可生物降解和生物基聚合物

可生物降解聚合物通过水解或酶作用分解成无害产物，而生物基聚合物由可再生原料制成；这两种特性有所重叠但又截然不同，它们都旨在解决传统塑料对环境造成的负担。

Definition

可生物降解聚合物是指可以通过水解或微生物和酶作用分解成低摩尔质量产物并最终矿化的聚合物，而生物基聚合物是指全部或部分由可再生生物原料而非石油合成的聚合物。

Scope

本主题涵盖旨在降解的聚合物和源自可再生资源的聚合物：可水解聚酯，如聚乳酸、聚乙醇酸、聚己内酯和聚羟基脂肪酸酯；基于多糖的材料，如淀粉和纤维素衍生物；水解和酶降解的化学原理；生物降解性与生物基来源的区别；以及性能、成本和生命周期终结途径之间的权衡。

Core questions

• 哪些化学特性使聚合物可生物降解？
• 生物降解性与生物基来源有何不同，为何这种区别很重要？
• 聚乳酸等可水解聚酯如何降解？
• 哪些性能和成本权衡限制了传统塑料的替代？

Key theories

水解和酶降解

含有酯键、酰胺键或糖苷键的主链可被水或酶裂解成更小的片段，这些片段可被生物体代谢；降解速率取决于键合化学、结晶度、亲水性和环境。

生物基与可生物降解的区别

聚合物的可再生来源和其可降解性是独立的：一些石油衍生的聚合物是可生物降解的，而一些生物基聚合物是耐用的，因此在进行可持续性声明时必须分别评估每个特性。

Mechanisms

生物降解通常始于可水解主链键的断裂——脂肪族聚酯中的酯键，多糖中的糖苷键——这可能仅由水引起，或由微生物酶催化，从而降低摩尔质量，直到碎片足够小，可以被同化并矿化为二氧化碳、水和生物质。降解速率受键合化学、结晶度、表面积、亲水性以及水分、温度和微生物活性的周围条件影响。生物基聚合物则由原料定义：乳酸或生物来源的乙烯等单体来自发酵或植物来源，与所得聚合物是否降解无关。

Clinical relevance

这些材料解决了塑料废弃物问题并提供了医疗功能：可堆肥包装、农业地膜和餐饮用具减少了持久性垃圾，而聚乳酸和聚乙醇酸等可吸收聚酯则用于缝合线、药物输送基质和组织工程支架，可在体内安全降解。实际应用取决于性能、成本和适当的生命周期终结基础设施的匹配。

History

脂肪族聚酯是卡罗瑟斯在20世纪30年代研究的首批合成聚合物之一，但最初因其易于水解而被搁置；正是这种易水解性后来使其变得有价值，从20世纪70年代开始开发出可吸收缝合线和控释系统，随着对塑料持久性的担忧日益增加，聚乳酸等大规模生物塑料也实现了商业化。

Key figures

• Wallace Carothers
• Robert Langer

Seminal works

• young2011
• odian2004

Frequently asked questions

所有生物基聚合物都可生物降解吗？

不是。来源和可降解性是独立的。由植物来源乙烯制成的生物基聚乙烯与普通聚乙烯化学性质相同，不可生物降解，而一些石油衍生的聚酯则可降解。

为什么聚酯是常见的可生物降解聚合物？

它们的酯键易受水解和酶裂解，因此主链可以分解成小的、可代谢的片段。这使得聚乳酸等脂肪族聚酯既可堆肥，又可用作可吸收的医用材料。