聚乳酸的酶促降解：结晶度、非晶链取向及晶体取向的影响

《Polymer Degradation and Stability》：Enzymatic degradation of poly(lactic acid): Effects of crystallinity, amorphous chain orientation, and crystal orientation

　　

摘要

控制生物降解塑料的降解速率，需要从根本上理解其固态结构与酶促降解性之间的关系。研究人员系统研究了包括结晶度、非晶链取向和晶体取向在内的固态结构对蛋白酶K（proteinase K）酶促降解聚乳酸（poly(lactic acid)，PLA）的影响。结晶PLA的降解速率随结晶度增加而降低，表明非晶相比结晶相降解得更快。研究人员提出的动力学模型揭示，片晶间非晶区的降解速率比本体非晶区约低一个数量级。这一差异表明，可能涉及链约束导致的分子迁移率降低和/或结晶片晶导致的酶可及性受限。为考察这些可能性，研究人员制备了拉伸非晶态和拉伸结晶态PLA样品。拉伸非晶态PLA的降解速率几乎与拉伸比无关，表明非晶链取向对整体降解速率影响甚微。相比之下，拉伸结晶态PLA的降解速率高于未拉伸结晶态PLA，尽管二者结晶度相当。这一增加归因于片晶结构的取向，其在样品表面暴露了edge-on片晶，促进了酶对片晶间非晶区的可及性。这些结果表明，PLA的酶促降解不仅受结晶度控制，还受高级片晶结构的影响。本研究提示，通过加工条件调控结晶形态，可以控制生物降解速率。

论文解读：聚乳酸酶促降解的固态结构依赖性

一、研究背景与科学问题

塑料因其优异的性能与加工性极大丰富了日常生活，但高耐久性和抗降解性也使其在环境释放后长期残留，引发严重的环境问题。尤其是海洋塑料污染已引起全球关注，塑料在海洋环境中不仅通过摄食和缠绕对生物造成直接伤害，还会在紫外辐照和波浪作用下碎裂，最终形成直径小于5 mm的微塑料。微塑料可被海洋生物摄食并沿食物链传递，其潜在的生态影响还包括添加剂引起的内分泌干扰效应以及对环境中持久性有机污染物的吸附富集。作为有效解决方案之一，生物降解塑料受到广泛关注，代表性品种包括聚乳酸（PLA）、聚羟基链烷酸酯（PHA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）和聚ε-己内酯（PCL）。尽管生物降解塑料具有优异的降解性，但其相对较低的耐久性和稳定性仍是问题，因此需要根据预期应用控制其降解速率。

生物降解塑料的降解是通过微生物分泌的降解酶吸附到材料表面而进行的。已有研究表明，PHA的酶促降解速率受结晶度、片晶厚度和微晶尺寸等多种结构因素控制。本课题组前期还发现，聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基己酸酯)（PHBH）纤维的酶促降解速率随晶体相对于降解表面的取向而变化。对于蛋白酶K降解PLA的研究，已有工作主要集中在单晶或非晶膜体系，半结晶样品的研究尚不充分。尽管对熔融结晶PLLA进行过酶促降解研究，但主要结论是非晶相比结晶相降解更快，而非晶链取向、晶体取向及高级片晶结构等因素对酶促降解行为的影响仍认识不足。这是因为在拉伸、结晶等加工过程中多种结构因素同时变化，难以分离各因素的独立贡献。

二、研究内容与总体结论

本研究以不同加工条件下制备的PLA样品为模型材料，系统研究了固态结构与酶促降解速率之间的关系。酶促降解实验在37°C下进行，而PLA的玻璃化转变温度T_g约为55–60°C，因此在降解测试过程中加工形成的固态结构能够保持而不发生显著的结构松弛或再结晶。通过控制结晶时间和结晶温度制备了不同固态结构的样品，通过控制拉伸比制备了不同非晶链取向和晶体取向的样品，并定量评价了各结构因素对酶促降解速率和降解形貌的影响。

