生物降解聚合物

歷史

生物可降解聚合物由來已久，且許多都是天然產物。我們不能追溯它們的發現及使用的精確時間，而我們已知的生物可降解聚合物最早的用途之一是醫藥的羊腸線縫合，其歷史至少可追溯至公元100年。第一條腸縫線由綿羊的腸製成，而現今的腸縫線是從牛，綿羊或山羊的小腸提取的純膠原蛋白製成的。
合成生物可降解塑料和聚合物的概念在20世紀80年代首次提出。 1992年，生物可降解聚合物的領軍人物們舉行了一次國際會議，討論了生物可降解聚合物的定義，標準，以及檢驗規程。此外，美國材料與試驗協會（ASTM）和國際標準化組織（ISO）也成立了相關監管機構。 隨著大型服裝和百貨連鎖店的持續推廣，生物可降解塑膠袋在2010年底得到了廣泛使用。2012年，美國康奈爾大學（Cornell University）的傑弗里•科茨教授 ( Prof. Geoffrey Coates) 獲得了美國總統綠色化學挑戰獎，生物可降解聚合物也引起了多方關注。截至2013年，生物可降解聚合物製成的塑料在塑料市場的占比達到了5%~10%。

結構和特性

生物可降解聚合物的結構在其特性中發揮了重要作用。生物可降解聚合物的數目很多，無論是合成的或是天然的，它們之間都有一些共同特性。
結構
生物可降解聚合物往往由酯、醯胺或醚基組成。在一般情況下，生物可降解聚合物可依據結構分為兩大類。一類是農業聚合物，或那些衍生自生物質的聚合物[1]。另一類由生物聚酯組成（生物聚酯來源於微生物，或由天然單體或合成單體所合成）。
農業聚合物包括多糖（如來自土豆、木材中的澱粉）、蛋白質（如動物乳清或來源於植物的谷蛋白）[1]。多糖由糖苷鍵（糖苷鍵—由半糖半縮醛與醇類通過失水縮合而成）組成。蛋白質是由包含各種官能團的胺基酸構成的[8]。這些胺基酸通過肽鍵重新聚合在一起，肽鍵是由胺基酸之間的縮合反應形成的醯胺官能團組成。[8]。生物聚酯的實例包括聚羥基丁酸酯和聚乳酸[1]。
特性
儘管生物可降解聚合物應用廣泛，但是它們往往會有一些共同特性。所有的生物可降解聚合物在其特定應用時應該是足夠穩定和耐用，而在處置它們時應該很容易分解[6]。聚合物，特別是生物可降解聚合物，具有極強的難以分解的碳骨架，這種結構往往需要從端基開始降解。由於從端基開始降解，生物可降解聚合物常常有高比表面，使得它更容易接觸到（誘其降解的）化學物質、光照或微生物[2]。生物可降解聚合物通常具有極少的支鏈，因為這種交聯往往會降低每單位重量的端基數量。因為結晶度也會抑制端基接近誘其降解的物質。根據如上所述，很容易推斷出可降解聚合物應該具有低的聚合度，以便更多的端基與降解劑接觸發生反應。親水性是這些聚合物的另一個共性[2]。如果水溶性酶難於接觸到聚合物，疏水性聚合物和端基就會阻礙其與酶發生相互作用。
醫療用途的生物可降解聚合物的其它共性包括：
1、無毒；
2、降解之前，能夠保持良好的機械完整性；
3、降解率可控[9]。
醫療用途的生物可降解聚合物不能引發免疫反應，且降解產物必須無毒。當生物可降解聚合物用於給藥時，這些特點很重要：給藥過程中的關鍵是藥物隨著時間緩慢釋放進入人體，而不是一次性的釋放，且在人服用前-藥物在藥丸內是穩定的[9]。控制降解速率的因素包括：1）結晶度；2）分子量； 3）疏水性。聚合物在體內所處的位置決定了其降解速率，比如PH值、酶濃度和水量等聚合物周圍的環境因素就可以影響到聚合物的降解速率[9]。

