CN103555817B - 高分子生物降解材料的动态降解方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高分子生物降解材料的动态降解方法，是在一种持续流动降解装置中实现的，包括如下步骤：将高分子生物材料在一定的温度、一定的压力、特定的酶缓冲溶液且缓冲溶液线速度一定的条件下，在持续流动态下进行降解，对经过不同时间的降解试验的材料进行检测，即可获得该材料的降解性能；其中所述缓冲溶液是可以更换的且缓冲溶液中所加酶浓度为可控梯度浓度。本发明能够定量测定材料的降解实验结果，评价所需时间为几小时至几天。适用于降解产物的测定和解释降解机理，重复性好，能提高灵敏度，并能较好地进行定量测定。

Description

高分子生物降解材料的动态降解方法

技术领域

本发明涉及高分子生物降解材料的动态降解方法。

背景技术

生物降解材料，是指在细菌、真菌、藻类等自然界存在的微生物作用下能发生化学、生物或物理作用而降解或分解的材料。其特点是在失去作为材料的利用价值而变成垃圾之后，不但不会破坏生态环境，反而会提高土壤的生物活性。生物降解性能的评价方法是在降解原理的基础上逐步完善起来的，目前主要是通过一些生物化学和微生物学的实验手段来实现。其降解方法大致如下：

（1）野外环境试验：该方法是将试样直接埋在森林或耕田土壤、污泥、堆肥中，或浸在河流或海水中。采用的微生物源是来自这种自然环境中的微生物群。经过一段时间的降解之后，能够检测到降解性高分子材料的质量损失和各项性能的劣化。

该方法的优势是能真实反映试样在自然界中的分解情况。但试验时间长，因土质、微生物种类、温度、湿度等因素的变化，重复性差，同时分解产物难以确定，数据重现性也较差。分解程度只能以质量减少和形态变化来表示，不适宜对分解机理的研究。

（2）环境微生物试验：将待测试样埋入或浸入容器中的微生物群，进行实验室培养。存在的问题是试验的重复性和评价时间虽然均明显优于野外环境试验，但仍不是十分理想。此外该方法不太适合降解产物的测定和解释降解机理，材料添加剂或者混入的共聚物影响结构。

（3）特定微生物体外试验：这种方法的微生物源为能分解、矿化对象高分子的单独分离的微生物。将该微生物接种于试样上进行培养（大多数为液体培养）一段时间后，目测菌落生长情况，使用显微镜观察试样表面的变化，测定其质量损失，并测定试样的分子量等某些特性的变化。这种方法的缺点是步骤比较麻烦，涉及的领域比较广，只能适用于有限的高分子材料。

（4）实验室用降解装置-摇床：用摇床做降解实验时，由于液体冲击所产生的雾沫，容易使降解瓶封口材料潮湿而造成培养物的污染，同时还会形成不均匀浓度的降解溶液；降解溶液久会变质且更换降解溶液比较麻烦，得到的降解数据稳定性很差。

发明内容

本发明的目的是提供一种高分子生物降解材料的动态降解方法，以克服上述现有技术的不足。

本发明的动态降解方法，是在一种持续流动降解装置中实现的，包括如下步骤：将高分子生物材料在一定的温度、一定的压力、特定的酶缓冲溶液且缓冲溶液线速度一定的的条件下，在持续流动态下进行降解，对经过不同时间的降解试验的材料进行检测，即可获得该材料的降解性能；其中所述缓冲溶液是可以更换的且缓冲溶液中所加酶浓度为可控梯度浓度。

优选的，包括如下步骤：将高分子生物材料在温度为5～80℃、压力为10KPa～80MPa、酶缓冲溶液的线速度为100～200mL/min的条件下，在动态下进行降解，对经过不同时间的降解试验的材料进行检测，即可获得该材料的降解性能。

所述的高分子生物材料为聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）、聚乳酸（PLA）、聚己内酯（PCL）、聚羟基脂肪酸酯（PHA）、脂肪族聚酯、聚酯醚、聚膦腈、聚原酸酯、聚碳酸酯、聚酸酐或聚氨基酸等，优选为分子量为20000，质量为10g的聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）；

