生物高分子材料的進(jìn)展
時間:2005-09-07
在自然界，通過二氧化碳、水和陽光周而復(fù)始地合成天然材料，這些天然材料具有優(yōu)良的性能，廢棄物可以靠微生物降解，參加自然界生態(tài)大循環(huán)；同時生物界奇妙的遺傳技術(shù)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(shù)來合成高分子材料得到廣大科學(xué)工作者的關(guān)注，他們不斷致力于該領(lǐng)域的研究，并且取得了重大的進(jìn)展。本文主要介紹蜘蛛絲、聚乳酸纖維以及生物醫(yī)用材料的研究情況。
蜘蛛絲的研究
數(shù)百萬年來，蜘蛛制造著最細(xì)的絲。這種蛋白質(zhì)蜘蛛絲是人們所知道的強(qiáng)度最高的纖維，并且具有優(yōu)異的彈性，其特性很像高強(qiáng)度合成纖維芳綸1414和彈性纖維氨綸。就強(qiáng)度而論，蜘蛛絲甚至優(yōu)于高性能的Kevlar纖維，雖然兩種纖維都有類似的高強(qiáng)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(dá)30％。蜘蛛絲的特殊品質(zhì)引起了科學(xué)工作者的興趣。
美國杜邦公司在該領(lǐng)域進(jìn)行了多年的研究。他們提出獲得這種新結(jié)構(gòu)材料的基礎(chǔ)是要有能力從分子層面開始控制材料構(gòu)架的所有方面，切實可行的方法是重組DNA技術(shù)，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(shù)據(jù)，通過計算機(jī)模擬技術(shù)設(shè)計出一種分子模型，并將迄今所得到的有關(guān)這種纖維的結(jié)構(gòu)信息全部集成進(jìn)去，他們還設(shè)計了合成基因為這種絲蛋白的復(fù)制品編碼。這些基因被植入酵母和細(xì)菌，蛋白質(zhì)的復(fù)制品由此產(chǎn)生。不管采用哪種方法，細(xì)菌和酵母都制出了類似的蛋白質(zhì)，其結(jié)構(gòu)等同于蜘蛛用來拉出網(wǎng)絲的蛋白質(zhì)，研究人員把這種蛋白質(zhì)溶解于一種化學(xué)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(jié)實又有彈性，可能在衛(wèi)星和飛機(jī)上得到應(yīng)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(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域；另外，在橋梁建筑、復(fù)合材料、生物醫(yī)學(xué)等方面均有應(yīng)用潛力。
聚乳酸纖維
聚乳酸（PLA）是一種聚羥基酸。乳酸是乳酸桿菌產(chǎn)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(huán)化二聚物的化學(xué)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(jīng)微生物作用可分解為二氧化碳和水，燃燒時不會散發(fā)毒氣，不會造成污染。目前，學(xué)術(shù)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(fā)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，它具有與聚酯幾乎同等強(qiáng)度和伸長，加工成短纖維、復(fù)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(nèi)衣和襯衫等服裝，不但耐用、吸濕性好，而且通過加工形成優(yōu)良的形態(tài)穩(wěn)定性和抗皺性能。
生物醫(yī)用材料
生物醫(yī)用紡織品既屬于產(chǎn)業(yè)用紡織品領(lǐng)域，又屬于醫(yī)療器材范疇，它是生命科學(xué)和材料科學(xué)交叉的產(chǎn)物，目前已經(jīng)成為各國研究的熱點。生物醫(yī)用材料是現(xiàn)代臨床醫(yī)學(xué)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，其產(chǎn)業(yè)規(guī)模雖然不大，但知識密集，產(chǎn)出很高，因此世界各國對此均十分重視，其發(fā)展勢頭十分強(qiáng)勁，東華大學(xué)（原中國紡織大學(xué)）在該領(lǐng)域的研究處于國際領(lǐng)先地位，其專利成果已經(jīng)進(jìn)駐上海浦東張江高科技園區(qū)，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(yī)用甲殼質(zhì)敷料等產(chǎn)品已經(jīng)被醫(yī)院作為臨床器材使用，為病人解除痛苦。生物醫(yī)用紡織品所用的材料，包括短纖維、單絲、復(fù)絲和機(jī)織、針織織物及復(fù)合材料，其中代表品種有：甲殼質(zhì)纖維、骨膠原纖維以及海藻酸纖維。
1.甲殼質(zhì)纖維
甲殼質(zhì)（也稱甲殼素）來自蝦和蟹等節(jié)足動物的甲殼中，每年海洋產(chǎn)甲殼量達(dá)10億t，在天然高分子的產(chǎn)量僅次于纖維素。甲殼質(zhì)是一種天然多糖物質(zhì)，由于其具有較好的晶狀結(jié)構(gòu)和較多的氫鍵，因此，其溶解性能很差。甲殼經(jīng)脫乙酰化合成為甲殼胺（也稱脫乙酰甲殼素）其溶解性能比甲殼質(zhì)好。將精制的甲殼質(zhì)或甲殼胺溶解于合適的溶劑，通過濕法紡絲制成為甲殼質(zhì)纖維或甲殼胺纖維。由于甲殼質(zhì)或甲殼胺具有良好的生物相容性和適應(yīng)性，并具有消炎、止血、鎮(zhèn)痛和促進(jìn)肌體組織生長等功能，可促進(jìn)傷口愈合，因此被公認(rèn)為保護(hù)傷口的理想材料。
2.骨膠原纖維
骨膠原纖維是通過重新組構(gòu)牛屈肌腱的骨膠原懸浮液制成的。它作為醫(yī)用材料的特點在于：生物適應(yīng)性優(yōu)良、無抗原性、生物體吸收性良好等，因此國內(nèi)外正將其開發(fā)和應(yīng)用于傷口保護(hù)。
3.海藻酸纖維
海藻酸是從海藻植物中提煉的多糖物質(zhì)。當(dāng)它用于傷口接觸層時，它與傷口之間相互作用，會產(chǎn)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(xì)菌不能通過，并促進(jìn)新組織的生長。
