质的依赖较小，药物包裹量和几何形状等参数的选择范围更广。

②释放速率更为稳定。

在理想的情况下，释放速率可维持恒定，达到零级释放动力学模式。

③更适于不稳定药物的释放要求[17]。

用作药物载体的材料可以是非生物降解性材料，也可以是生物可降解性材料，不同性质的药物载体具有不同的药物释放行为[18]。

由于一般高分子作为药物载体时随着载体中药含量的减少，药物的释放速率亦减小，因此无法保持药物的恒量释放。

而生物可降解性高分子材料用作药物控制释放载体时，虽然药物释放速率同样会随着药物在载体中的浓度下降而下降，但由于随着药物载体逐渐降解，药物载体结构逐渐变得疏松，导致药物在载体中扩散、溶解及释放的阻力减小，结果可加快药物的释放速率。

当正好与由含药量减少所引起的释药速率的减少相一致时，就可实现药物的长期恒量释放。

此外，当用生物降解高分子材料作为载体的长效药物植入体内，在药物释放完了后也不需要再经手术将其取出，这可减少用药者的痛苦和麻烦。

目前作为药物载体被广泛研究的生物降解性高分子有聚磷酸酯、聚酯、聚酸酐、聚磷腈、聚碳酸酯类高分子聚合物。

聚磷酸酯是一种生物相容性好、结构较易进行修饰和功能化的生物降解高分子，早在20世纪80年代，Penczek等就提出了聚磷酸酯作为药物缓释载体的研究。

李晓玺1201等利用醋酸酯淀粉作为药物释放的载体。

此外还有海藻酸盐、甲壳素、纤维素衍生物等天然高聚物。

4.2.2外科手术缝合线生物降解性手术缝合线既可缝合伤口，又可在伤口愈合后自动降解，不需再拆除，所以发展越来越快。

如用生物可吸收的聚乳酸、胶原蛋白制成的手术缝合线，可免除手术后再拆线的痛苦和麻烦。

用聚乳酸制成的骨钉、骨I古I定板，可在骨折痊愈后不需再行手术取出，从而可大大减轻病人的痛苦。

最初采用的生物吸收性缝合线是肠线，存在机械强度损失快，处理不方便，必须用湿的缝合线缝合伤口，易引起组织发炎，分解速率过快等缺点。

后来改用聚乙交酯(PGA)、聚三．乳酸类(PLLA)及其共聚物制成的复丝，目前已商业化。

再后来又研制了更柔软的、低模量的聚葡糖酸酪。

另外，三一乳酸和己内酯的共聚物(CL．LA)是生物吸收性的弹性材料，在临床上的应用也已开始研究。

同时研究发现用甲壳素制成的缝合线无毒，机械性能良好，易打结，在胆汁、胰液中拉力强度的延续性比聚乙交酯纤维好，在使用初始的1～l 5天强度很好，而此后强度迅速下降，有利于生物体的迅速吸收。

Goosen的研究表明，甲壳素缝合线对消化酶、感染组织及尿液等耐受性比肠线和PGA线要好。

侯春林口知等进行的动物体内试验也充分表明了甲壳素缝合线的性能明显优于肠线。

聚乳酸及其共聚物作为外科手术缝合线时，因其具有在伤口愈合能自动降解并吸收，术后无需拆除缝合线，17．其具有较强的万方数据陈志祥等·生物降解高分子材料在医药领域中的应用抗张强度，能有效地控制聚合物的降解速率，随着伤口的愈合,缝线自动缓慢降解等优点。

所以，一经问世，立即受到医生们的青睐，目前已广泛用于各种手术。

此外，聚酰胺酸酐具有良好的力学性能和热性能，也可用于外科缝合线[15]。

4.2.3组织工程材料组织l：程学是近l 0年来新兴的一门交叉科学，它是应用程学的原理和方法来了解正常和病理的哺乳类组织结构一功能关系，以及研制生物代用品以恢复、维持或改善其功能的一门科学口。

组织程等技术的创立标志着生物医学材料科学的发展进入了一个崭新的阶段。

组织工程的核心是建立南细胞和生物材料所构成的夏维复合体，其中由生物材料所构成的细胞支架的作用是为细胞增殖提供空间，使细胞按照生物材料支架的构形分化、增殖，最终成为所要求的组织或器官。