聚合物科普系列｜深入剖析聚合物水解与生物降解原理，探究聚合物材料更多可能

在上一期中，我们讨论了聚合物的热稳定性，这通常是评价聚合物稳定性的主要因素。通过介绍聚合物热稳定性，我们可以了解到聚合物的化学和物理性质对稳定性的影响。

除热稳定性外，聚合物的『水中稳定性』和『生物稳定性』也被用于评价特殊聚合物，尤其是作为医用材料的聚合物，这些稳定性受到特征官能团的亲水性和酶的作用影响。当然，聚合物的『分子量和物理结构』也会影响其水中稳定性和生物稳定性。

接下来，我们将系统地了解聚合物的水中稳定性和生物稳定性，即水解和生物降解，及其对聚合物性能和应用的影响。

与化学小分子不同，聚合物的水解过程是水分子先进攻聚合物的表面并渗透至聚合物结构内部的过程，因此水解的影响因素包括官能团的亲水性和物理结构。

典型的聚合物水解包括聚合物主链水解、支链亲水官能团转变为疏水官能团或交联结构水解为线性结构。

『双键氧化碳（C=O）』是医用材料中常见且最易受水解的键。这类键可以共价结合聚合物中的其他原子，如氧和氮，这些键可以是酯，酰胺，碳酸酯和脲。

在含有双键氧化碳的化学键中，酐显示出最高的水解速率，其次是酯和碳酸酯。这些基团都具有较高的极性，也更易与水分子形成具有强相互作用力的氢键从而促使水分子与聚合物链段结合。

其他双键氧化碳基团，如氨基甲酸乙酯、脲、亚酰胺、酰胺等，如果该基团包含在疏水骨架或高度有序的形态结构内就表现出长期良好的稳定性。

聚合物的『空间结构或分子排序』也会影响聚合物的水中稳定性和生物稳定性。对于孔隙或多孔结构的聚合物来说，其暴露表面积与体积比更高，水分子更容易渗透到聚合物结构的内部，表面粗糙的材料比光滑的材料更容易让水分子渗透到结构内部，这些物理结构都会加速水解过程。

更多的，影响聚合物的水解因素还有『结晶度和交联度』，如果一个易水解的化学键被一个疏水结构或结晶区所保护，其水解的有效速率可能会减慢。

生物降解最终会转化为二氧化碳、水、甲烷或其他小分子物质。对于聚合物的生物降解来说，天然的大分子聚合物或者其改性的聚合物一般是可生物降解的，而一些化学合成而来的聚合物，其疏水性越高越难降解，尤其是一些聚烯烃，因此『亲水性』也是辅助判断生物降解性的重要考量。

除此之外，『表面粗糙的材料』比光滑的材料更容易让微生物附着从而加速生物降解，而『交联结构』可能会阻碍生物降解。典型的可降解聚合物材料包括聚（ε-己内酯）（PCL）、聚乳酸（PLA）、聚3-羟基丁酸酯（PHB）等。

图2 聚合物水解/生物降解过程

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