（有机化学专业论文）不同微生物环境下聚酯材料的降解性研究.pdf

不同微生物环境下聚酯材料的降解性研究 摘要 聚己内酯 p o l yc a p r o l a c t o n e p c l 聚乳酸 p o l yl a c t i ca c i d p l a 聚丁 二酸丁二醇酯 p o l yb u t y l e n e ss u c c i n a t e p b s 等脂肪族聚酯具有良好的生物 降解性 可以有效缓解传统塑料废弃后带来的环境负荷 是一类具有广阔应 用前景的可生物降解材料 目前对脂肪族聚酯的降解机理 降解速度控制等 方面是研究的主要热点 在降解机理的研究中 微生物参与的降解是目前研 究的前沿课题 本着对可生物降解塑料推广应用的宗旨 本研究将陕西普通土壤中存在 的细菌 真菌 霉菌及放线菌类作为研究对象 驯化 分离 筛选出能够降 解p c l p l a p b s 的菌株 通过考察其它地区土壤中这些菌株的量即可推 测出当地土壤对这几种可生物降解塑料是否有较好的降解能力 这对陕西甚 至中国北方废弃的可生物降解塑料的处理都具有特殊的意义 对可降解p c l p l a p b s 菌株的筛选是通过取一定量土壤稀释液放入 微生物各自生长所需的富集培养液中 然后在各自适宜的温度下 恒温水浴 振荡器中恒温培养 采用逐级驯化的方法 将无机培养液中的碳源 p c l p l a p b s 按l g m 5 9 l l o g m 分3 个梯度进行驯化 驯化后 在以聚 酯为唯一碳源的平板上进行划线分离 挑取优势菌落进行进一步分离 进行 菌株的初筛 再将初筛出的菌株经过复筛从中选出降解能力最佳的菌株 复 筛是通过降解过程中菌液的外观变化 聚酯膜的质量损失 降解前后膜的表 面形态变化等来进行分析的 在聚酯p c l p l a p b s 的降解性能研究中 p c l 采用琼脂板培养试验法 降解考察周期为2 0 天 p l a 和p b s 采用特定 菌株降解材料试验法 降解考察周期为3 0 天 四种菌类对p c l 都有较好的降解能力 通过平板培养和菌作用后膜表 面形态的观察 发现放线菌的降解能力最强 p c l 降解前后质量损失变化表 明真菌和细菌类也有一定的降解能力 降解2 0 天后都可达到1 7 以上 霉 菌的降解能力相对较弱 在细菌中降解能力最好的分别是蜡状芽孢杆菌和假 单胞菌 通过降解前后膜表面形态的变化 发现降解过程中菌的侵蚀作用主 要是从晶体中心开始的 对p l a 有降解能力的只有霉菌 3 0 天后最大质量损失率可达4 4 4 p l a 的降解性很明显 说明在所取土样的霉菌类中含有分解p l a 的脂肪酶 存在 微生物对p l a 的降解可分为三个阶段 每个阶段均是水解与微生物 的降解协同进行的 其中第二阶段微生物的降解占主导地位 对p b s 有降解能力的为霉菌和真菌 其中霉菌的降解能力最强 降解 3 0 天后最大质量损失率可达5 3 7 通过p b s 膜降解前后表面形态的观察 表明 微生物对p b s 的降解作用主要发生在膜的表面 用降解p c l 最好的菌株来降解p b s 时发现 虽然两者都为脂肪族聚酯 但最适宜降解p c l 的菌并不适于降解p b s 这是由于它们不同的化学结构 所决定的 对p c l p l a 和p b s 分别筛选出来有降解效果的菌类中都包含霉菌 说明霉菌对脂肪族的聚酯具有普遍的降解能力 关键词 脂肪族聚酯 生物降解 微生物 降解机理 b i o d e g r a d a b i l i t ys t u d yo f p o l y es t e ri nv a r i o u s m i c r o o r g a n i s m a b s t r a c t a l i p h a t i cp o l y e s t e r ss u c ha sp o l yc a p r o l a c t o n e p c l p o l y 1 a c t i ca c i d p l a a n dp o l y b u t y l e n e ss u c c i n a t e p b s a r ea l lh a v eg o o db i o d e g r a d a b i l i t y w h i c hc o u l dr e d u c et h ee n v i r o n m e n t a ll o a dm a d eb yt r a d i t i o n a lw a s t ep l a s t i c s e f f e c t i v e l y s oi ti st h eb i o d e g r a d a b l em a t e r i a lh a dt h eg r e a t e s ts i g n i f i c a n c ei n u s e n o w t h es t u d yo nd e g r a d a b l em e c h a n i s m t h ec o n t r o lo fd e g r a d i n gv e l o c i t y h a db e c o m et h eh o t s p o t i nr e s e a r c ho fd e g r a d a b l em e c