合成

生物可降解聚合物中研究最多且最重要之一的是聚酯。有很多種方法可以合成聚酯，其中包括：醇和酸的直接縮合、開環聚合（ROP）和金屬催化的聚合反應[10]。通過酸醇縮合的遞進聚合反應有一個很大缺點：為了促進平衡反應的正向反應，需要持續不斷地去除系統中的水分[11]。這會使得反應條件苛刻和反應時間也長，從而導致了寬分散度。多種原料可用於合成聚酯，而原料中的各種不同的單體類型賦予了最終聚合物鏈不同的特徵和性質。環狀二聚體乙醇酸或乳酸的開環聚合構成α羥基酸，然後聚合成聚（α - 酯）[11]。包括錫、鋅和鋁的化合物在內的多種有機金屬催化劑可用於聚酯的聚合反應。最常見的是酸亞錫(辛酸錫(II)，已被美國食品藥品監督管理局批准為食品添加劑，但作為錫催化劑而用於生物可降解聚合物（生物醫學用途）的合成方面也廣受關注。聚（β - 酯）和聚（γ-酯）的合成可以通過類似於開環聚合或聚（γ-酯）縮合反應的方式來進行。無金屬工藝的發展也在探索中，包括在生成聚酯的過程中使用細菌或酶催化的工藝[12][13]。上述這些反應得益於都有位置選擇性和立體定向性，但是受限於細菌和酶的高成本、長久的反應時間和低分子量的產品。
在合成生物可降解聚合物的科研和工業化應用中，聚酯占據舉足輕重的位置，同時，其它類聚合物的研究也得以促進。聚酐在給藥研究中的應用也成為非常活躍的領域，因為它們只從表面降解，所以能以恆定的速率釋放所攜帶的藥物[10]。聚酐的合成方法多種多樣,這些方法（包括縮合，脫氯化氫，耦合和開環聚合）也被用於合成其它聚合物。聚氨酯和聚（酯醯胺）被用於生物材料[15]。人們最初使用聚氨酯是因為它具有生物相容性、耐用性和韌性，但最近研究較多的卻是它的生物降解性能。聚氨酯典型地由二異氰酸酯，二醇，和聚合物擴鏈劑合成。初始反應是在二異氰酸酯和二醇之間進行，其中二異氰酸酯過量，以確保新的聚合物鏈的端部形成異氰酸酯基團。然後這種聚合物可以和二醇反應形成聚氨酯；或與二胺反應形成聚氨酯脲基團。端部基團的選擇會影響所得到的聚合物的性能。此外，在形成聚氨酯的反應中使用植物油和生物質，以及聚氨酯到多元醇的轉化，也是目前非常活躍的研究領域。

