塑料知识丨生物降解材料的降解机理、特点及应用

近年来，随着经济的飞速发展，人们对物质和精神的追求越来越高，对产品的包装也相应的有了更高要求，人们在购买产品时，不仅看外包装的美观程度，还考虑其他各种各样的功能。正是由于人们对产品包装的追求不断提升，很多新型包装材料不断被应用到产品包装中。 

合成高分子材料具有质轻、强度高、化学稳定性好以及价格低廉等优点，与钢铁、木材、水泥并列成为国民经济的四大支柱，被广泛应用到产品的包装中。然而,其使用后的大量废弃物也与日俱增，成为白色污染源，严重危害环境,造成下水及土壤污染，危害人类生存与健康，给人类赖以生存的环境造成了不可忽视的负面影响。

另外，生产合成高分子材料的原料——石油也总有用尽的一天，因而,寻找新的环境友好型材料，发展非石油基聚合物迫在眉睫，而可生物降解材料正是解决这方面问题的有效途径。

可生物降解材料定义及降解机理

生物降解材料，亦称为“绿色生态材料”，指的是在土壤微生物和酶的作用下能降解的材料。具体地讲，就是指在一定条件下，能在细菌、霉菌、藻类等自然界的微生物作用下，导致生物降解的高分子材料。

理想的可生物降解材料是一种具有优良的使用性能、废弃后可被环境微生物完全分解、最终转化成CO₂ 和H₂O而成为自然界中碳素循环的一个组成部分的高分子材料。

生物降解材料的分解主要是通过微生物的作用，因而，生物降解材料的降解机理即材料被细菌、霉菌等作用消化吸收的过程。首先，微生物向体外分泌水解酶与材料表面结合，通过水解切断表面的高分子链，生成小分子量的化合物，然后降解的生成物被微生物摄入体内，经过种种代谢路线，合成微生物体物或转化为微生物活动的能量，最终转化成水和二氧化碳。按其降解的化学本质则分为水解和酶解两种。

01水解机理

材料的降解实质上是其内部的高分子链段在特定条件下断裂成低分子量的寡聚物，并最终分解为单体的过程。材料的“溶蚀”则是指由于分子链发生断裂，形成的水溶性小分子物质离开聚合物材料，导致材料的力学性能降低，材料最终完全消失的过程，溶蚀又可表面溶蚀和整体溶蚀。 

如果分子链段的降解速度比水分子在材料中的扩散速度快，链段的水解限制在材料表面，而很难进入到材料的内部，这种方式属于表面溶蚀或异相溶蚀，如果水分子在材料的扩散速度比高分子链段的水解速度快，那么材料表面和内部的降解同时进行，因此属于整体溶蚀。

02酶解机理

酶促水解机理

对于易水解的聚合物，在体内可能同时存在单纯的水解和酶催化水解两种作用。脂肪酶能促进聚酯分解，而水解酶可促进易水解聚合物的降解。脂肪酶R.delemer lipase、Rhizopus arrhizus lipase、Pseudomnas lipase为PCL的特异性降解酶,在这些酶存在下，PCL降解速度加快,在通常情况下完全降解需要2-3年，而在酶的存在下完全降解时间缩短为几天。

酶促氧化机理

对一些非水解性聚合物，其可能的降解机理是酶促氧化机理。免疫组织学研究证实，材料在体内最后通过吞噬细胞内吞作用而被吸收代谢的。高分子生物材料植入体内后,在局部会引起不同程度的急性炎症反应，当组织受到损伤后，周围血管的通透性发生变化,多核白细胞迅速向炎症部位移动，被激活的中性粒细胞能使单核细胞分化为巨噬细胞。多形核白细胞和巨噬细胞的代谢产生出大量的过氧阴离子（O₂），这种不稳定的中间体进而转换为更强的氧化剂过氧化氢。体内的还原型辅（fu）酶(NADPH)，氧化酶都参与了这个转化反应，而过氧化歧化酶(SOD)则起到加速转化的作用。过氧化氢有可能在植入部位引发聚合物自身分解反应；同时过氧化氢在肌过氧化酶(MPO)的作用下可进一步转化为次氯酸。次氯酸也是一种生物材料的强氧化剂，可氧化聚酰胺、聚脲、聚氨酯中的氨基，使高分子链断开，从而达到降解的作用。

PLA

在生物可降解材料中，对降解起主要作用的是细菌、霉菌、真菌和放线菌等微生物，按其降解作用的形式又可分为3种：

1、生物的物理作用，由于生物细胞的增长而使材料发生机械性毁坏；

2、生物的生化作用，微生物对材料作用而产生新的物质；

3、酶的直接作用，微生物侵蚀材料制品部分成分进而导致材料分解或氧化崩溃。

 

可生物降解材料的特点

生物降解材料具有以下特点：

1、可与垃圾一起处理，也可制成堆肥回归大自然；

2、因降解而使其体积减小，延长填埋场使用寿命；

3、不存在普通塑料需要焚烧的问题,可抑制二嗯英等有害气体的排放；

4、可减少随意丢弃对野生动植物的危害；

5、储存运输方便，只要保持干燥,不需避光；

6、应用范围广，不但可以应用于农业和包装行业,还可以广泛应用于医疗行业。

 

可生物降解材料的应用

生物降解材料是20世纪80年代后随着环境、能源等矛盾的突出而发展起来的新型材料，可以部分代替通用塑料，医用、包装和纤维是其三大热门应用领域。

其中，特别随着“禁塑令”施行之后，无论是外卖店、茶饮店都在将塑料吸管替换为纸质或可降解材料的吸管，还是大型商超普遍将付费塑料袋更换为可降解塑料袋。可降解制品已经以更多元的形式，进入到大众生活当中。