h a n i s m t h ed e g r a d a t i o n j o i n e db y m i c r o b i a li st h ef r o n t i e rt o p i ci nt h i sr a n g e a i m e dt op o p u l a r i z et h ea p p l i c a t i o no fb i o d e g r a d a b l ep l a s t i c s t h i sw o r kp u t t h eb a c t e r i u m f u n g i m o u l da n da c t i n o m y c e t ee x i s t e di ns h a a n x ig e n e r a ls o i la s t h eo b je c tf o rr e s e a r c ha n dt r a i n e d s e p a r a t e da n ds e l e c e t dt h ee f f e c t i v es p e c i e s w h i c hc o u l dd e g r a d ep c l p l aa n dp b s t h r o u g hi n v e s t i g a t e dt h eq u a l i t y m i c r o o r g a n i s mo t h e rr e g i o n ss o i l t h es o i lw h e t h e rh a db i o d e g r a d a b i l i t yf o rt h e s e a l i p h a t i cp o l y e s t e r sc a nb ep r e s u m e d i tw i l lp l a yav e r yi m p o r t a n ti nd i s p o s i n g s c r a pp l a s t i ci ns h a a n x ie v e nt h ea l lc h i n an o r t h t h em i c r o o r g a n i s mf o rd e g r a d i n gp c l p l aa n dp b si ss e l e c e t dl i k et h i s p u tt h ec e r t a i na m o u n t ss o i ld i l u e n ti ne n r i c h m e n tc u l t u r em e d i u m u n d e rf i t t i n g t e m p e r a t u r e a n dt h a nc u l t i v a t e di nt h ew a t e rb a t ho s c i l l a t o r u s et h ef o l l o w i n g s t e pt o t r a i nt h eb a c t e r i u m p u tt h ec a r b o ns o u r c e sp c l p l aa n dp b si n i n o r g a n i cc u l t u r em e d i u m a n dt r a i n e df o rt h r e ep e r i o d so f1g m 5g l 10g l a f t e rt h a t u s ea l i p h a t i cp o l y e s t e r sa st h eo n l yc a r b o ns o u r c e st os c o r eo np l a t e m e d i u m t h eo p t i m a ls t r a i n si s s e l e c t e df o rf u r t h e rs e p a r a t i n g w h i c hi st h e p r i m a r ys e l e c t i o n t h er e p e a t e ds e l e c t i o nc o u l ds e l e c tt h em i c r o o r g a n i s mw i t h t h em o s td e g r a d a t i o np o w e r t h er e p e a t e ds e le c t i o nc o u l db e e na n a l y z e db yt h e c h a n g e da p p e a r a n c e o fb a c t e r i a ll i q u i d t h em a s sl o s so fp o l y e s t e rf i l ma n dt h e s u r f a c em o r p h o l o g yo ft h ef i l mp r e a n dp o s td e g r a d a t i o n i nt h es t u d yo ft h e b i o d e g r a d a b i l i t yo fp c l p l aa n dp b s