生物高分子材料的進展
時間:2004-09-21
在自然界，通過二氧化碳、水和陽光周而復始地合天然材料，這些天然材料具有優良的性能，廢棄物可以*微生物降解，參加自然界生態大循環；同時生物界奇妙的遺傳技術將材料的特性一代一代地傳遞下去。因此，如何運用生物技術來合成高分子材料得到廣大科學工作者的關注，他們不斷致力于該領域的研究，并且取得了重大的進展。世界最大的合成纖維制造商美國杜邦公司已經將發展重點轉移到生物科技上，推出了三道曙光計劃，并稱生物科技將鞏固杜邦公司作為世界領先科學公司的地位。杜邦公司經過在這一領域20年的不懈努力，發現采用生物科技合成高分子材料比傳統方法更安全、更環保，成本也更低廉。本文主要介紹蜘蛛絲、聚乳酸纖維以及生物醫用材料的研究情況。
1 蜘蛛絲的研究 數百萬年來，蜘蛛制造著最細的絲。這種蛋白質蜘蛛絲是人們所知道的強度最高的纖維，并且具有優異的彈性，其特性很像高強度合成纖維芳綸1414和彈性纖維氨綸。就強度而論，蜘蛛絲甚至優于高性能的Kevlar 纖維，雖然兩種纖維都有類似的高強度水平，但Kevlar纖維在斷裂之前僅能延伸其原長的4%，而蜘蛛絲的斷裂伸長可達30%。蜘蛛絲的特殊品質引起了科學工作者的興趣。
美國杜邦公司在該領域進行了多年的研究。他們提出獲得這種新結構材料的基礎是要有能力從分子層面開始控制材料構架的所有方面，切實可行的方法是重組DNA技術，即使用生物合成過程的能量來控制聚合的順序和鏈的長度。他們收集所有數據，通過計算機模擬技術設計出一種分子模型，并將迄今所得到的有關這種纖維的結構信息全部集成進去，他們還設計了合成基因為這種絲蛋白的復制品編碼。這些基因被植入酵母和細菌，蛋白質的復制品由此產生。他們采用的方法是把細菌打開，分離出蛋白質微滴，并把它作為起始材料。而在采用酵母的過程中，可以設計基因系統，使酵母能在其體外生成蛋白質。不管采用哪種方法，細菌和酵母都制出了類似的蛋白質，其結構等同于蜘蛛用來拉出網絲的蛋白質，蜘蛛是將這種蛋白質溶解在一種水基溶劑中，然后一步到位地將它紡成堅固的纖維。研究人員把這種蛋白質溶解于一種化學溶劑中，溶液通過濕法成型由小孔擠出，紡出了堅固的纖維。
研究者通過實驗室造蜘蛛絲的研究，期望得到與蜘蛛絲相同的生物纖維。這些生物纖維有許多可能的用途，它既輕又結實又有彈性，可能在衛星和飛機上得到應用，用制造輕量型防彈背心、頭盔乃至降落傘繩索，蜘蛛絲尤其適宜應用在那些零下40℃下仍需保持彈性而只有在極低溫度下才變脆的應用領域；另外，在橋梁建筑、復合材料、生物醫學等方面均有應用潛力。
蜘蛛絲研究所展示的新一代材料的潛力以一種難以想象的方式來改變人們的生活，大自然生物合成的力量將在新的材料革命中起著十分主要的作用。 2 聚乳酸纖維 聚乳酸(PLA)是一種聚羥基酸。乳酸是乳酸桿菌產生的一種碳水化合物，是生物體(包括人體)中常見的天然化合物。通過乳酸環化二聚物的化學聚合或乳酸的直接聚合可以得到高分子量的聚乳酸。以聚乳酸為原料得到的制品，具有良好的生物相容性和生物可吸收性，以及很好的生物降解性，并且在可降解熱塑性高分子材料中PLA具有最好的抗熱性。
聚乳酸的聚合方法有兩種，一種是減壓在溶劑中由乳酸直接聚合的方法，即：乳酸→預聚體→聚乳酸；另一種方法是常壓下以環狀二聚乳酸為原料聚合得到，即：乳酸→預聚體→環狀二聚體→聚乳酸。
聚乳酸纖維是一種新型的可完全生物降解的合成纖維，系從谷物中取得，其制品廢棄后在土壤或海水中經微生物作用可分解為二氧化碳和水，燃燒時不會散發毒氣，不會造成污染。目前，學術界對聚乳酸纖維的研究很多，主要以日本鐘紡公司為代表。由玉米、甘蔗或甜菜通過發酵和蒸餾的方法提取乳酸，聚合成聚乳酴，通過溶液紡絲方法得到聚乳酸纖維，日本鐘紡公司的聚乳酸纖維的商品名為Lactron，其性能見表1，從表中數據可以看出，聚乳酸纖維具有與聚酯幾乎同等強度和伸長，楊氏模量較低，其織物比較柔軟，是一種優良的面料原料。Lactron可以加工成短纖維、復絲和單絲形式，與棉、羊毛或粘膠等可分解性纖維混紡，可制得類似絲的織物，制成內衣和襯衫等服裝，不但耐用、吸濕性好，而且通過加工形成優良的形態穩定性和抗皺性能。