研究发现，结晶PLA的降解速率随结晶度增加而降低；所提出的动力学模型揭示片晶间非晶区的降解速率比本体非晶区约低一个数量级；拉伸非晶态PLA的降解速率几乎与拉伸比无关；拉伸结晶态PLA的降解速率高于未拉伸样品，这归因于edge-on片晶在表面的暴露促进了酶对片晶间非晶区的可及性。这些结果表明，PLA的酶促降解不仅受结晶度控制，还受高级片晶结构的影响，通过加工条件调控结晶形态是控制生物降解塑料降解速率的有效策略。该论文发表在《Polymer Degradation and Stability》。

三、主要技术方法

研究人员采用热压成型制备PLA片材，通过控制熔融结晶温度（100、110、120°C）和时间（7–120 min）获得不同结晶度的结晶PLA样品；在55°C下使用万能拉伸试验机对非晶态PLA进行单轴拉伸，拉伸比（DR）从1.00到2.00，制备了不同分子链取向的拉伸非晶态PLA，并通过对拉伸非晶样品在110°C退火制备了拉伸结晶态PLA；另外在145°C熔融结晶12 h制备了PLA带状球晶样品，用于研究片晶扭转对降解行为的影响。表征手段包括：差示扫描量热法（DSC）测定结晶度；小角X射线散射/广角X射线衍射（SAXS/WAXD）测定片晶厚度、长周期和晶体取向因子f_c；偏振傅里叶变换红外光谱（FT-IR）测定非晶链取向因子f_a和晶体取向因子f_c；扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）观察降解前后表面形貌。降解测试在37°C、pH 8.5的Tris-HCl缓冲液中进行，蛋白酶K浓度为200 μg/mL。

四、研究结果

1. 结晶度对降解行为的影响

研究人员通过控制结晶温度和时间制备了具有不同结晶度、长周期和片晶厚度的结晶PLA样品。XRD结果表明，100°C结晶的样品主要含α′晶型，120°C结晶的样品主要含α晶型。酶促降解实验显示，各结晶温度下失重均随结晶度增加而减少，这是因为结晶度增加减少了酶可攻击的非晶区比例。SEM观察发现，结晶7 min的样品球晶生长不完全，球晶间的非晶区被优先降解；结晶15 min以上的样品球晶生长完全，降解在球晶内部不均匀进行，呈现出从球晶中心向外辐射的片晶纹理形貌，表明片晶间非晶区被优先降解而片晶保持完整。降解前后分子量几乎不变而结晶度增加，证实降解仅发生在样品表面而非内部，且片晶间非晶区优先于片晶本身被降解。

基于降解速率与结晶度的关系，研究人员提出了区分本体非晶区和片晶间非晶区降解速率的动力学模型。模型拟合结果显示，片晶间非晶区的降解速率R_a′为3.8×10^-2 mg/(cm²·h)，比本体非晶区R_a（2.5×10^-1 mg/(cm²·h)）约低一个数量级。这一差异可能源于两方面：一是片晶间非晶区中的高分子链作为系带分子或环状链被约束在晶片之间，链迁移率和自由体积降低，导致酶促降解性下降；二是结晶相可能作为酶扩散和吸附的障碍，片晶间非晶区在样品表面的暴露在空间上不均匀，部分区域被结晶相覆盖而酶可及性受限。

2. 非晶链取向对降解行为的影响

研究人员通过在55°C单轴拉伸非晶态PLA制备了具有不同分子链取向的样品。偏光显微镜观察确认了分子链沿拉伸方向取向，WAXD证实拉伸过程中未发生结晶。偏振FT-IR测量显示，957 cm^-1吸收带（主链骨架振动，主要贡献来自非晶组分）表现出平行二向色性，f_a随拉伸比增加从0增加到0.21，表明分子链取向度提高。