t h eb i o d e g r a d a t i o ns t u d yo fp c la d o p t e d a g a rp l a t et r a i n i n ge x p e r i m e n t p l a a n dp b sa d o p t e ds p e c i f i cs t r a i nd e g r a d a t i o n i i i m a t e r i a le x p e r i m e n t t h et e s t i n gt i m ei s30d a y s t h e s ef o u rm i c r o o r g a n i s mc a na l ld e g r a d ep c l b yt h ei n v e s t i g a t i o no f p l a t ec u l t i v a t i o na n dt h es u r f a c em o r p h o l o g yo ft h ef i l mp r e a n dp o s td e g r a d a t i o n i ti sf o u n dt h ea c t i n o m y c e t eh a dt h eg r e a t e s tp o w e r t h em a s sl o s sc a ns h o w b a c t e r i u ma n df u n g ic a nd e g r a d ea l s o a f t e r2 0 d a y sd e g r a d a t i o ni ta l lc a nl o s s m o r e tt h a n17 t h ep o w e ro fm o u l di sr e l a t i v e l yf e e b l e i nb a c t e r i u mt h eb e s t k i n di sb a c i l l u sc e r e u sa n dp s e u d o m o n a s b yt h ei n v e s t i g a t i o no ft h es u r f a c e m o r p h o l o g yp r e a n dp o s td e g r a d a t i o n t h ee r o d ea c t i o ni sf o u n db e g i nf r o mt h e c e n t r a lo ft h ec r y s t a l f o rp l a o n l yt h em o u l dc a nd e g r a d ei t a f t e r30d a y sd e g r a d a t i o nt h em a s s l o s sc a nr e a c h4 4 4 a n dt h ed e g r a d a t i o ne x t e n ti so b v i o u s i ti ss h o w st h a ti n t h es o i lt h e r ea r es o m el i p a s e si nt h eg o tm o u l dw h i c hc a nd e g r a d ep l a t h e d e g r a d a t i o no fp l ac a ns e p a r a t e di nt h r e es t a g e s i nv e r ys t a g et h eh y d r o l y s i s a n de n z y m o l y s i sw e r ea l la c tt o g e t h e r i nt h es e c o n ds t a g et h ee n z y m o l y s i s p l a y e dt h ei m p o r t a n tr o l e f o rp b s t h em o u l da n db a c t e r i u mh a dt h ed e g r a d a b l ep o w e r a n dm o u l di s b e s t a f t e r3 0d a y sd e g r a d a t i o nt h em a s sl o s si s5 3 7 b yt h ei n v e s t i g a t i o no f t h es u r f a c em o r p h o l o g yp r e a n dp o s td e g r a d a t i o n i ti ss h o w e d t h ed e g r a d a t i o n o fp bsi so c c u r r e da l m o s to nt h es u r f a c eo ft h ef i l m u s et h em i c r o o r g a n i s mw h i c hc a nd e g r a d ep c lb e s tt od e g r a d ep b s t h o u g hp c la n dp b sa r ea l la l i p h a