生物高分子材料的進展
時間:2005-09-07
在自然界，通過二氧化碳、水和陽光周而復始地合成天然材料，這些天然材料具有優良的性能，廢棄物可以靠微生物降解，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。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。
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。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，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。
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，它具有與聚酯幾乎同等強度和伸長，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。
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叉的產物，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：甲殼質纖維、骨膠原纖維以及海藻酸纖維。
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。甲殼經脫乙酰化合成為甲殼胺（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。
2.骨膠原纖維
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。它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.海藻酸纖維
海藻酸是從海藻植物中提煉的多糖物質。當它用于傷口接觸層時，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。
