生物聚合物

生物聚合物是由生物体产生的天然聚合物 ; 换句话说，它们是衍生自细胞或细胞外物质的聚合生物分子。生物聚合物包含共价键形成较大结构的单体单元。根据所使用的单体单元和所形成的生物聚合物的结构，生物聚合物分为三大类：多核苷酸、多肽和多糖。更具体地说，多核苷酸（例如RNA和DNA）是由13个或更多核苷酸组成的长聚合物 单体。多肽或蛋白质是氨基酸的短聚合物，主要例子包括胶原蛋白，肌动蛋白和纤维蛋白。最后一类，多糖，通常是线性键合的聚合碳水化合物结构，一些例子包括纤维素和藻酸盐。生物聚合物的其他例子包括橡胶、木栓质、黑色素和木质素。

生物聚合物具有各种应用，例如在食品工业、制造、包装和生物医学工程中。

生物聚合物和合成聚合物之间的主要区别在于结构。所有聚合物均由称为单体的重复单元制成。生物聚合物通常具有定义明确的结构，尽管这不是定义特征。对于蛋白质，确切的化学组成和排列这些单元的顺序称为一级结构。许多生物聚合物自发地折叠成特征紧凑的形状，它们决定了它们的生物学功能，并以复杂的方式依赖于它们的主要结构。结构生物学是对生物聚合物结构特性的研究。相反，大多数合成聚合物具有更简单，更随机的结构。这一事实导致生物聚合物中缺少分子量分布。实际上，由于在大多数体内系统中，它们的合成受模板指导的过程控制，所以所有类型的生物聚合物（例如一种特定的蛋白质）都是相同的：它们都包含相似的序列和数量的单体，因此都具有相同的同样的质量。与多分散性相反，这种现象称为单分散性在合成聚合物中遇到。结果，生物聚合物的多分散指数为1。

有许多用于确定序列信息的生物物理技术。蛋白质序列可以通过Edman降解来确定，其中N末端残基一次从一条链中水解出来，衍生化，然后进行鉴定。大众光谱仪技术也可以使用。核酸序列可以使用凝胶电泳和毛细管电泳来确定。最后，这些生物聚合物的机械性能通常可以使用光镊或原子力显微镜来测量。双极化干涉仪 当受到pH，温度，离子强度或其他结合伴侣刺激时，可用于测量这些材料的构象变化或自组装。

胶原蛋白：胶原蛋白是脊椎动物的主要结构，是哺乳动物中最丰富的蛋白质。因此，胶原蛋白是最容易获得的生物聚合物之一，并用于许多研究目的。由于其机械结构，胶原蛋白具有高拉伸强度，并且是无毒，易于吸收，可生物降解和生物相容的材料。因此，它已经用于许多医学应用，例如用于组织感染的治疗，药物递送系统和基因治疗。

丝素蛋白：丝素蛋白（SF）是另一种富含蛋白质的生物聚合物，可以从不同的蚕种中获得，例如桑蚕Bombyx mori。与胶原蛋白相比，SF具有较低的拉伸强度，但由于其不溶性和纤维状蛋白质成分而具有很强的粘合性能。在最近的研究中，发现丝素蛋白具有抗凝特性和血小板粘附性。还发现丝素蛋白在体外支持干细胞增殖。

明胶：明胶得自由半胱氨酸组成的I型胶原蛋白是由动物骨骼，组织和皮肤中的胶原蛋白部分水解而产生的。明胶有两种类型，即A型和B型。A型胶原蛋白是通过胶原蛋白的酸水解而衍生的，具有18.5％的氮。B型是通过含18％氮且不含酰胺基团的碱性水解反应得到的。升高的温度导致明胶熔化并以卷状存在，而较低的温度导致卷状向螺旋状转变。明胶包含许多官能团，例如NH2，SH和COOH，这些官能团允许使用非微粒和生物分子对明胶进行修饰。明胶是一种细胞外基质蛋白，可将其用于伤口敷料，药物递送和基因转染等应用。

淀粉：淀粉是一种廉价的可生物降解的生物聚合物，并且供应充足。可以将纳米纤维和超细纤维添加到聚合物基质中，以增加淀粉的机械性能，从而改善弹性和强度。没有纤维、淀粉由于对水分的敏感性而具有差的机械性能。淀粉是可生物降解和可再生的，可用于许多应用，包括塑料和药物片剂。

