塑料新時(shí)代

勞拉·查帕羅

蓬勃發(fā)展的塑料行業(yè)德國(guó)巴斯夫公司將裂褶菌加入聚合物材料，生產(chǎn)出了一種新型生物聚合物。研究人員表示，通過化學(xué)方法得到的聚合物往往穩(wěn)定性很差，并且在一定的應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生降解，而生物聚合物具有優(yōu)秀的穩(wěn)定性，裂褶菌素還具有極好的耐高溫性，生產(chǎn)出的生物聚合物可作為增稠劑，用于提高油氣行業(yè)的采收率。

塑料在19世紀(jì)初投入市場(chǎng)，這種有機(jī)合成的高分子材料因?yàn)榛瘜W(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、不易銹蝕、絕緣性好、耐沖擊性好和加工成本低等優(yōu)勢(shì)，在消費(fèi)體量上逐漸超過了鋼鐵材料，成為世界第一大工業(yè)材料。

但在過去的幾十年里，塑料制品一直飽受大眾媒體詬病，塑料包裝還被冠上了“白色垃圾”的罪名。在人們的印象里，使用塑料制品不僅會(huì)造成資源浪費(fèi)，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成破壞，但事實(shí)上，塑料制品只要回收得當(dāng)，非但不會(huì)浪費(fèi)資源，相反還能節(jié)約資源、保護(hù)環(huán)境——從生態(tài)學(xué)的角度來說，塑料是一種節(jié)能環(huán)保的材料。

| 使用塑料更環(huán)保 |

產(chǎn)生溫室氣體的一個(gè)主要因素就是石化燃料的燃燒，通過使用塑料材料，可以減少工業(yè)和家庭用石化燃料的使用。比如，在建筑隔層中使用高效率的保溫材料PVC（聚氯乙烯），可以減少9%的能耗。使用塑料復(fù)合材料制造汽車、飛機(jī)上的部分零件，不僅會(huì)比傳統(tǒng)的鋼材更耐久，還能使汽車、飛機(jī)體質(zhì)輕量化，從而減少運(yùn)輸能耗。一輛全部使用塑料復(fù)合材料零件的汽車，其重量可以減輕70%，也減少了汽車輪胎與路面的摩擦力，降低能源消耗，比使用鋁材和鋼材更節(jié)能環(huán)保。

聯(lián)合國(guó)糧農(nóng)組織的資料顯示，全球每年約有13億噸食品因?yàn)闆]有合適的包裝而腐爛，這些丟棄的腐爛食物會(huì)對(duì)環(huán)境造成極大的污染，因?yàn)槠骄可a(chǎn)一公斤的肉類，就會(huì)產(chǎn)生十幾公斤的二氧化碳，對(duì)于消費(fèi)者來說，重新購(gòu)買食物也是一種浪費(fèi)。而塑料包裝憑著其優(yōu)良的氧氣阻隔性能，可以使許多食品的保質(zhì)期得以延長(zhǎng)，從而減少食物浪費(fèi)和溫室氣體排放。

為了解決當(dāng)前世界上石化資源緊張的問題，世界各國(guó)都在開發(fā)風(fēng)能、太陽(yáng)能、氫能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉?，這其中也少不了塑料的貢獻(xiàn)。比如，工業(yè)用風(fēng)能裝置上的一些關(guān)鍵性零件都是由高強(qiáng)、輕量、耐久、不易腐蝕的塑料材料制成，氫能的輸送、儲(chǔ)存也都要依賴于聚合物材料。

| 塑料結(jié)合3D打印技術(shù) |

隨著3D打印技術(shù)的逐步成熟，塑料材料甚至能被打印成人體組織和器官，這也是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一項(xiàng)重大突破。去年，美國(guó)加州大學(xué)生物材料實(shí)驗(yàn)室就制造出了仿生血管網(wǎng)絡(luò)，研究小組通過聚合物材料封裝活細(xì)胞的方式，結(jié)合3D打印技術(shù)形成了仿生血管組織。這種仿生血管網(wǎng)絡(luò)可以為組織、器官供血，輸送營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、代謝產(chǎn)物和其他生物材料。在小白鼠實(shí)驗(yàn)中已證實(shí)，仿生血管網(wǎng)絡(luò)能成功地與小白鼠自身的血管網(wǎng)絡(luò)形成一體，使血液正常循環(huán)。

結(jié)合3D 打印技術(shù)美國(guó)斯克利普斯生物醫(yī)學(xué)研究所運(yùn)用3D打印技術(shù)，將聚合物材料封裝人體細(xì)胞作為原料，打印出了仿生人體皮膚、血管和其他人體器官組織。

藥物靶向輸送聚合物納米材料可作為藥物載體，實(shí)現(xiàn)藥物在人體內(nèi)靶向輸送。如圖就是兩個(gè)載有疫苗的聚合物納米粒子，它們可以穿過其他大分子藥物難以穿過的生物屏障，進(jìn)入人體器官組織，將藥物靶向輸送至目標(biāo)細(xì)胞。

