生物可降解材料

1、2021-7-8 无机生物材料 生物降解材料概况生物降解材料概况 生物降解材料是20世纪80年代后随着环境、能源等矛盾 的凸显而发展起来的新型材料，作为一种可自然降解的材料， 在环保方面起到了独特的作用，其研究和开发已得到迅速发展， 作为解决“白色污染”最为有效的途径，已引起环境专家、材 料学家及更多领域人士的关注。 据美国ASTM（材料和实验协会）定义：生物降解材料是 在细菌、真菌、藻类等自然界存在的微生物作用下能发生化学、 生物或物理作用而降解或酶解的高分子材料。 1 2021-7-8 无机生物材料 生物降解材料的种类与性能生物降解材料的种类与性能 主要包括聚-羟基丁 酸酯(PHB)、聚羟

2、基 戊酸酯等，它们同属 于聚羟基烷酸酯 (PHA)。其中，聚羟 基丁酸是低毒材料， 目前已被用于药物控 释、缝合线和人工皮 肤等。 大多是在分子 结构中引入酯 基的脂肪族聚 酯，其制备方 法主要包括缩 合聚合和开环 聚合。 由生物体内提 取或自然环境 中直接得到的 一类大分子， 具有良好的生 物相容性和可 降解性，但机 械性能较差。 天然高分天然高分 子可降解子可降解 材料材料 微生物合微生物合 成的可降成的可降 解材料解材料 人工合成人工合成 可降解材可降解材 料料 按照结构与组成，可分为天按照结构与组成，可分为天 然蛋白质、多糖及其衍生物，然蛋白质、多糖及其衍生物， 此外还包括一些生物合成

3、聚此外还包括一些生物合成聚 酯。典型的蛋白类、多糖类酯。典型的蛋白类、多糖类 物质及其衍生物有胶原、胶、物质及其衍生物有胶原、胶、 环糊精、淀粉、葡聚糖、壳环糊精、淀粉、葡聚糖、壳 壳糖、透明质酸、纤维素、壳糖、透明质酸、纤维素、 海藻酸衍生物、硫酸软骨素海藻酸衍生物、硫酸软骨素 和肝素等。和肝素等。 但高分子量的聚酯，只能通过开但高分子量的聚酯，只能通过开 环聚合方法合成，因为缩聚反应环聚合方法合成，因为缩聚反应 受反应程度和反应过程中产生的受反应程度和反应过程中产生的 水的影响，很难获得高分子量的水的影响，很难获得高分子量的 产物。目前已开发的主要产品有产物。目前已开发的主要产品有 聚乳酸

4、聚乳酸(PLA)、聚己内酯、聚己内酯 (PCL)、聚乙醇酸、聚乙醇酸(PGA)、聚、聚 乙醇酸交酯、聚丙醇酸交酯、聚乙醇酸交酯、聚丙醇酸交酯、聚 琥珀酸丁二酯琥珀酸丁二酯(PBS)等。等。 2 2021-7-8 无机生物材料 生物降解材料的可降解机理生物降解材料的可降解机理 由于生物细胞由于生物细胞 增长而使聚合增长而使聚合 物组分水解、物组分水解、 电离或质子化电离或质子化 而发生机械性而发生机械性 破坏，分裂成破坏，分裂成 低聚物碎片低聚物碎片 微生物侵蚀导微生物侵蚀导 致材料分裂致材料分裂 或氧化崩裂或氧化崩裂 微生物对聚合微生物对聚合 物作用而产生物作用而产生 新物质新物质(CH4 ，

5、CO2和和 H2O) 生物降解材料的生物降解，是指生物降解材生物降解材料的生物降解，是指生物降解材 料在生物作用下发生降解、同化的过程。发料在生物作用下发生降解、同化的过程。发 挥生物降解作用的微生物主要包括真菌、霉挥生物降解作用的微生物主要包括真菌、霉 菌或藻类，降解机理主要可分为菌或藻类，降解机理主要可分为3 3类：类： 3 2021-7-8 无机生物材料 生物降解材料的应用范围生物降解材料的应用范围 生物降解材料生物降解材料 的应用范围的应用范围 环保领域环保领域 水资源环境领域 食品容器和包装 行业 农林业方面 医学领域医学领域 外科手术缝合线 药物缓释剂 骨固定材料 人造皮肤 4 2

6、021-7-8 无机生物材料 生物降解材料发展趋势生物降解材料发展趋势 聚羟基脂聚羟基脂 肪酸酯肪酸酯 淀粉淀粉 聚乳酸聚乳酸 聚己聚己 内酯内酯 聚丁二聚丁二 酸丁二酸丁二 醇酯醇酯 五大热门可降五大热门可降 解材料解材料 近年来比较活跃近年来比较活跃 最理想的生物可降解材料是利用可再生 资源，即利用生物合成的方法得到的生 物材料。这种生物材料可以被生物所重 新利用，能够降解，产物最好是二氧化 碳和水，从而使这种材料的生产和使用 纳入自然界的循环。 5 2021-7-8 无机生物材料 生物降解材料发展趋势生物降解材料发展趋势 淀粉及其衍生物因为生物降解性好，价格低廉而淀粉及其衍生物因为生物降