所述的酶缓冲溶液，由如下重量百分比的组分组成：

NaAc                       45％～50％

重量分数为36％的HAc溶液    48％～54％

酶                         0.02％～2％

组分的百分比之和为100%。

所述的酶选自酯酶、脂酶、淀粉酶、纤维素酶或蛋白酶；

在做降解试验时可以根据降解速率的需求，把材料纺成比表面积比较大的膜或做成比表面积较小的片材进行降解。

所述动态降解装置，包括设有温度控制系统的溶液池、进料蠕动泵、循环蠕动泵、降解槽和压强控制系统；

所述进料蠕动泵的入口与所述的溶液池的物料出口相连接，进料蠕动泵的出口与降解槽的入口相连接，降解槽的出口与循环蠕动泵的入口相连接，循环蠕动泵的出口与溶液池的入口相连接，所述的压强控制系统设置在降解槽与循环蠕动泵之间的管线上；

与现有的方法相比，本发明的有益效果是：能够定量测定（固体试料的场合）的降解实验结果，评价所需时间为几小时至几天。适用于降解产物的测定和解释降解机理，重复性好，能提高灵敏度，并能较好地进行定量测定。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为降解槽；

图3为置样板主视图。

具体实施方式

参见图1～图3，所述的动态降解装置，包括设有温度控制系统101的溶液池1、进料蠕动泵2、循环蠕动泵3、降解槽4和压强控制系统5；

所述进料蠕动泵2的入口与所述的溶液池1的物料出口相连接，进料蠕动泵2的出口与降解槽4的入口相连接，降解槽4的出口与循环蠕动泵3的入口相连接，循环蠕动泵3的出口与溶液池1的入口相连接，所述的压强控制系统5设置在降解槽4与循环蠕动泵3之间的管线上；

参见图1，所述的压强控制系统5包括：压力传感器501，空压机502，气压调节阀503、大气口平衡阀504、大气口505、进气阀506和气泵口507；

所述系统平衡阀503的一端与空压机502储气筒相连通，另一端通过管线分别与压力传感器501、降解槽4和循环蠕动泵3之间的管线以及大气口505相连通，所述大气口平衡阀504设置在大气口505处，所述气泵口507设置在空压机502的储气筒上，所述进气阀506设置在气泵口507处；

压强控制系统5的工作原理如下：

气压是由气压调节阀的弹簧预紧度和调节螺栓设定的，当储气筒气压升到预定压强时，将推动气压调节阀503的膜片并带动芯杆向上升，使芯杆与阀门脱开，同时回位弹簧把阀门顶起，封闭与大气相同的气孔。这时压缩空气通过芯杆进入压缩机缸盖上的松压阀，使松压阀阀杆下行，把空压机的进气阀506的片顶开，使其不能关闭。这样空压机与大气相同。空压机开始空转，不再产生压缩空气。当储气筒气压低于8公斤/平方厘米时，弹簧推动膜片下行，使芯杆与阀门接触，关闭储气筒与松压阀之间的通道，同时芯杆下行把阀门顶离阀座，将排气通道打开，这样松压阀上方管路的压缩空气便由气压调节阀的排气口排除，松压阀杆在弹簧的作用下回位，进气阀开始起密封作用。空压机正常工作。

参见图2和图3，所述的降解槽4选自透析器或者设有置物板401的容器，所述置物板401为设有插孔402的条板，所述物板401固定在容器的内壁，所述插孔402用于固定被试验的样品。

采用上述的动态降解装置，进行高分子生物材料的动态降解的方法，包括如下步骤：

将酶缓冲溶液加入溶液池1，将高分子生物材料固定在置物板401的插孔402中，通过温度控制系统101控制温度为5～70℃，通过压强控制系统（5）控制系统的压力为10KPa～80MPa，然后启动进料蠕动泵2和循环蠕动泵（3），使缓冲溶液循环流动，控制酶缓冲溶液的线速度为100～200mL/min，使高分子生物材料，在动态下进行降解，对经过不同时间的降解试验的材料进行检测，即可获得该材料的降解性能。