t i cp o l y e s t e r s t h em i c r o o r g a n i s mw h i c hc o u l d d e g r a d ep c le a s i l yi sn o ts u i t a b l et od e g r a d ep b s t h i si sd u et ot h ed i f f e r e n c e c h e m i c a ls t r u c t u r eo ft h e m f o rp c l p l aa n dp b s t h ea c t i o nm i c r o o r g a n i s ma l lc o n t a i nm o u l d i t s h o w st h a tm o u l dh a dt h eg e n e r a lp o w e rt od e g r a d ea l i p h a t i cp o l y e s t e r s k e yw o r d s a l i p h a t i cp o l y e s t e r s b i o d e g r a d a t i o n m i c r o o r g a n i s m d e g r a d a t i o nm e c h a n i s m i v 陕西科技大学硕十学位论文 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立 进行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不包含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果 对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 一量莹一 日 期 垫q 星生 旦 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留 使用学位论文的规定 同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论 文被查阅和借阅 本人授权陕西科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文 同时授权中国科学技术信息研究所将本学 住论文收录到 中国学位论文全文数据库 并通过网络向社会公众提供 信息服务 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 互导师签名 数日期 至q q 墨 主丛 不同微生物环境下聚酯材料的降解性研究 1 前言 1 1 研究背景 目前 越来越多的高分子材料进入了国民经济各部门以及人民生活等各个领域 并 获得了愈来愈广泛的应用 已成为现代社会生活中不可缺少的材料 高分子材料由于原 料来源丰富 品种繁多 综合性能优异 价格低廉 易成型加工等特性 用途广泛 因 此在材料领域中的地位日益突出 增长最快 高分子材料不仅为工农业生产及人们的日 常生活提供不可缺少的材料 而且为发展高新技术提供更多更有效的高性能结构材料 高功能材料以及满足各种特殊用途的专用材料 另一方面 地球上的石油资源也越来越少 这也迫使人类寻找和发展新的能源和材 料 用一种新型的高分子材料来代替现在使用的由石油资源得到的高分子材料 因此 越来越多高分子材料的使用 有效地降低了人类对日益减少的不可再生资源的依赖 但 是 高分子材料优良的稳定性导致了它在自然界中的分解时间过长 有的甚至根本不分 解 其中含有的有毒有害物质 l 还对环境造成严重的污染 如残弃的塑料膜存在于土壤 中阻碍农作物根系的发育和对水分 养分的吸收使土壤透气性降低导致农作物减产 动 物食用残弃的塑料膜后会造成肠梗阻而死亡 流失到海洋中或废弃在海洋中的合成纤维 渔网和钓线己对海洋生物造成了相当的危害 这些都已经成为倍受关注的全球性问题 高分子材料在给人们生活带来极大便利的同时 其大量使用后产生的废弃物也与 日俱增 给人类赖以生存的自然环境带来了沉重的压力 目前废弃高分子材料可以采 用的处理方法主要有焚烧法 填埋法和回收利用法 填埋法 这是处理塑料垃圾最常用的方法 但也存在着许多的问题 1 垃圾中有害 气体的释放 造成大气污染 2 垃圾中含有病原微生物 在堆放腐败过程中还会产生大 量的酸性和碱性有机污染物 这些污染源溶入地下水 便会造成地下水源的污染 而且 引来的苍蝇 蚊子 老鼠等传播疾病 危害人民的身体健康 3 侵占大量土地 焚烧法 是使固体废弃物中的可燃成分在焚烧炉内被充分氧化分解 从而变成无机 残渣的技术 焚烧垃圾主要用于回收利用热能发电 但焚烧产生大量的粉尘和二氧化碳 气体 把垃圾污染变成了大气污染 回收利用法 是指将废弃的塑料垃圾分类回收再利用的技术 回收利用存在的问题 也很多 但主要是处理成本较高 不能大范围的推广 因此 上述三种方法都无法从根本上解决高分子材料带来的温室效应及对空气 土壤 水源污染等严重的环境问题 面对日益枯竭的石油资源 从环境保护和经济价 值两方面考虑 研究开发可生物降解材料是解决 白色污染 的最佳出路 5 7 希望材料 能从土壤中来再返回到土壤中去 在土壤中降解后生成二氧化碳 