塑料制品给人们的生活带来便利，但大部分常用塑料在自然环境中都不可降解，且只有少部分废弃塑料被回收利用，废弃塑料带来严重的环境污染问题[1-3]。为应对塑料污染问题，可采用掩埋、焚烧、再生、替代等方式。利用生物降解塑料替代不可降解塑料是解决白色污染的有效途径之一[4-5]。生物降解塑料是指能够被土壤、污水及海水中的细菌、霉菌、藻类等微生物分解的塑料。生物降解塑料的优点是可制成堆肥回归大自然，不污染环境，兼具生物降解和光降解性能，不需要焚烧，能够有效减少有害气体的排放，降解后体积减小，节约了用于填埋的土地资源。部分生物降解塑料具有加工性能良好、阻气性好、断裂伸长率高等优点[6]。由生物基原料制备生物降解塑料时，能够在一定程度上减轻对化石能源的依赖，是实现绿色可持续发展的重要途径[7]。本研究针对生物降解塑料的简介、分类和应用等方面进行综述，为生物降解塑料的深入研究提供参考。1生物降解塑料的简介生物降解塑料是指由自然界存在的微生物作用引起降解[包括在自然界条件下、在特定条件下（如堆肥化）、在厌氧消化条件下和（或）水性培养液中]，并最终完全降解变成二氧化碳（CO2）或（和）甲烷、水及其所含元素的矿物无机盐和新的生物质的塑料，是可降解塑料的一种[8]。生物降解塑料需要与其他可降解塑料相区分，如可堆肥塑料是指在堆肥化条件下可以分解成CO2和水的一类塑料。生物基塑料是组成单元全部或部分来自生物质的塑料。显然，可堆肥塑料、生物基塑料与生物降解塑料是不同的[9]。可堆肥塑料要求最终分解产物为CO2和水，且最终堆肥中的重金属含量、生态毒性、残留碎片等应符合相关标准的规定，其要求比生物降解塑料的要求更明确和严苛[10]。生物基塑料则强调原材料来源主要为可再生资源，但生物基塑料并非均能生物分解，只有降解性能满足生物分解性能要求或其所有组分均能生物分解时，才能称作生物降解塑料[11-12]。目前，由天然生物质资源制备的生物降解塑料的生物分解性能优异，原材料丰富易得。本研究概述了生物降解塑料的种类和应用的研究进展。2生物降解塑料的分类目前，生物降解塑料主要按其原料来源和合成方式进行分类，包括利用石化资源合成得到的石化基生物降解塑料、利用可再生材料及其衍生物得到的生物基生物降解塑料和由以上两类材料共混加工得到的生物降解塑料[13]。2.1石化基生物降解塑料石化基生物降解塑料主要是以小分子石化产品为单体，通过聚合反应得到的一类聚合物，主要是聚酯类，如：聚己内酯(PCL)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)、聚对苯二甲酸-己二酸丁二酯(PBAT)、聚对苯二甲酸-丁二酸丁二酯(PBST)、聚乙醇酸(PGA)等[14]。聚己内酯(PCL)是由单体ε-己内酯在催化剂和引发剂的作用下经开环聚合而形成的一种线性脂肪族聚酯，有较低的玻璃转变温度（-60 ℃），其延展性和加工性良好，可采用挤出、注塑和吹塑、熔融纺丝等方法进行加工[15]。此外，PCL具有良好的生物相容性，目前已被广泛应用于生物医学领域[16-17]，可以作为体内植入材料、手术线等，获得了美国FDA的批准[18]。MARINCAS等[19]制备了用于布洛芬缓释的PCL纳米纤维，发现以氯化胆碱/乙酸和氯化胆碱/甘油两种深共晶溶剂为添加剂，可以调控静电纺丝所得PCL纳米纤维的形貌和疏水性，但对纳米纤维的吸附和药物释放过程影响不大。体外实验结果表明，绿色深共晶溶剂可以替代传统有机溶剂来制备用作药物载体的PCL纳米纤维。