纤维素：纤维素的结构非常复杂，具有堆叠的链，可提高稳定性和强度。强度和稳定性来自由糖原键连接在一起的葡萄糖单体引起的更直的纤维素形状。笔直的形状使分子紧密堆积。纤维素由于其丰富的供应，其生物相容性和环境友好性而在应用中非常普遍。纤维素以称为纳米纤维素的纳米原纤维的形式广泛使用。低浓度的纳米纤维素产生透明的凝胶材料。该材料可用于在生物医学领域非常有用的可生物降解、均匀、致密的薄膜。

海藻酸盐： 海藻酸盐是衍生自褐藻的最丰富的海洋天然聚合物。藻酸盐生物聚合物的应用范围从包装，纺织和食品工业到生物医学和化学工程。海藻酸盐的首次应用是以伤口敷料的形式，在那里发现了其凝胶状和吸收性。当用于伤口时，藻酸盐会产生一层保护性凝胶层，最适合愈合和组织再生，并保持稳定的温度环境。另外，由于藻酸盐的密度和纤维组成的变化，可以容易地控制药物的释放速率，因此藻酸盐作为药物传递介质已经有了发展。

聚（ε-己内酯）（PCL）： PCL是一种可生物降解的，生物相容的聚酯，是一种聚合物，其主链具有酯官能团。PCL在生物医学领域被广泛使用。它用于创建用于细胞和组织工程的支架，并且可以支持多种细胞类型。PCL对于组织工程应用特别有用，因为在生理条件下，PCL会降解，但如果其酯键会水解。由于其低降解速率，此特性使其非常适合长期可植入生物材料。

由于生物医学工程的主要目的之一是模仿身体部位以维持正常的身体功能，由于其生物相容性，生物聚合物被广泛用于组织工程，医疗设备和制药行业。许多生物聚合物由于其机械性能而可用于再生医学、组织工程、药物输送和整体医学应用。它们具有伤口愈合，生物活性催化和无毒等特性。与合成聚合物相比，合成聚合物可能表现出各种缺点，如免疫原性排斥和降解后的毒性、与人体相似、许多生物聚合物通常具有更好的身体整合性，因为它们还具有更复杂的结构。

更具体地说，诸如胶原蛋白和丝绸之类的多肽是具有生物相容性的材料，被用于开创性的研究中，因为它们是廉价且易于获得的材料。明胶聚合物通常用于包扎伤口的地方，在其中它起着粘合剂的作用。允许支架容纳药物和其他营养物，这些药物和其他营养物可用于为伤口提供愈合。

由于胶原蛋白是生物医学中最受欢迎的生物聚合物之一，因此以下是其用途的一些示例：

基于胶原蛋白的药物输送系统：胶原蛋白膜就像屏障膜一样，可用于治疗组织感染，例如感染的角膜组织或肝癌。胶原膜已全部用于基因传递载体，可促进骨骼形成。

胶原蛋白海绵：胶原蛋白海绵用作敷料，可治疗烧伤患者和其他严重伤口。基于胶原蛋白的植入物用于培养的皮肤细胞或药物载体，用于烧伤创面和替代皮肤。

胶原蛋白作为止血剂：胶原蛋白与血小板相互作用时，会引起血液快速凝结。这种快速凝结产生了一个临时的框架，因此纤维基质可以被宿主细胞再生。胶原蛋白止血剂可减少组织的失血，并有助于处理肝脏和脾脏等细胞器官的出血。

壳聚糖是生物医学研究中另一种流行的生物聚合物。壳聚糖是甲壳类和昆虫外骨骼的主要成分，也是世界上第二大生物聚合物。壳聚糖在生物医学领域具有许多出色的特性。壳聚糖具有生物相容性，具有很高的生物活性，这意味着它可以激发人体的有益反应，可以生物降解，从而消除了植入应用中的第二次手术，可以形成凝胶和薄膜，并且具有选择性渗透性。这些性质允许壳聚糖的各种生物医学应用。

壳聚糖作为药物递送：壳聚糖主要用于靶向药物，因为它具有改善药物吸收和稳定性的潜力。此外，与抗癌剂结合的壳聚糖还可以通过使游离药物逐渐释放到癌组织中而产生更好的抗癌作用。