实施例1

采用图1～图3的装置。

将淀粉酶缓冲溶液加入到溶液池1后，启动进料蠕动泵2和循环蠕动泵3，使缓冲溶液循环流动。

体系的温度可以通过恒温装置101调节，溶液流速可通过蠕动泵2和蠕动泵3控制，体系的压强通过压强控制装置5调节。

把5片分子量为20000，质量为10g的聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）片材样本放在片材降解槽中的置物板插孔上固定，片材厚为0.5cm；

所述的酶缓冲溶液，由如下重量百分比的组分组成：

NaAc                         45％

重量分数为36％的HAc溶液      54％

淀粉酶                       1％

蠕动泵的流量1000mL/min，压力（TMP）控制在50Kpa（500mmHg），温度为35℃，厌氧降解。

设定降解时间为4周，取出聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）片材样本，进行拉伸强度、降解率、GPC测定，见表1

表1

实施例2

采用图1～图3的装置。

酶缓冲溶液，由如下重量百分比的组分组成：

NaAc                         50％

重量分数为36％的HAc溶液      48％

蛋白酶                       2％

蠕动泵的流量1200mL/min，压力（TMP）控制在60Kpa（500mmHg），温度为32℃，厌氧降解。

设定降解时间为4周，取出聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）片材样本，进行拉伸强度、降解率、GPC测定，其它同实施例1，结果见表2.

表2

对比实施例1

用降解摇床对5个相同大小和质量的聚乳酸-羟基乙酸（PLGA）片材做对比实验，降解周期也为4周。

4周之后分别取出PLGA片材样品进行分析，数据如表3：

表3

上述数据表明，本装置的降解稳定性比摇床好很多，外界环境对降解率的影响可最大限度的得到控制。

Claims (4)

1.高分子生物降解材料的动态降解方法，其特征在于，是在一种持续流动降解装置中实现的，包括如下步骤：将高分子生物材料在一定的温度、一定的压力、特定的酶缓冲溶液且缓冲溶液线速度一定的的条件下，在持续流动态下进行降解，对经过不同时间的降解试验的材料进行检测，即可获得该材料的降解性能；

所述的高分子生物材料，为聚乳酸-羟基乙酸、聚乳酸、聚己内酯、聚羟基脂肪酸酯、脂肪族聚酯、聚酯醚、聚膦腈、聚原酸酯、聚碳酸酯、聚酸酐或聚氨基酸；

装置温度控制在35℃，压力为50KPa，缓冲溶液的线速度为1000mL/min，

所述的酶缓冲溶液，由如下重量百分比的组分组成：

NaAc                     45％

重量分数为36％的HAc溶液  54％

淀粉酶                   1％

或者：

装置温度控制在32℃，压力为60KPa，缓冲溶液的线速度为1200mL/min，

酶缓冲溶液，由如下重量百分比的组分组成：

NaAc                     50％

重量分数为36％的HAc溶液  48％

蛋白酶                   2％。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述装置，包括设有温度控制系统(101)的溶液池(1)、进料蠕动泵(2)、循环蠕动泵(3)、降解槽(4)和压强控制系统(5)；

所述进料蠕动泵(2)的入口与所述的溶液池(1)的物料出口相连接，进料蠕动泵(2)的出口与降解槽(4)的入口相连接，降解槽(4)的出口与循环蠕动泵(3)的入口相连接，循环蠕动泵(3)的出口与溶液池(1)的入口相连接，所述的压强控制系统(5)设置在降解槽(4)与循环蠕动泵(3)之间的管线上。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的压强控制系统(5)包括：压力传感器(501)，空压机(502)，气压调节阀(503)、大气口平衡阀(504)、大气口(505)、进气阀(506)和气泵口(507)；

所述系统平衡阀(503)的一端与空压机(502)储气筒相连通，另一端通过管线分别与压力传感器(501)、降解槽(4)和循环蠕动泵(3)之间的管线以及大气口(505)相连通，所述大气口平衡阀(504)设置在大气口(505)处，所述气泵口(507)设置在空压机(502)的储气筒上，所述进气阀(506)设置在气泵口(507)处。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的降解槽(4)选自透析器或者设有置物板(401)的容器，所述置物板(401)为设有插孔(402)的条板，所述物板(401)固定在容器的内壁。