大阪大学研究生院理学研究科的高岛义德教授、研究生院工学研究科的宇山浩教授，以及共荣社化学公司（片仓清夫任董事长兼总经理）等组成的研究团队发表研究成果称，通过新的分子设计，在实现材料韧性比既往提升8倍的同时，利用生物催化剂“脂肪酶”开发出了一种可循环利用的生物降解聚合物。通过在环糊精的环状结构中引入由聚合物链贯通的可动交联结构，成功地提高了材料的稳定性和寿命。这一研究成果有望为资源循环型社会做出贡献。相关研究成果已于10月29日发表在国际学术期刊《Chem》上。
图1. 使用生物催化脂肪酶的聚合物材料资源循环（供图：大阪大学）
塑料等聚合物材料不仅因环境扩散成为一大问题，在焚烧处理过程中由于会排放大量CO₂而成为构建循环型社会的一大挑战。为解决这些问题，增强韧性提升材料的稳定性和寿命以减少废弃物（Reduce）、重复使用（Reuse），以及将使用后的材料作为资源再利用（Recycle）的3R目标受到人们的期待。
此前，宇山教授等人曾经报告过在有机溶剂中混合脂肪酶和PCL（聚ε-己内酯）可以实现酶催化降解和再聚合。但由于此时聚合物材料的分子量还较低，韧性上存在问题，兼顾可降解性和韧性便成为了一大技术难题。
对此，此次研究团队设计了一种应用技术，引入了报告中提到的通过应力分散进一步提高韧性的可动交联设计方案。
研究团队通过与异氰酸酯发生反应，使含有环状结构的环糊精CD二醇，嵌入到了由聚氨酯（PU）构成的可降解聚合物（PCL-PU）的侧链上，使得材料获得了PCL-PU从CD环中贯穿的结构，从而获得了可动性。
在力学评价试验中，通过上述方法制备的可动交联可降解聚合物的韧性与普通的PCL-PU相比提高了8倍。研究还发现，通过反复进行酶反应和再聚合，材料的分子量出现增加，韧性也得到了增强。
此外，在降解方面，材料的降解速度提升了20倍。依赖可动交联引入量的降解加速，聚合物链的相互作用减弱，脂肪酶变得更易反应。
研究进一步证实了降解后的低分子量体可以通过再聚合实现回收利用。此外，它还可以与其他类型的聚乳酸、无机聚合物共聚，从而制造出具有不同化学性质的聚合物。
高岛教授表示：“这种材料本身可以直接应用于社会，但社会上存在以服装为代表的大量聚酯废弃物。所以可以把我们开发的可降解物质——“低聚物”混合到聚酯材料中，从而将其改造成具有前所未有的可降解性优异、韧性也好的材料，进而能制造出兼具寿命长和可降解性的可回收利用聚酯。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Chem
论文：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