水和有机肥料 不 陕西科技人学硕十学位论文 对土壤造成任何影响 因此发展生物可降解材料不仅是从根本上解决由废弃高分子材 料带来的环境问题的一个有效方法 而且也是解决地球石油资源短缺问题 保护生态 环境 保证社会经济和环境的可持续性发展的一个必要手段 在可生物降解材料的研究中 除天然高分子材料如淀粉基塑料外 研究的热点是以 脂肪族聚酯为代表的可生物降解高分子材料 脂肪族聚酯被认为是最具有经济价值的可 生物降解聚酯 8 脂肪族聚酯具有与自然有机物类似的结构和官能团 其主链有足够的 柔性与自然界存在的酶 如脂肪酶 的活性点结合 而被这些酶非特异性降解 相反 绝 大多数芳香族聚酯虽然主链上也含有酯基官能团 但由于其结构过于刚性 难以形成与 酶的活性点的结合 故不易被生物降解 9 1 0 1 1 2 生物降解性高分子材料的分类 生物降解高分子材料己经成为当今研究的热点 随着社会的发展和生活水平的提高 人们越来越重视身体的健康和生存环境的保护 而生物降解高分子在这两方面都能发挥 其独特的作用 这是因为这种材料既具有普通高分子材料的重量轻 强度高 易加工及 价格便宜等优点 又能在发挥作用 使用之后完全降解消失 因而具有广阔的应用前景 例如 在日常生活中 用生物降解高分子材料制成的塑料制品 在使用之后能被土壤中 的微生物降解消失 不会像其它塑料制品 如聚乙烯形成大量的固体垃圾 造成环境污 染 生物降解高分子在医学上可用作临时性的医疗材料 如手术缝合线 骨折固定材料 和控制药物释放的载体等 它在伤口愈合后 能在体内降解成小分子被吸收或排出体外 因而无需拆线等术后处理 减轻了病人的痛苦 简化了手术程序并提高了治疗效果 这 一优点正源于其生物降解特性 也是其他高分子材料所没有的 因此 生物降解高分子 材料的研究和开发 与提高人们的生活质量息息相关 目前己经商业化的可生物降解聚 合物主要有脂肪族聚酯 聚醚 聚乙烯醇和聚多糖 l2 1 生物降解塑料与普通塑料的使用功能相同 但前者废弃后可被自然界中的微生物分 解成水和二氧化碳 其优点如下 垃圾在有机肥料中易于分解且不影响有机肥料的质 量 避免了焚烧法带来的二恶英等有害物质的产生 可与垃圾一起处理 也可堆肥 按照国际标准化机构 i s o 和美国材料实验协会的定义 可降解高分子材料是指该材 料在特定的环境条件下能够在化学结构上产生重要的变化 在规定的时期内 用高分子 材料使用的标准化测试方法能够检测到变化时一些特性的损失 生物可降解材料是指一 种可以通过自然界的微生物 如细菌 真菌和藻类的生命活动降解的材料 1 2 1 按生物降解过程分类 根据其生物降解过程 生物降解高分子大致可分为完全生物降解高分子和生物破坏 2 不同微生物环境下聚酯材料的降解性研究 性高分子两种 1 完全生物降解高分子材料 如天然高分子纤维素 人工合成的聚己内酯等 其生物降解通常是指在微生物活性 酶参与的作用下 酶进入聚合物的活性位置并渗透至聚合物的作用点后使聚合物发生水 解反应 从而使聚合物的大分子骨架结构发生断裂成为小的链段并最终形成二氧化碳和 水的降解过程 1 3 1 微生物降解反应示意如图1 1 酶攻击 微生物 水解 材料表面侵蚀 卜材料碎片 c 0 2 h 2 0 图l l 微生物降解反厘过程 f i g u r e1 1 t h ep r o c e s so f m i c r o b i a ld e g r a d a t i o n 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碎片 如淀粉和聚乙烯的掺混物 其 分解作用主要由于添加剂被破坏并削弱了聚合物链 使聚合物分子量降解到微生物能够 消化的程度 最后分解为二氧化碳和水 l 引 1 2 2 按生产方法分类 根据生产方法 生物降解高分子又可分为微生物生产高分子 天然高分子及其改性 产物和合成高分子材料三种 1 微生物生产高分子 通过微生物发酵获得高分子材料 这类产品具有较高的生物分解性 但价格昂贵 目前只在高档消费品中应用 1 5 1 6 1 2 天然高分子及其改性产物 天然高分子型生物降解材料是利用可再生的天然资源制备而成 主要有胶原 海藻 酸钠 明胶 透明质酸等 其次是淀粉及纤维素衍生物 如糊精 低聚糖 甲壳素等 它们具有很好的完全生物降解性和透气性 国内外对这类材料的应用研究较多 在医学 领域如国外开发了乳化性 成膜性及致密性好的淀粉衍生物作为医药微胶囊的壁材 此 外明胶 酪蛋白 大豆蛋白等也是很好的药物控释材料 这类材料无毒或毒性很小 粘 度大 易成膜 但机械强度差 其中淀粉及纤维素不耐酸 不耐高温 易水解 我国对 以淀粉为原料 添加极少量增塑剂等助剂制成的热塑性塑料进行了研究 其降解性能非 常好 3 合成高分子材料 合成生物降解高分子材料大多是在分子结构中引入酯基结构的脂肪族聚酯而成 主 要有聚酯 聚醚 聚酞胺等 这类材料多数属于能够在温和条件下发生水解的高分子材 3 肪 踟 月 1 i i 陕西科技大学硕十学位论文 料 在自然界降解过程中 其酯基易被微生物或酶分解 与天然高分子材料相比具有更 好的生物相容性 能够在生物环境中保持较好的机械性能 并且容易通过化学或物理修 饰进行控制 如可以调节其化学结构 控制其降解速率 亲水性及力学性能等 因此具 有更广泛的用途 如日本昭和高分子公司运用分子工程学进行分子设计合成的产品 b i o