GUASTAFERRO等[20]采用超临界CO2干燥法制备了具有开放互联结构的PCL基气凝胶支架，研究了聚乙二醇（PEG）作为增塑剂对支架多孔结构的影响。发现引入PEG后，支架的多孔结构更加规则，并且支架表面具有开放的微孔结构，是由于PEG的发泡作用。茶碱释放实验表明，PCL+PEG支架可使药物释放时间延长100倍。PAJOUMSHARIATI等[21]研究了PCL纳米纤维支架对人参提取物释放的影响及其对骨组织工程的影响，发现人参提取物可以提高支架的物理力学性能，改善细胞的增殖和黏附能力。采用成熟兔股骨的间充质干细胞进行实验，表明人参提取物修饰的PCL纳米纤维支架在骨组织工程中具有较大应用潜力。但是PCL力学强度较低，也在一定程度上限制其应用[22]。因此，目前对PCL改性已有大量研究，主要是将PCL与其他各种可生物降解聚合物共混，如将PCL与PBS共混可以改善其耐热和耐化学性及力学性能；将PCL与PLA共混可以调控聚合物的结晶性能，进而调节其力学性能[23]。聚丁二酸丁二醇酯（PBS）是由丁二酸和1，4-丁二醇缩聚而成的绿色聚酯材料，主要的化工生产方法有直接酯化法和酯交换法。PBS具有柔韧性好、断裂伸长率高、抗冲击性好、耐化学腐蚀等优点，在包装、药物输送、生物医学设备等方面均有应用。MOE等[24]将木质素纳米颗粒（LNPs）引入PBS中用于食品包装，研究了LNPs加入量对引起面包霉变的主要微生物黑曲霉和青霉的抑制作用，发现1% LNPs的加入可以有效抑制黑曲霉和青霉的体外生长，同时可以提高PBS复合材料的阻隔性能、水接触角，对材料的拉伸性能没有影响，赋予了PBS在抗菌包装方面具有应用潜力。MOHANRAJ等[25]开发了用于左旋多巴胺输送的PBS微球，研究了表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和非离子型聚乙烯醇(PVA)对多孔微球的影响。发现光滑微球和多孔微球的包封率分别为(62.28±1.08)%和(53.93±1.58)%。在磷酸缓冲生理盐水和模拟脑脊液缓冲液中研究体外药物释放。结果表明：在多孔微球和光滑微球中，药物的缓释时间分别为32 h和159 h，可以看出PBS微球在给药体系中应用。但是，PBS也存在弹性模量有限，熔融流动性好以及在高温熔体加工过程中容易降解等问题[26]。因此，PBS经常与其他聚合物、填料和添加剂混合，以具备更好的加工性、更高的刚度和优异的力学强度[27]。MOCHANE等[28]使用天然木质纤维素来增强PBS，详细研究了天然木质纤维改性方法对复合材料力学性能的影响。与未改性的天然木质纤维相比，改性的天然木质纤维能够改善与PBS基质之间的结合强度，提高复合材料的力学性能，因此扩大其在包装、汽车、建筑等领域的应用。值得注意的是，PBS的聚合单体不仅可以从石油化工领域获得，也可以通过生物发酵途径得到，具有环保优势，PBS有望为绿色低碳发展做出实质贡献[29]。聚己二酸对苯二甲酸丁二酯（PBAT）是由己二酸、对苯二甲酸和丁二醇共聚而得，不仅具有脂肪族聚酯的优异降解性能，还具有芳香族聚酯的良好力学性能，同时具有柔韧性好、可完全生物降解、热稳定性和生物相容性好等诸多优点，是可替代传统高分子的最有潜力的环境友好型材料之一[30-31]。但是，PBAT存在气体阻隔性能差、结晶度小、强度和模量低等缺点，这限制了其在一些包装领域和农业领域的应用[32]。因此许多研究通过技术整合、工艺设计及结构优化等方法提高PBAT产品的性能，与其他生物降解塑料共混，可以促进优势互补[33]。