同樣在去年，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)制造出了世界上第一顆軟體人造硅膠心臟。研究人員通過3D打印技術(shù)，將硅膠材料合成了人工心臟，這種人工心臟有著和真的心臟一樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，跳動(dòng)起來也與真的無(wú)異，唯一的缺點(diǎn)就是壽命太短，硅膠心臟大約跳動(dòng)3000次后就會(huì)開始衰減，相當(dāng)于只能維持45分鐘左右，因此暫時(shí)無(wú)法投入臨床應(yīng)用。盡管如此，這項(xiàng)研究仍展現(xiàn)出，將塑料材料結(jié)合3D打印技術(shù)合成人造生物器官這一想法，在未來會(huì)有很大的發(fā)展空間。

| 結(jié)合納米技術(shù) |

西班牙巴斯克大學(xué)納米材料實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出了一種復(fù)合凝膠，可以作為骨再生材料，幫助骨折、骨損失和骨質(zhì)疏松癥患者進(jìn)行有效的再生治療。目前，臨床上治療骨缺損主要還是使用自體骨移植，但這種傳統(tǒng)的治療方式存在著供體部位發(fā)病率高和獲得率低等問題，因此，要找到合適的骨組織再生替代材料，對(duì)于治療骨缺損有著非常重要的意義。

實(shí)驗(yàn)室的戈?duì)柨āW利維教授稱，他們發(fā)現(xiàn)明膠納米顆粒在雙膦酸官能化時(shí)，對(duì)生物活性玻璃顆粒具有很強(qiáng)的粘附性。由它制成的復(fù)合凝膠可以通過增強(qiáng)骨質(zhì)疏松性骨組織的骨密度，誘導(dǎo)周圍細(xì)胞增殖分化，刺激骨質(zhì)疏松處骨組織的再生，從而在無(wú)需任何成骨補(bǔ)充劑的情況下就能起到治療作用。

新型聚合物納米材料還可以作為藥物載體，實(shí)現(xiàn)藥物在人體內(nèi)靶向輸送。很多具有生物活性的大分子藥物難以穿過生物屏障，進(jìn)入人體器官組織，但納米材料可以做到，載有藥物的聚合物納米粒子可通過口服、皮下注射、動(dòng)脈注射、靜脈點(diǎn)滴等方式進(jìn)入人體，穿過肝臟內(nèi)皮或淋巴將藥物傳送到脾臟和骨髓，甚至可以直接到達(dá)腫瘤組織。

| 結(jié)合生物技術(shù) |

目前，全球普遍使用的還是聚乙烯和聚丙烯這兩種石油基塑料。盡管成本低廉的石油基塑料為人們的生活帶來了便利，但它將近幾百年的降解周期，還是對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了一定的負(fù)擔(dān)，所以，如何開發(fā)出一種能替代石油基塑料的可降解塑料，成為了科學(xué)家們近年來關(guān)注的重點(diǎn)。

所謂降解，也就是被微生物吃掉，再進(jìn)入食物鏈自然循環(huán)。一種名為PHA（聚羥基脂肪酸酯）的新型生物塑料，由于其優(yōu)秀的可降解性，在眾多種塑料材料中脫穎而出，受到了科學(xué)家們的關(guān)注。PHA是由微生物合成的一種生物基材料，它的材料學(xué)性質(zhì)與傳統(tǒng)的石油基塑料相似，可以在50%以上的石油基塑料應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮替代作用。它最大的特點(diǎn)是在幾乎所有環(huán)境（土壤、海水、堆肥）中都可以被微生物分解，在土壤中只需3～6個(gè)月就能被分解成二氧化碳和氧氣，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，是一種環(huán)境友好型的塑料材料。

尖端納米材料上圖是美國(guó)的一個(gè)人工光合作用實(shí)驗(yàn)室，研究人員效仿自然界的光合作用，利用納米級(jí)光感應(yīng)材料將光能轉(zhuǎn)化為電能，由此產(chǎn)生氧化還原酶反應(yīng)，這是一種利用光能生成精密化學(xué)物質(zhì)的技術(shù)。

這種納米感應(yīng)材料技術(shù)也可以應(yīng)用于人體，如左圖就是將薄薄一層納米材料覆蓋在人體皮膚上，通過傳感器記錄人體各項(xiàng)生命體征。

應(yīng)對(duì)能源短缺塑料在開發(fā)風(fēng)能、氫能、太陽(yáng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉搭I(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，可以幫助人們應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)。例如，風(fēng)能裝置上的關(guān)鍵零件都是由高強(qiáng)、輕量、耐久、不易腐蝕的塑料材料制成的。

作為一種新型生物塑料材料，PHA不僅可以像傳統(tǒng)塑料一樣制成塑料模、塑料瓶等塑料包裝，還可以紡成纖維，應(yīng)用于整型外科、生物醫(yī)藥和特殊包裝等專業(yè)領(lǐng)域。除此之外，PHA還具有很好的生物相容性，可以作為外科手術(shù)縫合線、藥物緩釋載體和人體組織的移植物來使用。

由PHA制成的骨釘、骨棒等固定骨架材料，和傳統(tǒng)材料相比不僅具有增強(qiáng)作用，還可以促進(jìn)人體組織的生長(zhǎng)，當(dāng)新的組織長(zhǎng)出后，PHA材料逐漸降解，分解出的產(chǎn)物可以被人體吸收，不會(huì)引起任何不良反應(yīng)。不過，因?yàn)镻HA的成本比傳統(tǒng)聚丙烯和聚乙烯塑料高3～10倍，所以這種生物塑料還沒有完全得到普及，目前主要運(yùn)用在生物醫(yī)藥領(lǐng)域。

不論是現(xiàn)在還是未來，塑料都對(duì)人類意義重大。我們期待，隨著塑料技術(shù)日新月異的發(fā)展，新型塑料會(huì)讓人們的生活環(huán)境更美好。

[譯自西班牙《真有趣》]