應用和使用

生物可降解聚合物對於包括醫藥、農業和包裝等很多領域都有著重大意義。其中藥物的傳輸與釋放是生物可降解聚合物中最為活躍的研究領域之一。
醫療
生物可降解聚合物在生物醫學領域具有廣泛的用途，特別是在組織工程和給藥領域[10][18]。為了將生物可降解聚合物用於醫療，它必須滿足若干標準：1）為了消除身體的異物反應，它必須是無毒的; 2）聚合物降解所花費時間正比於治療所需時間; 3）降解後的產品都沒有細胞毒性，並且易於從體內消除; 4）該材料必須很容易加工，以便易於為需要的尺寸量身剪裁; 5）易於消毒; 6）具有可接受的貯存壽命[5][19]。
生物可降解聚合物在給藥和奈米醫療領域引起了很大的關注。生物可降解給藥系統的巨大好處是藥物載體能夠有效定位到身體的特定部位，並且降解成可以通過人體自然的代謝途徑排出的無害物質[20]。該聚合物慢慢降解成更小的片段，釋放出天然產物，並且可控制藥物的釋放。在聚合物降解的過程中，藥物緩慢釋放。例如，聚乳酸、聚（乳酸 - 共 - 乙醇酸）和聚（己內酯），這些都是可生物降解的，已被用於攜帶抗癌藥物。藥物被包封在聚合物中，並添加靶標劑，以降低藥物對健康細胞的毒性。
生物可降解聚合物和生物材料對於組織工程和再生工程也具有重大的意義。組織工程就是藉助人工材料實現再生組織的能力。完善的系統可用來在體外進行組織和細胞的生長或者使用生物可降解支架在體外構造新的結構和器官[21]。為此目的，生物可降解支架具有明顯優勢，因為它降低了免疫反應和異物排斥的風險。許多更先進的系統還不具備用於人類治療的條件，但在動物實驗的研究中表現出非常積極的效果。例如，在聚己內酯/聚乳酸支架上可以成功生長大鼠平滑肌組織。進一步的研究和發展可能使這種技術用於人類組織的替代，支持或增強[22]。組織工程的最終目標之一是從基本組織生成器官，如腎臟。使基本組織長成為一個功能性器官的過程需要一個支架，然後聚合物支架會降解，並安全地排出體外。有文獻報導使用聚乙二醇酸和聚乳酸生成血管組織以治療心臟病[23]。所述的支架可用於幫助創建未受損的動脈血管。
除了組織工程，生物可降解聚合物還用於整形外科，如骨和關節的置換，多種非生物降解的聚合物應用於整形外科，包括矽橡膠、聚乙烯、丙烯酸樹脂、聚氨酯、聚丙烯和聚甲基丙烯酸甲酯[24]。多數這類聚合物的主要作用是作為固定假體和置換關節的生物相容性膠合劑。已經研發了較新的合成和天然的生物相容的生物可降解聚合物，包括聚乙交酯，聚乳酸，殼聚糖，透明質酸和水凝膠。特別是，聚（2-羥乙基甲基丙烯酸酯）、聚（乙二醇）、殼聚糖和透明質酸已經在軟骨、韌帶和肌腱修復中廣泛使用。例如，聚（L-丙交酯）（PLA），商品名為Clearfix Mensical達特/螺杆，用來製造用於半月板修復的螺釘和飛鏢[19]。聚乳酸是一種緩慢降解的聚合物，並且需要兩年以上的時間降解和被人體吸收。
包裝及材料
除了醫療領域，生物降解聚合物經常用於減少包裝材料的浪費[5]。在用生物降解材料取代石化衍生材料的方面人們付出了極大的努力。包裝材料最常用的聚合物之一是聚乳酸PLA[26]。聚乳酸產品具有幾個優點，其中最重要的優點是可以通過加工方法得到需要的聚合物物理性質。 PLA是用於各種薄膜，包裝材料和容器（包括瓶子和杯子）。 2002年，FDA裁定PLA用於食品包裝方面是安全的[27]。降解塑料Ecoflex樹脂和PLA混合體的應用之一是製備塑料薄膜：如購物袋或垃圾袋[28]。

著名實例

2012年美國總統綠色化學挑戰獎
每年都會有數以百萬噸的塑料從石油中產出。若干年後大部分的塑料將仍然停留在垃圾填埋場，或被棄置，給周圍環境和動物的健康帶來巨大風險[29]。然而，普通人的生活中不使用塑料是不切實際的。一種解決的辦法就是使用生物可降解聚合物。這些聚合物具有獨特的優勢，就是隨著時間的推移會可降解。傑弗里•科茨博士（Dr. Geoffrey Coates）引領了降解催化劑的研究領域，研製的催化劑不僅能有效生產出生物可降解聚合物，生產的聚合物還能吸收使全球暖化的溫室氣體二氧化碳，以及地面臭氧產生者一氧化碳[30]。這兩種氣體常常以高濃度的形態存在於或產生於農業廢棄物，煤炭以及工業副產品中[31]。上述催化劑不僅能夠利用這些常見的環境不友好的廢氣，不但選擇性好，吸收廢氣的數量和頻率也非常有效。這些催化劑已經由諾沃莫公司（Novomer Inc.) 用來製造聚碳酸酯，用以替代許多食品和飲料包裝中的塗層酚甲烷（雙酚A）。諾沃莫公司分析表明: 如廣泛使用，這些生物可降解聚合物塗層不僅可以結合二氧化碳，更避免了每年數以百萬噸二氧化碳的產生[31]。