n o l l e 它具有耐热性好 成型加工性好以及能够生物降解的性能 如今己成为研究开 发热点的聚乙烯醇 e v a 和主要活跃在医用领域的聚乳酸 p l a 聚己内酯 p c l 等 此 外 还有二元酸二元醇酯系列中的聚琥珀酸丁二醇酯 p b s 等 p c l 是一种半结晶性聚合物 它具有优良的生物降解性 药物透过性 生物相容性 以及原料易得等优势 是被广泛研究的生物降解性控释载体 p c l 是利用 己内酯开环 聚合得到的线型聚合物 是一种热塑性结晶性聚酯 其结构重复单元上有5 个非极性亚 甲基一c h 2 和一个极性酯基 c o o 即 c o o c h 2 c h 2 c h 2 c h 2 c h 2 这样的结构使p c l 具有很好的柔韧性和加工性 其熔点为5 9 6 4 玻璃化温度为 6 0 p c l 由于它的主 要缺点是t g 较低 熔点低 分解温度约为2 5 0 这些限制了p c l 的广泛应用 1 7 j p c l 的刚性与中密度聚乙烯相近 具有腊状手感 并与多种聚合物有较好的相容性 p c l 与 其他可生物降解材料的共混或共聚改性大多集中发生在p c l 与p l a 之间或它们的单体 之间 p c l 强度低 但韧性好 p l a 很脆 但强度高 二者的共混物或它们的单体共聚 物可优势互补 l8 1 其加工方法可用通用塑料加工方式进行热塑性加工 可制成薄膜及其 他包装材料 p c l 可用作聚氯乙烯的固态塑化剂或用于聚氨酯的添加剂 后来围绕它的 生物降解性又开发了许多新的应用领域 如药物的可控释放 可降解包装软材料和人体 组织工程等 还有望在疫苗方面得到应用 目前这些应用已成为p c l 的主要应用领域 其中p c l 在骨组织工程中的应用最广 因为p c l 降解速度慢 所以力学性能维持时间 长 这也是p c l 的一个特点 用不同的加工工艺及与不同的可生物降解材料聚合 能得 到不同特性的材料 以满足生物医学工程的不同要求 聚乳酸 p l a l 也称聚丙交酯 是一种无毒 具有适宜的生物降解特性 同时具有 良好生物相容性 是目前最有前途的可生物降解聚合物之一 在自然界中并不存在 一 般通过人工合成制得 作为原料的乳酸则是由发酵而来 它的原材料 淀粉和纤维素 是 不会增加大气中二氧化碳的农产品 p l a 的性能优于其他可生物降解聚合物 而且其成 本将来也会大大降低 目前p l a 的初始原料主要是淀粉 例如玉米 小麦中的淀粉 p l a 具有较好的机械强度 弹性模量和热成型性 通过调节其分子量 选择不同的聚合方式 及成型手段 可以调节并控制p l a 的力学性能 降解速度 可以满足不同的需求 在医 用领域广泛应用 因而对它的研究开发也极为活跃 p l a 属合成直链脂肪族聚酯 目前 合成p l a 的方法主要有直接缩聚法 丙交酯开环聚合法 反应挤出聚合法 直接一固相 聚合法等 通过乳酸环化二聚物的化学聚合或乳酸的直接聚合可以得到高相对分子量的 4 不同微生物环境下聚酯材料的降解性研究 p l a 由于在结构上0 位有甲基存在 使得乳酸二聚体具有光学活性 即存在左旋 l 右旋 d 和消旋 d l 种光学异构体 则p l a 存在聚左旋丙交酯 p l l a 聚右旋丙交酯 p d l a 和聚消旋丙交酯 p d l l a 常用易得的是p l l a 和p d l l a 其中 p l l a 为热塑 性高分子 熔融 溶液状态均可结晶 结晶率6 0 左右 t g 和t m 分别为5 8 2 1 5 p d l l a 由于光学活性异构体的无规分布 形成无定形非晶态 t g 为5 8 无熔融温度 p l a 作为可完全生物降解性塑料 在许多领域都得到了广泛使用 p l a 可制成农用薄膜 纸代用品 包装薄膜 食品容器 生活垃圾袋等 p l a 最重要的应用还是在生物医学领 域上 它优良的生物相容性 无毒 可生物降解 降解产物不会在重要器官聚集 同时 p l a 及其共聚物自身特有的优良性能也使其具有不可替代的作用 它可用作医用缝合线 1 9 这种缝合线既能满足缝孔强度要求 又能随伤口愈合而被机体缓慢分解吸收 无须 拆线 尤其适合深部组织的缝合 也可作为药物释放的载体 2 0 1 是使用p l a 制备药物缓 释胶囊 可让药物定量持续释放 由于p l a 在人体内被分解成l 乳酸 为人体所代谢 无生理排异现象 只要控制好给药量和胶囊材质的降解速度 就能达到平衡供药目的 此外还可作为骨固定及修复材料 2 l 及组织工程支架 聚丁二酸丁二醇酯 p b s 自上个世纪三十年代被c a r o t h f f s 等人合成以来 现在已 被广泛的研究和开发 其物理机械性能可采用共聚法改性 乙烯与其他单体共聚制成的 生物降解高分子材料 具有良好的生物降解性和优良的力学性能 是一种有潜力的降解 性高分子材料 2 2 2 9 1 大多脂肪族聚酯的熔点较低 不能单独作为塑料使用 而脂肪族聚 酯中的p b s 却具有良好的生物降解性和机械加工性 p b s 还是一种典型的半晶质的热塑 性塑料 比起低密度的聚乙烯 它拥有良好的加工性能 弹性和强度 它的共聚物和共 混物正越来越多被开发研究 日本的s h o w ap o l y m e rl t d c o 现在已经将其商业化 开 发出大量的包装袋等用品 p b s 是通过丁二酸与1 4 丁二醇缩聚得到的 