3 生物醫用材料 生物醫用紡織品既屬于產業用紡織品領域，又屬于醫療器材范疇，它是生命科學和材料科學交*的產物，目前已經成為各國研究的熱點。生物醫用材料是現代臨床醫學發展的重要物質基礎，其產業規模雖然不大，但知識密集，產出很高，因此世界各國對此均十分重視，其發展勢頭十分強勁，東華大學(原中國紡織大學)在該領域的研究處于國際領先地位，其專利成果已經進駐上海浦東張江高科技園區，建成上海高校(浦東)重點實驗室，其天純生物材料有限公司的醫用甲殼質敷料等產品已經被醫院作為臨床器材使用，為病人解除痛苦。生物醫用紡織品所用的材料，包括短纖維、單絲、復絲和機織、針織織物及復合材料，其中代表品種有：甲殼質纖、骨膠原纖維以及海藻酸纖維。
3.1 甲殼質纖維 甲殼質(也稱甲殼素)來自蝦和蟹等節足動物的甲殼中，每年海洋產甲殼量達10億t，在天然高分子的產量僅次于纖維素。
甲殼質是一種天然多糖物質，由于其具有較好的晶狀結構和較多的氫鍵，因此，其溶解性能很差。甲殼經脫乙酰化成為甲殼胺(也稱脫乙酰甲殼素)其溶解性能比甲殼質好。將精制的甲殼質或甲殼胺溶解于合適的溶劑，通過濕法紡絲制成為甲殼質纖維或甲殼胺纖維。
由于甲殼質或甲殼胺具有良好的生物相容性和適應性，并具有消炎、止血、鎮痛和促進肌體組織生長等功能，可促進傷口愈合，因此被公認為保護傷口的理想材料。 甲殼質作為低等動物中的纖維組分，兼具高等動物組織中的膠原和高等植物纖維中纖維素兩者的生物功能，因此生物特性十分優異，其主要特征為：
(1)生物相容性好。甲殼質及其衍生物是無毒副作用的天然聚合物，其化學性質和生物性質與人體組織相近，因此，其制品與人體不存在排斥問題。
(2)生物活性優異。甲殼質及其衍生物因本身所含的復雜的空間結構而表現出多種生物活性，其制品具有抑菌、降低血清和膽固醇含量、抑制成纖維細胞生長、直接抑制腫瘤細胞以及促進上皮細胞生長、促進體液免疫和細胞免疫等作用。
(3)生物降解性好。甲殼質及其衍生物在酶的作用下會分解為低分子物質。因此，其制品用于一般的有機組織均能被生物降解而被肌體完全吸收。
甲殼質及其衍生物的醫療保健功能有：免疫調節、降低膽固醇、抗菌、降血壓、脂質排泄、促進乳酸菌生長、促進傷口愈合以及細胞活性化等作用。 3.2 骨膠原纖維 骨膠是一種蛋白質，它在皮膚、骨骼、腱、血管、腸、眼角膜和牙齒中擔負著個體保護以及保持形態的作用。骨膠分子由三概括多肽鏈形成螺旋結構。
骨膠原纖維是通過重新組構牛屈肌腱的骨膠原懸浮液制成的。首先將干凈的肌腱薄片用解元酶進行處理除去骨膠原原纖維束的彈性硬元，使之容易膨脹。在除掉了非骨膠原蛋白質和多余的酶之后，將肌腱薄片浸在氰乙酸和甲醇-水的混合液(pH2～3)里使其膨脹。接著再將得到的混合物進行均勻化處理和過濾，然后壓入適當的凝固浴里形成絲條，其斷裂強度可達2.7cN/dtex左右。
骨膠原作為醫用材料的特點在于：生物適應性優良、無抗原性、生物體吸收性良好等，因此國內外正將其開發和應用于傷口保護。
3.3 海藻酸纖維 海藻酸是從海藻植物中提煉的多糖物質。海藻酸纖維可由濕法紡絲制備，將海藻酸鈉堿性濃溶液經過噴絲板擠出后送入含鈣離子的酸性凝固浴中，海藻酸鈉與鈣離子發生離子交換，即形成不溶于水的海藻酸鈣纖維，該纖維的缺點是斷裂強度較低。
當海藻酸鈣纖維用于傷口接觸層時，它與傷口之間相互作用，會產生海藻酸鈉、海藻酸鈣凝膠。這種凝膠是親水性的，可使氧氣通過而細菌不能通過，并促進新組織的生長。
海藻酸纖維的制備通常采用與非海藻酸高聚物共紡絲的方法，后者往往是水溶性的或者可溶于有機溶劑，并且均含有負電荷基團COO-，主要有：羧甲基纖維素(CMC)、果膠質(含半乳糖醛酸)、N-，O-羧甲基脫乙酰甲殼質(NOOC)、O-羧甲基脫乙酰甲殼質(OCC)、聚天冬氨酸、聚谷氨酸以及聚丙烯酸等。這些非海藻酸高聚物的加入可以改善海藻酸纖維的吸收性能等。
4 結語 由于石油資源的儲量有限，以及人類生存對經濟可持續發展的要求，使得生物技術合成新材料成為當今新材料研究的熱點。也許生物技術的優點還不能馬上被人們充分認識，它所帶來的巨大變化可能還需五年甚至更長時間才能顯現，但是生物高分子材料性能和環保上優勢，決定它必將得到更大的發展。在21世紀，生物技術將影響人們生活的每一個方面，生物高分子材料將在日常生活用品、服裝、醫用和農用等各個領域被廣泛地應用
