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材料的降解實(shí)質(zhì)上是其內(nèi)部的高分子鏈段在特定條件下斷裂成低分子量的寡聚物,并最終分解為單體的過(guò)程。材料的“溶蝕”則是指由于分子鏈發(fā)生斷裂,形成的水溶性小分子物質(zhì)離開聚合物材料,導(dǎo)致材料的力學(xué)性能降低,材料最終完全消失的過(guò)程,溶蝕又可表面溶蝕和整體溶蝕。
如果分子鏈段的降解速度比水分子在材料中的擴(kuò)散速度快,鏈段的水解限制在材料表面,而很難進(jìn)入到材料的內(nèi)部,這種方式屬于表面溶蝕或異相溶蝕,如果水分子在材料的擴(kuò)散速度比高分子鏈段的水解速度快,那么材料表面和內(nèi)部的降解同時(shí)進(jìn)行,因此屬于整體溶蝕。
酶促水解機(jī)理
對(duì)于易水解的聚合物,在體內(nèi)可能同時(shí)存在單純的水解和酶催化水解兩種作用。脂肪酶能促進(jìn)聚酯分解,而水解酶可促進(jìn)易水解聚合物的降解。脂肪酶R.delemer lipase、Rhizopus arrhizus lipase、Pseudomnas lipase為PCL的特異性降解酶,在這些酶存在下,PCL降解速度加快,在通常情況下完全降解需要2-3年,而在酶的存在下完全降解時(shí)間縮短為幾天。
酶促氧化機(jī)理
對(duì)一些非水解性聚合物,其可能的降解機(jī)理是酶促氧化機(jī)理。免疫組織學(xué)研究證實(shí),材料在體內(nèi)最后通過(guò)吞噬細(xì)胞內(nèi)吞作用而被吸收代謝的。高分子生物材料植入體內(nèi)后,在局部會(huì)引起不同程度的急性炎癥反應(yīng),當(dāng)組織受到損傷后,周圍血管的通透性發(fā)生變化,多核白細(xì)胞迅速向炎癥部位移動(dòng),被激活的中性粒細(xì)胞能使單核細(xì)胞分化為巨噬細(xì)胞。多形核白細(xì)胞和巨噬細(xì)胞的代謝產(chǎn)生出大量的過(guò)氧陰離子(O2),這種不穩(wěn)定的中間體進(jìn)而轉(zhuǎn)換為更強(qiáng)的氧化劑過(guò)氧化氫。體內(nèi)的還原型輔酶(NADPH),氧化酶都參與了這個(gè)轉(zhuǎn)化反應(yīng),而過(guò)氧化歧化酶(SOD)則起到加速轉(zhuǎn)化的作用。過(guò)氧化氫有可能在植入部位引發(fā)聚合物自身分解反應(yīng);同時(shí)過(guò)氧化氫在肌過(guò)氧化酶(MPO)的作用下可進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為次氯酸。次氯酸也是一種生物材料的強(qiáng)氧化劑,可氧化聚酰胺、聚脲、聚氨酯中的氨基,使高分子鏈斷開,從而達(dá)到降解的作用。
3、酶的直接作用,微生物侵蝕材料制品部分成分進(jìn)而導(dǎo)致材料分解或氧化崩潰。
生物可降解材料按降解機(jī)理和破壞方式可分為完全生物降解型和生物破壞性材料兩種:
完全生物降解材料是指本身可以被細(xì)菌、真菌、放線菌等微生物全部分解的生物降解材料。它能在細(xì)菌或其水解酶作用下,最終分解成二氧化碳和水等物質(zhì)回歸自然,所以被稱為“綠色材料”。從制備方法上可分為3 種:微生物發(fā)酵法、化學(xué)合成和天然高分子共混。
生物破壞性材料是對(duì)材料水平而言的,主要是天然高分子與通用型合成高分子通過(guò)共混或共聚而制成的降解材料。其組合方式有以下幾種:
1、用熔融和溶液共混的方法;
2、將一種高分子材料分散于另一種高分子的水溶液中,形成懸浮體系,最后制成各種復(fù)合物;
3、將天然高分子材料分散或溶解在可進(jìn)行聚合反應(yīng)地體系中,進(jìn)行均聚和共聚合反應(yīng),使體系中地單體聚合,得到含天然高分子地復(fù)合材料;
近年來(lái),國(guó)內(nèi)外可生物降解材料得到了很快地發(fā)展.尤其是一次性使用材料制品,如可降解食品包裝袋、飲料瓶、農(nóng)用薄膜等已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。但是目前可生物降解材料的開發(fā)和應(yīng)用還存在以下的一些問題:
1、市場(chǎng)應(yīng)用:由于生產(chǎn)可降解材料的成本偏高,造成其在市場(chǎng)中價(jià)格偏高,這樣就給可降解材料的推廣造成了很大的影響。
2、技術(shù)與工藝:與傳統(tǒng)塑料相比,可降解材料存在抗水性差、力學(xué)性能差和加工性能差的問題,很難滿足工業(yè)化生產(chǎn)要求.另外,降解材料準(zhǔn)確的降解時(shí)控性,用后快速降解性、徹底降解性以及邊角料的回收利用技術(shù)等還有待進(jìn)一步提高和完善。
3、降解材料的標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法:對(duì)生物降解材料,世界上尚沒有統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)方法,識(shí)別標(biāo)志和產(chǎn)品檢測(cè)技術(shù),致使缺乏正確統(tǒng)一地認(rèn)識(shí)和確切地評(píng)價(jià),產(chǎn)品市場(chǎng)比較混亂,真假難辯。
近年來(lái),隨著原料生產(chǎn)和制品加工技術(shù)的進(jìn)步,可生物降解材料備受關(guān)注,成為可持續(xù)、循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的焦點(diǎn)。無(wú)論是從能源替代、二氧化碳減少,還是從環(huán)境保護(hù)以及解決“三農(nóng)”問題上,都具有重要意義。目前我國(guó)生物降解材料開發(fā)和應(yīng)用領(lǐng)域,在自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、創(chuàng)新型產(chǎn)品等方面的研發(fā)能力、投入量等方面均有待提高,生物降解材料的回收處理系統(tǒng)還有待完善。
為了更好地實(shí)現(xiàn)可生物降解材料的產(chǎn)業(yè)化,今后還應(yīng)該在以下幾個(gè)方面做出努力:
1、建立快速、簡(jiǎn)便的生物降解性的評(píng)價(jià)方法,反映降解材料在自然界中生物降解的實(shí)際情況;
2、進(jìn)一步研究可生物降解材料的分解速率、分解徹底性以及降解過(guò)程和機(jī)理,開發(fā)可控制降解速率的技術(shù);
3、通過(guò)結(jié)構(gòu)和組成優(yōu)化、加工技術(shù)及形態(tài)結(jié)構(gòu)控制等,開發(fā)調(diào)控材料性能新手段;
4、為了提高與其他材料的競(jìng)爭(zhēng)力,必須研究和開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新方法、新工藝和新技術(shù),簡(jiǎn)化合成路線,降低生產(chǎn)成本,參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)。
本文轉(zhuǎn)載自:包裝地帶
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