壳聚糖作为抗微生物剂：壳聚糖用于阻止微生物的生长。它在不同酵母物种的藻类，真菌，细菌和革兰氏阳性细菌等微生物中发挥抗菌功能。

用于组织工程的壳聚糖复合材料：壳聚糖与藻酸盐的混合功效可一起用于形成功能性伤口敷料。这些敷料创造了湿润的环境，有助于愈合过程。这种伤口敷料还具有很高的生物相容性，可生物降解性，并具有多孔结构，可让细胞生长到敷料中。

食品：生物聚合物在食品工业中用于包装，可食用的包装薄膜和涂层食品等产品。聚乳酸（PLA）在食品工业中非常常见，因为其颜色清晰且耐水。然而，大多数聚合物具有亲水性，并且在暴露于湿气时开始恶化。生物聚合物也被用作包裹食品的可食用薄膜。这些薄膜可以承载抗氧化剂、酶、益生菌、矿物质和维生素等物质。被生物聚合物薄膜包裹的食用食品可以将这些食物提供给人体。

包装：包装中最常用的生物聚合物是聚羟基链烷酸酯（PHA）、聚乳酸（PLA）和淀粉。淀粉和PLA是可商购的可生物降解的材料，使其成为包装的常见选择。但是，它们的阻隔性能和热性能不是理想的。亲水性聚合物不耐水，会使水通过包装，这会影响包装的内容物。聚乙醇酸（PGA）是一种生物聚合物，具有强大的阻隔特性，目前正用于纠正PLA和淀粉的阻隔性障碍。

水净化：一种称为壳聚糖的新型生物聚合物已用于水净化。壳聚糖用作絮凝剂，只需几周或几个月而不是数年即可降解到环境中。当壳聚糖从水中去除金属时，它通过螯合纯化水。螯合是指沿着聚合物链的结合位点与水中的金属结合而形成的分子。壳聚糖已在许多情况下用于清除可能已被污染的暴风雨或废水。

某些生物聚合物（例如 PLA，天然玉米醇溶蛋白和聚3-羟基丁酸酯）可用作塑料，取代了对聚苯乙烯或聚乙烯基塑料的需求。

现在将某些塑料称为“可降解的”、“氧可降解的”或“ UV可降解的”。这意味着它们在暴露于光或空气中时会分解，但这些塑料仍主要（高达98％）以石油为基础，目前尚未获得欧盟关于包装和包装废料的指令认证为“可生物降解” （ 94/62 / EC）。生物聚合物会分解，有些适合于家庭堆肥。

生物聚合物（也称为可再生聚合物）由生物质生产，用于包装行业。生物质来自甜菜，马铃薯或小麦等农作物：当用于生产生物聚合物时，这些生物质被归类为非粮食作物。这些可以通过以下途径进行转换：

甜菜 >乙二酸>聚乙醇酸

淀粉 >（发酵）> 乳酸 > 聚乳酸（PLA）

生物质 >（发酵）> 生物乙醇 > 乙烯 > 聚乙烯

生物聚合物可以制成许多类型的包装：食品托盘，用于运输易碎物品的吹制淀粉颗粒，用于包装的薄膜。

生物聚合物可以是可持续的，碳中和的，并且总是可再生的，因为它们是由可以无限期生长的植物材料制成的。这些植物材料来自农业非粮食作物。因此，生物聚合物的使用将创造一个可持续的产业。相反，衍生自石化产品的聚合物的原料最终将耗尽。此外，生物聚合物具有减少碳排放并减少大气中CO ₂数量的潜力：这是因为降解时释放的CO ₂可以被种植替代作物的农作物吸收，这使它们接近碳中和。

生物聚合物是可生物降解的，有些也可堆肥。一些生物聚合物是可生物降解的：它们被微生物分解为CO ₂和水。这些可生物降解的生物聚合物中有一些是可堆肥的：可以将其投入工业堆肥过程中，并在六个月内分解90％。根据欧洲标准EN 13432（2000），执行此操作的生物聚合物可以用“可堆肥”符号标记。标有该符号的包装可以放入工业堆肥过程中，并且会在六个月或更短的时间内损坏。可堆肥聚合物的一个例子是厚度小于20μm的PLA膜：比其厚的膜即使可“生物降解”，也不能视为可堆肥。在欧洲，有一个家庭堆肥标准和相关的徽标，使消费者能够识别和处理堆肥中的包装。