MTIBE等[34]将PBAT与PBS共混，并引入木质素和ZnO纳米粒子进行增强，采用挤出和注塑成型法制备了复合材料。研究了木质素添加量对复合材料的力学、热学、自清洁和抗菌性能的影响。发现复合材料的抗拉强度和断裂伸长率随木质素添加量的增加而降低，而拉伸模量则相反。木质素和ZnO纳米颗粒的掺入几乎不影响共混物的熔化行为，但降低了材料的热稳定性。此外，ZnO纳米颗粒的掺入使复合物具有光催化性能，具有自清洁和抗菌性能。BOTTA等[35]采用吹膜工艺研究了木质素添加量对PBAT膜性能的影响，发现选择合适的木质素浓度进行吹膜，可以保证在不影响断裂伸长率的情况下，提高PBAT/木质素复合薄膜的弹性模量。此外，由于木质素对紫外线的吸收，可以延缓PBAT的光氧化降解，进而促进PBAT复合材料的室外应用。WANG等[36]使用乙烯-醋酸乙烯共聚物改性的云母来改善PBAT薄膜的水蒸气阻隔性和力学性能，研究了云母纳米片改性前后及用量对PBAT薄膜性能影响，发现改性的云母纳米片在基质中的分散比未改性云母纳米片更均匀。与纯PBAT膜相比，含有2%改性云母纳米片的复合膜结晶性提高20.23%，水蒸气渗透性降低80.09%，抗拉强度提高26.82%，撕裂强度提高9.10%，该复合膜有望作为生物降解膜进行应用。聚乙醇酸（PGA）又称聚羟基乙酸、聚乙交酯，是以乙交酯、乙醇酸或其前驱体乙醇酸甲酯为原料聚合而成，是一种降解速度快的脂肪族聚酯类高分子材料。PGA最初是以自然界中广泛存在的乙醇酸为原料进行制备，但是乙醇酸的分离提纯难度较大，工业上都是通过有机合成的方法制备[37]。PGA不但具有良好的气体阻隔性，而且生物相容性和降解性优异，但是，其柔韧性较差，易吸湿和水解也限制了其在一些领域的应用[38]。目前主要通过与其他可降解聚合物共混来进行使用。SAMANTARAY等[39]通过双螺杆挤出将PGA与PBAT和缩水甘油酯交联剂混合后进行吹膜，并使用电子束处理使薄膜表面发生化学交联，赋予了薄膜优异的阻隔性能，提高了阻氧阻湿性能。薄膜的氧气渗透率为57.0~59.8 (cm3·mm)/(m2·24 h·atm)，水蒸气渗透率为26.8 g/(m2·24 h)，断裂强度75 MPa。PAN等[40]采用间歇熔融混合法制备了PBAT和PGA二元可生物降解聚合物薄膜，研究两种不同的工艺条件下得到了薄膜I和薄膜II，发现薄膜I中PGA晶体尺寸和取向均优于薄膜II，且具有优异的力学性能和氧阻隔性能，拉伸强度达到45.0 MPa，撕裂强度超过138.2 kN/m，断裂伸长率高达750%。此外，随着PGA含量的增加，PBAT/PGA薄膜的水蒸气透过系数和氧气渗透系数均明显降低。2.2生物基生物降解塑料生物基生物降解塑料的组成成分均为可再生材料，包括天然材料、微生物合成材料、二氧化碳共聚物和共混材料。研究和使用较多的是天然材料淀粉和基于微生物合成的聚乳酸(PLA)。2.2.1淀粉淀粉是一种由葡萄糖分子通过糖苷键连接在一起的聚合物。在天然生物降解材料中，淀粉基生物降解材料是被广泛研究和应用的，主要是因为淀粉来源丰富，成本低，无毒，可再生，生物相容性好，具有成膜性。此外，淀粉的多羟基结构使其易于用化学或酶方法来调节其结构和功能特性[41]。GAO等[42]采用溶液浇铸法制备了玉米淀粉可降解薄膜。详细研究了大豆油(SO)添加量对制备的玉米/辛烯基琥珀化淀粉复合膜性能的影响。结果表明：低浓度的SO可以促进淀粉分子之间的相互作用和氢键的形成，随着SO添加量的增加，膜表面变得粗糙和不规则。