酶促降解实验显示，不同拉伸比样品的降解速率几乎没有差异，说明非晶链取向度对整体酶促降解速率影响很小。SEM和AFM观察发现，未拉伸样品降解后表面形成细微粗糙度而无方向性；拉伸样品则沿拉伸方向形成周期性表面起伏，且起伏尺度随拉伸比增加而增大，从约140 nm增至约1500 nm。研究人员认为，拉伸变形导致自由体积分布不均匀，形成了局部降解速率的差异；但降解6 h后厚度方向已降解约30 μm，远大于表面起伏的尺度，因此局部不均一性对整体平均降解速率影响不大。该结果表明，在非晶PLA中拉伸诱导了降解行为的局部不均匀性，但非晶链取向不是控制PLA整体酶促降解速率的主导因素。

3. 晶体取向对降解行为的影响

研究人员将拉伸非晶态PLA在110°C固定长度退火，制备了拉伸结晶态PLA。偏振FT-IR显示922 cm^-1（结晶组分，垂直二向色性）和957 cm^-1（非晶组分，平行二向色性）吸收带的二向色性均随拉伸比增加而增强，f_c和f_a均增大并在DR = 1.75后趋于饱和。WAXD图案中，未拉伸样品呈各向同性衍射环，拉伸样品则出现尖锐的衍射斑点，(110)/(200)衍射峰出现在赤道位置，表明c轴强烈沿拉伸方向取向。SAXS图案中，未拉伸样品呈各向同性散射环，拉伸样品在子午线方向出现斑点状散射，表明晶相和非晶相沿拉伸方向交替堆叠。所有样品的结晶度几乎相同（0.53–0.54），消除了结晶度差异的干扰。

酶促降解实验显示，拉伸样品的降解速率明显高于未拉伸样品，且随f_c增加而增大。SEM观察发现，未拉伸样品降解后呈现清晰的球晶结构，拉伸样品则无球晶结构而呈现细小表面粗糙度。由于各样品结晶度相近且非晶取向影响不大，降解速率的差异归因于晶体取向和高级结构的差异。在未拉伸样品中晶体随机取向，而拉伸样品中片晶结构沿拉伸方向取向，edge-on片晶暴露在降解表面，使片晶间非晶区更容易被酶接近，从而提高了降解速率。

为进一步验证该结论，研究人员制备了PLA带状球晶，其中片晶沿球晶径向协同扭转。偏光显微镜中交替出现消光环（黑色，对应flat-on片晶）和双折射带（黄色，对应edge-on片晶）。酶促降解40 h后，球晶表面沿径向交替出现光滑区和粗糙区，间距与带状周期一致，降解显著发生在双折射带（edge-on片晶）区域。这直接证明了edge-on片晶区域的降解速率高于flat-on片晶区域，与拉伸结晶PLA的实验结果一致。

五、讨论与结论

在讨论部分，研究人员指出本研究中评价的降解速率主要来源于降解初期阶段，此时失重近似线性增加且原始高级结构基本保持。随着降解的进行，非晶相的优先去除可能改变表面形貌、片晶间非晶区的暴露状态以及剩余片晶结构的组织方式，因此所提出的结构解释不能不加修正地适用于整个降解过程。

研究结论明确表明：结晶PLA的降解速率随结晶度增加而降低，非晶相比结晶相优先降解；片晶间非晶区的酶促降解速率比本体非晶区低约一个数量级，这归因于链约束导致的分子迁移率降低和/或结晶片晶导致的酶可及性受限；非晶链取向对整体酶促降解速率影响很小；晶体取向通过改变片晶间非晶区在表面的暴露状态显著影响降解速率，edge-on片晶区域比flat-on片晶区域降解更快。因此，PLA的酶促降解行为不仅受结晶度控制，还受高级片晶结构和片晶间非晶区表面暴露状态的控制。通过加工条件调控结晶形态，是控制生物降解塑料降解速率的有效策略。