7、解性好，价格低廉而 被改性作为填充塑料的重点，并且其接枝物在很多方被改性作为填充塑料的重点，并且其接枝物在很多方 面具有广泛的应用前景。利用植物中的淀粉、纤维素面具有广泛的应用前景。利用植物中的淀粉、纤维素 和木质素等，以及利用动物中的壳聚糖、氨基葡聚糖、和木质素等，以及利用动物中的壳聚糖、氨基葡聚糖、 动物胶，以及海洋生物的藻类等，可制造有价值的生动物胶，以及海洋生物的藻类等，可制造有价值的生 物可降解聚合物。高含量淀粉基聚合物则可以做为完物可降解聚合物。高含量淀粉基聚合物则可以做为完 全生物降解型聚合物。因而，将淀粉改性后，与聚己全生物降解型聚合物。因而，将淀粉改性后，与聚己 内酯等生物合

8、成的降解聚合物共混，以此来提高材料内酯等生物合成的降解聚合物共混，以此来提高材料 的降解性和力学性能，已经成为当前生物降解材料研的降解性和力学性能，已经成为当前生物降解材料研 究的热点之一。究的热点之一。 6 淀粉应用淀粉应用 2021-7-8 无机生物材料 7 环保玉米淀粉牙签环保玉米淀粉牙签 淀粉的用途十分广泛, 可制作粘胶,塑料,食品等 多种产品。如名菜猪肉炖 粉条是用红薯淀粉做的， 龙口粉丝是用绿豆淀粉做 的。淀粉牙签一般是用玉 米和绿豆的淀粉制成。 淀粉牙签经济环保， 能避免大量森林资源被砍 伐，它是国际绿色工业浪 潮的必然产物，具有很强 的市场潜力和竞争力。 生物降解材料发展趋势生

9、物降解材料发展趋势 由生物合成的聚乳酸可作为天然生物材料，由生物合成的聚乳酸可作为天然生物材料， 它是由生物发酵产生的乳酸经人工化学合成而它是由生物发酵产生的乳酸经人工化学合成而 得到的聚合物，但仍保持着良好的生物相容性得到的聚合物，但仍保持着良好的生物相容性 和生物可降解性，具有与聚酯相似的防渗透性，和生物可降解性，具有与聚酯相似的防渗透性， 同时具有与聚苯乙烯相似的光泽度、透光性和同时具有与聚苯乙烯相似的光泽度、透光性和 加工性。加工性。 2021-7-8 无机生物材料 减少给药次数 和给药量 8 聚乳酸聚乳酸 2021-7-8 无机生物材料 9 聚乳酸应用聚乳酸应用 2021-7-8 无

10、机生物材料 聚乳酸包装袋聚乳酸包装袋 10 聚乳酸应用聚乳酸应用 聚乳酸人造皮肤聚乳酸人造皮肤聚乳酸导管支架聚乳酸导管支架 2021-7-8 无机生物材料 11 组织工程组织工程 组织工程耳朵组织工程耳朵组织工程支架示意图组织工程支架示意图 2021-7-8 无机生物材料 12 2021-7-8 无机生物材料 生物降解材料存在的主要问题生物降解材料存在的主要问题 价格昂贵，不易推广应用价格昂贵，不易推广应用 加工困难，尚未完全达到实用阶段加工困难，尚未完全达到实用阶段 降解可控、回收利用等技术不足降解可控、回收利用等技术不足 尚无统一评价方法和标准尚无统一评价方法和标准 人工合成，工艺复杂、性

11、能不稳定人工合成，工艺复杂、性能不稳定 13 2021-7-8 无机生物材料 解决办法解决办法 1 对生物降解塑料产 品的应用和发展采 取补贴政策，包括 中央政府补贴和地 方政府补贴。中央 财政可采用科技攻 关资金、贴息等补 贴方式 2 对利用生物质原料 生产生物降解塑料 的企业，国家考虑 采用低息贷款政策、 技术改造专项贷款、 信用担保政策等来 鼓励产业发展 3 为促进行业发展应 制定关税优惠税率。 为鼓励和扶持一些 企业的发展，可以 按照新的企业所得 税条例规定减免优 惠政策 14 LOGO 2021-7-8 无机生物材料 生物降解材料的可降解机理生物降解材料的可降解机理 由于生物细胞由于

12、生物细胞 增长而使聚合增长而使聚合 物组分水解、物组分水解、 电离或质子化电离或质子化 而发生机械性而发生机械性 破坏，分裂成破坏，分裂成 低聚物碎片低聚物碎片 微生物侵蚀导微生物侵蚀导 致材料分裂致材料分裂 或氧化崩裂或氧化崩裂 微生物对聚合微生物对聚合 物作用而产生物作用而产生 新物质新物质(CH4 ，CO2和和 H2O) 生物降解材料的生物降解，是指生物降解材生物降解材料的生物降解，是指生物降解材 料在生物作用下发生降解、同化的过程。发料在生物作用下发生降解、同化的过程。发 挥生物降解作用的微生物主要包括真菌、霉挥生物降解作用的微生物主要包括真菌、霉 菌或藻类，降解机理主要可分为菌或藻类，降解机理主要可分为3 3类：类： 16 淀粉应用淀粉应用 2021-7-8 无机生物材料 17 环保玉米淀粉牙签