大阪大學(xué)研究生院理學(xué)研究科的高島義德教授、研究生院工學(xué)研究科的宇山浩教授，以及共榮社化學(xué)公司（片倉清夫任董事長兼總經(jīng)理）等組成的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表研究成果稱，通過新的分子設(shè)計(jì)，在實(shí)現(xiàn)材料韌性比既往提升8倍的同時，利用生物催化劑“脂肪酶”開發(fā)出了一種可循環(huán)利用的生物降解聚合物。通過在環(huán)糊精的環(huán)狀結(jié)構(gòu)中引入由聚合物鏈貫通的可動交聯(lián)結(jié)構(gòu)，成功地提高了材料的穩(wěn)定性和壽命。這一研究成果有望為資源循環(huán)型社會做出貢獻(xiàn)。相關(guān)研究成果已于10月29日發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《Chem》上。

圖1. 使用生物催化脂肪酶的聚合物材料資源循環(huán)（供圖：大阪大學(xué)）

塑料等聚合物材料不僅因環(huán)境擴(kuò)散成為一大問題，在焚燒處理過程中由于會排放大量CO?而成為構(gòu)建循環(huán)型社會的一大挑戰(zhàn)。為解決這些問題，增強(qiáng)韌性提升材料的穩(wěn)定性和壽命以減少廢棄物（Reduce）、重復(fù)使用（Reuse），以及將使用后的材料作為資源再利用（Recycle）的3R目標(biāo)受到人們的期待。

此前，宇山教授等人曾經(jīng)報告過在有機(jī)溶劑中混合脂肪酶和PCL（聚ε-己內(nèi)酯）可以實(shí)現(xiàn)酶催化降解和再聚合。但由于此時聚合物材料的分子量還較低，韌性上存在問題，兼顧可降解性和韌性便成為了一大技術(shù)難題。

對此，此次研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用技術(shù)，引入了報告中提到的通過應(yīng)力分散進(jìn)一步提高韌性的可動交聯(lián)設(shè)計(jì)方案。

研究團(tuán)隊(duì)通過與異氰酸酯發(fā)生反應(yīng)，使含有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的環(huán)糊精CD二醇，嵌入到了由聚氨酯（PU）構(gòu)成的可降解聚合物（PCL-PU）的側(cè)鏈上，使得材料獲得了PCL-PU從CD環(huán)中貫穿的結(jié)構(gòu)，從而獲得了可動性。

在力學(xué)評價試驗(yàn)中，通過上述方法制備的可動交聯(lián)可降解聚合物的韌性與普通的PCL-PU相比提高了8倍。研究還發(fā)現(xiàn)，通過反復(fù)進(jìn)行酶反應(yīng)和再聚合，材料的分子量出現(xiàn)增加，韌性也得到了增強(qiáng)。

此外，在降解方面，材料的降解速度提升了20倍。依賴可動交聯(lián)引入量的降解加速，聚合物鏈的相互作用減弱，脂肪酶變得更易反應(yīng)。

研究進(jìn)一步證實(shí)了降解后的低分子量體可以通過再聚合實(shí)現(xiàn)回收利用。此外，它還可以與其他類型的聚乳酸、無機(jī)聚合物共聚，從而制造出具有不同化學(xué)性質(zhì)的聚合物。

高島教授表示：“這種材料本身可以直接應(yīng)用于社會，但社會上存在以服裝為代表的大量聚酯廢棄物。所以可以把我們開發(fā)的可降解物質(zhì)——“低聚物”混合到聚酯材料中，從而將其改造成具有前所未有的可降解性優(yōu)異、韌性也好的材料，進(jìn)而能制造出兼具壽命長和可降解性的可回收利用聚酯。”

【論文信息】
期刊：Chem
論文：Exploring Enzymatic Degradation, Reinforcement, Recycling and Upcycling of Poly(ester)s-Poly(urethane) with Movable Crosslinks
DOI：doi.org/10.1016/j.chempr.2024.09.026