随着SO添加量的增加，薄膜的最大接触角为76.14°，最小水蒸气渗透率为2.46×10-12 (g·cm)/(cm2·s·Pa)，抗拉强度最高为6.54 MPa，断裂伸长率最高为71.84%。WANG等[43]通过静电纺丝方法，制备了纤维定向排列的淀粉纤维垫，研究了转速、滚筒位置和混凝液组成对纤维垫中纤维取向的影响。结果表明：淀粉纤维的排列受混凝液中乙醇浓度和转速的影响，纤维垫的拉伸强度受滚筒位置、转速和乙醇浓度的相互作用影响。该定向排列的淀粉纤维垫在组织工程和伤口敷料等领域具有潜在的应用前景。CHEN等[44]采用热挤压3D打印方法系统研究了马铃薯淀粉、大米淀粉和玉米淀粉三种淀粉的流变特性与可打印性之间的关系。研究发现：每种淀粉样品均表现出剪切变稀行为和自支撑特性，且储存模量在高应变下大幅下降，在低应变下恢复，表明淀粉适合用于热挤压3D打印方法进行个性化生产淀粉基食品。2.2.2PLAPLA是一种由100%可再生资源（如马铃薯、甘蔗、玉米、甜菜等）衍生而来的高强度、高模量的热塑性脂肪族聚酯。PLA可以通过直接聚合、开环聚合和酶聚合等方法合成。在工业生产中，PLA合成途径是丙交酯单体的开环聚合，单体是由农业资源发酵产生的乳酸，其生产成本较低。乳酸有L-乳酸和D-乳酸两个立体异构体，其结晶度、降解性能和加工性能受其立体化学和分子量的影响很大[45]。SAMSURI等[46]通过溶液浇铸法研究立体复合PLA（s-PLA）对高分子量PLLA和PDLA均聚物形成PLA立体配合物的影响。结果表明：在高分子量PLLA/PDLA共混体系中，s-PLA颗粒的引入会刺激s-PLA的形成，同时s-PLA也作为成核剂促进共混体系结晶度的提高。PLA的立体复合是改善PLA性能的合适方法。有研究表明，在生产中通过控制L-乳酸和D-乳酸异构体比例，可以获得高分子量的半晶或非晶聚合物，低结晶度有利于提高其降解性能[47]。在目前PLA的生产和应用中，乳酸发酵途径制备PLA的发展前景更好，虽然利用石化产品也能进行PLA的合成，但发酵生产赋予PLA高度的产品特异性[48]。此外，乳酸的生物技术生产具有以下优点，如底物成本低、生产温度低、能耗低。但是，PLA在应用中仍有许多需要改进的地方，其耐热性和耐冲击性较差，可以通过引入纳米填料或与其他可降解聚合物共混来改善其性能[49]。ZHANG等[50]采用改性的木质素与PLA共混，并通过浇铸法制备了不同的PLA复合薄膜。研究发现：改性木质素的引入使复合膜韧性显著提高，其断裂伸长率达到41.98%，是纯PLA薄膜的20多倍。此外，复合薄膜还具有优异的紫外线阻隔性、耐水性。LI等[51]使用氧化处理后的玉米秸秆(LCS)粉通过熔融共混法来增强PLA/PBAT基质，制备生物塑料。结果表明：经LCS增强的生物塑料的外观、颜色和气味特性均较天然CS有明显改善，生物塑料(LCS/PLA/PBAT)的抗拉强度达9.7 MPa、弯曲强度达18.1 MPa、断裂伸长率达61.8%和表面水接触角为91.6°。3生物降解塑料的应用在绿色可持续发展战略要求下，生物降解塑料的需求量越来越大，其发展也越来越快。生物降解塑料在医疗卫生、包装、农用地膜、汽车工业等领域的应用越来越广泛，在日常生产生活中扮演重要的角色[52]。3.1生物降解塑料在医疗卫生中的应用由于生物分解塑料安全无毒，具有较好的生物相容性和可降解性，其在医疗卫生领域的应用范围很广，从一次性医疗卫生用品到药物输送、骨修复和组织工程、伤口修复等领域均有应用[53-55]。