p b s 的合成方法主要有三种 直接酯化法 丁二酸与1 4 丁二醇直接缩聚得到p b s 合成由两步完成 先在较低的 反应温度下将丁二酸与过量的1 4 一丁二醇进行酯化 形成端羟基预聚物 然后在高温 高真空和催化剂的存在下脱除1 4 丁二醇 得到p b s 酯交换反应法 丁二酸二甲酯 与等量的1 4 丁二醇在催化剂存在下 在高温 高真空度条件下 脱甲醇进行酯交换 反应得到p b s 扩链反应法 直接酯化法和酯交换反应法在反应过程中需不断排除小 分子物质 以获得相应相对分子质量的p b s 为进一步提高p b s 的相对分子质量 常 选择扩链反应法 利用扩链剂的活性基团与p b s 的端羟基反应 提高p b s 的相对分子 质量 常用的扩链剂主要有酸酐和二异氰酸酯掣3 0 陕两科技大学硕士学位论文 1 3 生物降解性的评价 1 9 9 4 年 第4 3 届国际标准组织 i s o 会议上讨论了材料的生物降解性评价问题 3 l 3 2 1 可生物降解的试验评价己经进行了三十多年 很多国家都提出了一些试验评价方法 同 时也制订了一系列标准 3 3 3 5 1 对生物降解的评价是在降解过程中考察的 因此评价方法 常和降解方法一致 因此目前 国内外对于聚合物的生物降解性的评价方法 主要有以 下几种 1 3 1 土埋法 土埋法可分为室外和室内两种 指将生物降解材料试样埋于自然环境的土壤中 利 用自然界中存在的微生物来进行降解的方法 降解一定时间后通过测定试样重量损失或 借助现代化分析手段 如显微镜 s e m f t i r n m r x 射线衍射 光电子能谱 x p s 等观测试样孔洞 脆裂等外观的变化以及试样结构 分子量及其分布的变化等来评价塑 料的生物降解性 这种方法最大的优点是能实际反映生物降解材料在自然界中的降解情 况 但室外试验由于受土质 季节 环境等因素的不同降解程度也不一样 重复性差 室内试验若不对微生物另加培养则周期较长 而且代谢机理不明确 分解产物确定不了 尽管土埋法存在种种弊端 但其操作简单 过程接近自然降解 因而仍被广泛用作塑料 生物降解性的评价方法 3 引 1 3 2 特定酶降解试验法 酶是一种结构复杂 带有亲水性基团的高分子蛋白质 酶的作用具有很强的选择性 一般只对脂肪族聚酯 聚氨酯 聚酞胺等和天然大分子结构相似的材料作用敏感 此法 是在一定的温度下 将试样加到一定p h 值的特定酶溶液中 通过测定一定时间内溶液 中总碳量或生化需氧量 b o d 的增加或c 0 2 的释放量以及试样的强度 形态 失重等 来评价试样的生物降解性 此法试验时间短 同时重复性好 可定量 适于降解机理及 生成物的研究 最近几年越来越多的研究者采用测定c 0 2 释放量作为塑料生物降解性的 评价方法 李云政等人通过间接测定c 0 2 释放量建立了一种在可控条件下测定塑料生 物降解性的评价方法 4 0 1 为我国相关标准的确定奠定了一定的基础 但缺点是不能追踪 实验过程的降解中间产物 1 3 3 放射性同位素示踪法 该法是通过闪烁计数器测出有1 4 c 标记的样品在试验环境作用下放出1 4 c 0 2 的量 从而确定试样的生物降解性 此方法的优点是数据结果可靠 不受试样或试验系统中生 物降解杂质或添加剂的影响 适于对聚合物的降解机理进行研究 缺点是难以得到有标 记的聚合物试样 同时 此法需要特殊设备及要求对系统进行严格控制 6 不同微生物环境下聚酯材料的降解性研究 1 3 4 生物体内试验法 用作医学材料的生物降解聚合物要求具有生物相容性 使用后可逐渐自行消失 如 用作整形外科的植入材料 手术缝合线等 这时就要进行生物体内降解试验 方法是把 聚合物试样植入小动物体内 定期取出试样观察聚合物的重量分子量及其分布 组成及 结构的变化 来确定材料在生物体内的降解性 4 1 1 1 3 5 力学依据 通过测定塑料样品在实验前后力学性能的变化 如测定其伸长率 拉伸强度 冲击 强度等的变化 并与非降解塑料样品最对比来评价塑料的生物降解性能 1 3 6 琼脂板培养试验法 该试验是根据试样表面上菌株的生长情况分级表示 级数越高 表示该试样越容易 受菌株侵蚀破坏 试验时先将聚合物试样置于不含有其它碳源的无机盐琼脂上 琼脂量 一定 然后在试样和琼脂表面喷上或涂上含有己知种类的标准混合培养菌 最后再将培 养皿封好 并在恒温下培养2 1 2 8 天 观测试样上微生物菌的生长情况 此试验方法可 适用于任何厚度的样品 但对试样表面污染十分敏感 测试时要特别小心 此方法也是对可生物降解材料最常用的降解方法之一 在进行降解考察时 主要是 以降解的膜为研究对象 试验时先将裁剪好一定尺寸的聚合物试样置于以聚合物试样为 唯一碳源的无机盐琼脂上 琼脂量每次一定 然后在试样和琼脂表面喷上或涂上含有己 知种类和浓度的菌株 最后再将培养皿封好 并在该菌株适宜的温度下恒温培养数天 每隔一定时间取一次样并进行相关考察 根据所得数据 判断降解效果及降解机制 1 4 高分子生物降解性的影响因素 生物降解高分子材料在制造和使用过程中应保持稳定 而在废弃后适宜的时间内应 迅速被降解 就需兼备良好的生物降解性 物理机械性能 可加工性及其它根据特定需 要应满足的性能 如生物相容性等 而影响其生物降解性的因素是人们关注的焦点之一 对材料的生物降解性能起着重要作用的有几个方面 内部因素 外部因素以及外加 干扰因素 4 2 