AU等[56]采用静电纺丝技术制备了聚乳酸/壳聚糖(PLA/CS)纤维和含银(Ag)纳米粒子的PLA/CS共混纤维无纺布，其不仅具有一定的力学强度，而且对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有良好的抗菌活性，在伤口修复方面具有潜在应用价值。王凇等[57]采用静电纺丝法，在线性聚乳酸和星形聚乳酸质量比1∶1下制备了负载布洛芬的复合纤维。研究布洛芬在磷酸盐缓冲溶液中的释放行为，发现复合纤维比单一纤维的药物突释现象减弱，且药物持续释放较为平缓。此外，WANG等[58]详细总结了利用两亲性聚乙二醇/聚己内酯共聚物制备用于给药系统的胶束研究情况，并指出该两亲性聚合物胶束具有实现疏水药物高溶解度、长血液循环时间和有效递送到靶器官的能力，这些优点都显示出生物分解塑料在医药生物医药领域的巨大应用潜力。值得注意的是，基于生物分解良好的生物相容性，在作为药物输送载体时，生物分解塑料不会诱导体内毒素，也不会引发免疫系统的炎症反应，与普通控释的药物相比，其药物释放速率更平稳。生物分解塑料不仅在药物输送方面具有应用前景，其在组织工程方面也将取代传统材料[59]。WANG等[60]将木质素-PCL共聚物与PCL结合，制备了一种用于神经再生的抗氧化纳米纤维支架。结果表明：添加木质素-PCL共聚物增强了PCL纳米纤维的力学性能，并赋予其良好的抗氧化性能，在4 h内达到(98.3±1.9)%的自由基抑制。细胞增殖实验表明，在抗氧化纳米纤维支架上细胞活力增加。通过培养雪旺氏细胞和神经元发现，该纳米纤维支架能促进背根神经节神经元的神经突生长。KOHAN等[61]使用聚乳酸/聚羟基丁酸盐+羟基磷灰石/磷酸三钙材料制备3D打印椎间盘植入物。结果表明：制备的材料拉伸强度和抗压强度较高，且无细胞毒性，是替代硬组织的优异候选材料。生物分解塑料及其改性材料作为骨损伤修复材料代替传统的金属材料，不仅可以克服应力遮蔽、骨质疏松等问题，随着可降解材料在人体内的逐渐降解代谢，还可以避免二次手术[62-63]。此外，PGA较好的亲水性、力学强度及生物降解速率使其作为手术缝合线很有优势。在医疗卫生的应用中，不仅要关注生物分解材料的性能和生物相容性，更需要关注其降解产物对人体或细胞的长期毒性，确保其降解产物能够无毒无害，且能被人体代谢[64-65]。生物分解聚合物为创造一个无有毒化合物和产品的可持续环境提供了可能。3.2生物降解塑料在包装领域的应用随着电商物流、快递外卖行业的迅速发展，包装领域对塑料的需求量日益增加，目前大多数生物分解材料都可作为包装材料，但是其拉伸性能、韧性和阻隔性能需要满足包装材料的相关指标要求。在可降解包装应用中，SHAIKH等[66]详细介绍了目前用于包装领域的可降解材料种类及最新研究进展，发现PLA是常见生物分解塑料中拉伸强度最大的且氧气阻隔性能最优，PBS的水蒸气透过率最大，PHB的水蒸气阻隔性能最优，PCL的氧气透过率最大[67]，但单一的生物分解塑料很难同时满足包装的多个指标要求。因此，常通过以下两种方式对其进行改性：其一是与其他可降解聚合物共混，实现优势互补。BURGOS等[68]将PLA与PHB共混，PHB的加入可以改善PLA的柔韧性和阻隔性能。URQUIJO等[69]将PCL与PLA共混用于改善PLA的韧性，共混物的刚度随PCL的增加而降低，冲击强度随断裂伸长率的增加而增加，二者共混可以达到良好的韧性平衡，可以在包装方面替代不可降解塑料。其二是引入纳米填料，如引入木质纳米纤维可以改善PLA的力学性能和热性能[70]，引入纳米黏土、碳纳米管、纳米颗粒等，提高材料的强度、阻隔性能、耐热性能等[71]，引入木质素可以制备抗菌包装[72]。此外，加工工艺的优化也是助力生物分解材料发展的关键，如制备绿色塑料发泡材料用于需要隔热、保温和缓冲等场景中。因此，生物分解塑料在包装领域具有巨大的发展空间，助力包装领域绿色发展。3.3生物降解塑料在农用地膜中的应用作为农业大国，我国每年的农用地膜需求量巨大，所使用的聚乙烯地膜残留在土壤中，带来了严重的土壤污染问题，影响作物生长和产量。目前，全国各地都在积极推广使用生物降解地膜，其在使用期间能维持与普通地膜同样的保温、保墒和除草效果，还有增产效果[73]。在作物收割植耕后，无法回收或残余在土壤里的生物分解地膜可以在自然界中分解。目前，以脂肪族聚酯、含芳香基的聚酯、变性淀粉等为主的生物分解地膜已经开始大规模应用[74]。SCIANCALEPORE等[75]以磷酸钙微颗粒为增强材料，制备了PBAT复合材料，通过对其物理力学性能、阻隔性能及降解性能评估。除水蒸气阻隔性能较LDPE稍差外，其余性能均优于LDPE膜，该材料是传统热塑性聚合物（如LDPE）的有效可生物降解和环保替代品。QIN等[76]详细研究了两种力学性能相似的可生物分解塑料PBAT与PBST，对其在地膜应用中的重要性能——水蒸气阻隔性能区别进行分析。PBST的节段移动速度较慢，自由体积较小，导致气体在PBST中的扩散速度较慢，因此，阻隔性能更优。目前，可降解地膜推广应用的两大障碍是降解速率和成本。未来的研究重点是：(1)引入填料，在保证生物分解地膜性能的同时降低其生产成本。(2)根据不同作物的生长周期和特点，研发具有相适应的生物分解地膜，在保证其使用性能的同时，赋予其可调的生物分解性能[77]。3.4生物降解塑料在汽车工业中的应用生物分解塑料在汽车工业领域的应用有利于环保可持续发展战略的构筑。使用以天然植物资源为原料开发的生物分解塑料（如PLA），不仅可以在汽车轻量化方面发挥作用，还可以有效减少汽车工业的碳排放。目前，日本和欧盟已经将生物分解塑料纺织物应用于汽车内部装饰材料、面板外包和夹层填充中。SANGEETHA等[78]综述了PLA及其各种增韧改性方法，并对其复合材料在汽车不同部位的应用要求进行了总结。RAHMAN等[79]总结了生物降解聚合物（PLA、PBS、PCL等）在汽车的各种外部和内部部件，包括转向、门、车轮、电气部件、发动机部件、排气系统等的应用现状和研究进展，为生物分解材料在汽车工业的应用及助力汽车轻量化和绿色化发展提供了参考。但是将生物分解塑料应用于汽车工业需要注意的是：生物分解塑料的长期耐久性、力学性能需要与所应用部位具有相匹配的使用寿命[80]。4结论生物降解塑料的研究和应用不仅能够减轻环境污染，而且符合绿色可持续发展战略要求，具有较好的发展前景。虽然生物降解塑料在替代一次性不可降解塑料制品中应用较多，但还无法完全替代传统不可降解塑料，仍有一些障碍需要克服：(1)与传统塑料相比，生物降解塑料的生产成本较高。(2)生物降解塑料坚固性和耐用性较差，在需要热稳定、机械强度高的塑料材料的场景中，应用受到限制。(3)生物降解塑料需要在生物分解速率与使用性能之间找到平衡。此外，生物降解塑料应以非粮的生物质为原料，保障国家粮食安全，同时提升成本优势。由于生物降解塑料表现出不同程度的生物降解性，对其降解产物也需要进一步关注和研究。除以上关键问题需要解决，发展生物降解塑料应与循环、回收措施一起来解决塑料制品废弃物对环境造成的污染，从而形成可持续发展的产业格局。