其内部因素有化学组成 4 3 1 化学结构 删 结晶状态 4 5 结晶度等 外部 因素有自然环境中的土壤成分 4 6 1 微生物的种类 4 7 1 温度 湿度 p h 值等 外加干扰 因素有材料中的各种添加剂 阻燃剂 抗氧化剂等 环境中存在的金属离子及其他化合 物等 1 4 1 影响材料生物降解性能的内部因素 1 化学组成及结构 材料的降解机理有两种假设 一是从分子主链中选择性切断 另一种是从分子链末 7 陕两科技大学硕士学位论文 端侵入式切断 因而材料的化学组成 主 侧链 端基结构 空间位阻的有无是影响其 降解性能的重要因素 4 8 1 在高分子材料的主链结构中含有易水解的键则易被生物降解 主链的柔顺性大 则降解速率快 主链的刚性大 排列有序则降解速率慢 支化和交联 会降低高分子材料的生物降解性 4 9 1 如在p l a 聚乳酸 分子链端引入疏水基团可降低 降解最初阶段的侵蚀率 这是因为在降解原始阶段p l a 的侵蚀主要依赖于分子的链端结 构 疏水基团的存在或增加 导致其侵蚀率下降 5 们 2 结晶状态 材料的结晶状态主要是指结晶的表面形态和结晶度 结晶状态对材料的降解性能有 着重要的影响作用 材料具有极性 局部结晶是生物降解的必要条件 5 l 材料的不同表面纹理对共聚多醚类生物可降解性能有着不同的作用 5 2 对于多晶型 来说 多形态结晶的表面结构才是影响其生物降解能力的主要因素 5 3 陈珊等用青霉对p h b 聚羟基丁酸酯 膜的生物降解研究中发现 降解首先发生在 p h b 膜表面的非晶领域 随后结晶领域才开始降解 5 4 1 这是因为p h b 的结晶部分具有 较高的有序性和较大的密度 微生物酶不能直接进入到p h b 的结晶中而引起降解 所 以微生物首先进攻密度低 松散的非晶领域 当非晶领域降解后 p h b 结晶领域的表 面便会形成很多的自由端基 这些自由端基具有较大的活动能力 导致p h b 的结晶 表面形成非晶过渡层 p h b 结晶逐渐被破坏 随后p h b 降解微生物酶继续对非晶领域 的作用 直至使p h b 完全降解 f u k u z a k ih 等 5 5 研究了低分子量的p l l a p d l a 左旋聚乳酸 右旋聚乳酸 在不同 类型微生物酶中的降解情况 发现在p l l a p d l a 的共聚物中 l 聚乳酸含量在1 6 8 0 范围内的无定型共聚物比部分结晶的共聚物更容易受到微生物的作用 无定型的 p l l a p d l a 共聚物的降解速度比部分结晶的p l l a p d l a 降解要快的多 同样l i j i a n l i u 等 5 6 在用k 蛋白酶降解聚乳酸的研究中 也证明了k 蛋白酶优先降解p l l a 的无定型 领域 而难于进攻其结晶领域 因此降解速度很慢 王身国等研究发现 57 聚合物酯基的降解速度随着无定形领域的增多而加快 在 p l a p g a 聚乙醇酸 共聚物中 由于羟基乙酸的存在 降低了共聚物的结晶度 使得 聚合物的降解速度得到提高f 5 8 1 对于结晶度低的共聚物降解的同时还会有伴随着水解的 共同作用 在此时可能微生物酶的作用要小 水解速度是控制降解是一个重要因素 聚乳酸在蛋白酶作用下降解的相关研究报道很多 s m 等 5 9 认为 在降解过程中 聚乳酸的结晶度是逐渐增加的 而水解速率逐渐减小 他分析为 结晶度的增加可能是 由于无定型领域的水解使得剩余领域中结晶相的比例增加所致 也有人认为咖 结晶度 增加 可能是因为其无定型领域降解速度快 生成的短链产物迅速增加 分子链重排也 可能导致结晶度增加 k i k k a w ay 等 6 l 用不可结晶的和可结晶的聚乳酸做对比 探讨它 不同微生物环境下聚酯材料的降解性研究 们在k 蛋白酶缓冲溶液中的降解情况 在降解初期可以直接观察到 聚乳酸晶体周围的 无定形区域优先降解 然而在晶体和玻璃状下层间的无定形区域的降解速率则缓慢 在 降解p l l a 的过程中 发现晶体p l l a 薄膜在降解过程中没有大的变化 而在碱性水解 中薄膜减少很快 他们的结论是 纯晶体的p l l a 降解优先出现在晶体边缘而不是排 列整齐的表面 而碱性水解则同时侵蚀晶体的边缘和表面 t s u j i 6 2 也研究了在k 蛋白 酶作用下p l l a 膜降解过程中晶粒的影响 发现和晶粒之间的无定性区域相比 降解主 要发生在晶粒外界的无定形区域 1 4 2 影响材料生物降解的外部因素 1 微生物的种类和活性 微生物的种类和微生物的活性对材料的降解具有很大的影响 如能降解脂肪族聚酯 的主要是脂肪酶 其它的微生物种类对脂肪族聚酯几乎没有降解作用 自然界中能产生 脂肪酶的微生物资源丰富 从分类上看 主要是真菌 细菌 假单胞茵等 放线菌中个 别种类也能产生一定量脂肪酶 6 3 1 且微生物酶的选择具有专一性 脂肪族聚酯以微生物 脂肪酶降解为主 其基本原理是由微生物分泌的脂肪酶对聚酯中的酯键进行水解 无论 体内降解还是体外降解 由于大多数聚酯为间接的 分几步进行的生物降解过程 因此 各类聚酯的生物降解性与水解有关 降解速度也会因之不同 水解在整个聚合物内发生 降解性好 但如果微生物不能达到聚合物内部 进一步的降解只能在聚合物表面发生 脂肪酶是一类特殊酯键水解酶 来源不同的脂肪酶 其分子结构 特别是活性中心 结构不同 而分子结构是脂肪酶催化剂研究基础 脂肪酶基