生物聚合物是由生物體產生的天然聚合物?;?換句話說，它們是衍生自細胞或細胞外物質的聚合生物分子。生物聚合物包含共價鍵形成較大結構的單體單元。根據所使用的單體單元和所形成的生物聚合物的結構，生物聚合物分為三大類：多核苷酸、多肽和多糖。更具體地說，多核苷酸（例如RNA和DNA）是由13個或更多核苷酸組成的長聚合物?單體。多肽或蛋白質是氨基酸的短聚合物，主要例子包括膠原蛋白，肌動蛋白和纖維蛋白。最后一類，多糖，通常是線性鍵合的聚合碳水化合物結構，一些例子包括纖維素和藻酸鹽。生物聚合物的其他例子包括橡膠、木栓質、黑色素和木質素。

生物聚合物具有各種應用，例如在食品工業、制造、包裝和生物醫學工程中。

生物聚合物和合成聚合物之間的主要區別在于結構。所有聚合物均由稱為單體的重復單元制成。生物聚合物通常具有定義明確的結構，盡管這不是定義特征。對于蛋白質，確切的化學組成和排列這些單元的順序稱為一級結構。許多生物聚合物自發地折疊成特征緊湊的形狀，它們決定了它們的生物學功能，并以復雜的方式依賴于它們的主要結構。結構生物學是對生物聚合物結構特性的研究。相反，大多數合成聚合物具有更簡單，更隨機的結構。這一事實導致生物聚合物中缺少分子量分布。實際上，由于在大多數體內系統中，它們的合成受模板指導的過程控制，所以所有類型的生物聚合物（例如一種特定的蛋白質）都是相同的：它們都包含相似的序列和數量的單體，因此都具有相同的同樣的質量。與多分散性相反，這種現象稱為單分散性在合成聚合物中遇到。結果，生物聚合物的多分散指數為1。

有許多用于確定序列信息的生物物理技術。蛋白質序列可以通過Edman降解來確定，其中N末端殘基一次從一條鏈中水解出來，衍生化，然后進行鑒定。大眾光譜儀技術也可以使用。核酸序列可以使用凝膠電泳和毛細管電泳來確定。最后，這些生物聚合物的機械性能通常可以使用光鑷或原子力顯微鏡來測量。雙極化干涉儀?當受到pH，溫度，離子強度或其他結合伴侶刺激時，可用于測量這些材料的構象變化或自組裝。

膠原蛋白：膠原蛋白是脊椎動物的主要結構，是哺乳動物中最豐富的蛋白質。因此，膠原蛋白是最容易獲得的生物聚合物之一，并用于許多研究目的。由于其機械結構，膠原蛋白具有高拉伸強度，并且是無毒，易于吸收，可生物降解和生物相容的材料。因此，它已經用于許多醫學應用，例如用于組織感染的治療，藥物遞送系統和基因治療。

絲素蛋白：絲素蛋白（SF）是另一種富含蛋白質的生物聚合物，可以從不同的蠶種中獲得，例如桑蠶Bombyx mori。與膠原蛋白相比，SF具有較低的拉伸強度，但由于其不溶性和纖維狀蛋白質成分而具有很強的粘合性能。在最近的研究中，發現絲素蛋白具有抗凝特性和血小板粘附性。還發現絲素蛋白在體外支持干細胞增殖。

明膠：明膠得自由半胱氨酸組成的I型膠原蛋白是由動物骨骼，組織和皮膚中的膠原蛋白部分水解而產生的。明膠有兩種類型，即A型和B型。A型膠原蛋白是通過膠原蛋白的酸水解而衍生的，具有18.5％的氮。B型是通過含18％氮且不含酰胺基團的堿性水解反應得到的。升高的溫度導致明膠熔化并以卷狀存在，而較低的溫度導致卷狀向螺旋狀轉變。明膠包含許多官能團，例如NH2，SH和COOH，這些官能團允許使用非微粒和生物分子對明膠進行修飾。明膠是一種細胞外基質蛋白，可將其用于傷口敷料，藥物遞送和基因轉染等應用。

淀粉：淀粉是一種廉價的可生物降解的生物聚合物，并且供應充足。可以將納米纖維和超細纖維添加到聚合物基質中，以增加淀粉的機械性能，從而改善彈性和強度。沒有纖維、淀粉由于對水分的敏感性而具有差的機械性能。淀粉是可生物降解和可再生的，可用于許多應用，包括塑料和藥物片劑。

纖維素：纖維素的結構非常復雜，具有堆疊的鏈，可提高穩定性和強度。強度和穩定性來自由糖原鍵連接在一起的葡萄糖單體引起的更直的纖維素形狀。筆直的形狀使分子緊密堆積。纖維素由于其豐富的供應，其生物相容性和環境友好性而在應用中非常普遍。纖維素以稱為納米纖維素的納米原纖維的形式廣泛使用。低濃度的納米纖維素產生透明的凝膠材料。該材料可用于在生物醫學領域非常有用的可生物降解、均勻、致密的薄膜。

海藻酸鹽： 海藻酸鹽是衍生自褐藻的最豐富的海洋天然聚合物。藻酸鹽生物聚合物的應用范圍從包裝，紡織和食品工業到生物醫學和化學工程。海藻酸鹽的首次應用是以傷口敷料的形式，在那里發現了其凝膠狀和吸收性。當用于傷口時，藻酸鹽會產生一層保護性凝膠層，最適合愈合和組織再生，并保持穩定的溫度環境。另外，由于藻酸鹽的密度和纖維組成的變化，可以容易地控制藥物的釋放速率，因此藻酸鹽作為藥物傳遞介質已經有了發展。

聚（ε-己內酯）（PCL）：?PCL是一種可生物降解的，生物相容的聚酯，是一種聚合物，其主鏈具有酯官能團。PCL在生物醫學領域被廣泛使用。它用于創建用于細胞和組織工程的支架，并且可以支持多種細胞類型。PCL對于組織工程應用特別有用，因為在生理條件下，PCL會降解，但如果其酯鍵會水解。由于其低降解速率，此特性使其非常適合長期可植入生物材料。

由于生物醫學工程的主要目的之一是模仿身體部位以維持正常的身體功能，由于其生物相容性，生物聚合物被廣泛用于組織工程，醫療設備和制藥行業。許多生物聚合物由于其機械性能而可用于再生醫學、組織工程、藥物輸送和整體醫學應用。它們具有傷口愈合，生物活性催化和無毒等特性。與合成聚合物相比，合成聚合物可能表現出各種缺點，如免疫原性排斥和降解后的毒性、與人體相似、許多生物聚合物通常具有更好的身體整合性，因為它們還具有更復雜的結構。

更具體地說，諸如膠原蛋白和絲綢之類的多肽是具有生物相容性的材料，被用于開創性的研究中，因為它們是廉價且易于獲得的材料。明膠聚合物通常用于包扎傷口的地方，在其中它起著粘合劑的作用。允許支架容納藥物和其他營養物，這些藥物和其他營養物可用于為傷口提供愈合。

由于膠原蛋白是生物醫學中最受歡迎的生物聚合物之一，因此以下是其用途的一些示例：

基于膠原蛋白的藥物輸送系統：膠原蛋白膜就像屏障膜一樣，可用于治療組織感染，例如感染的角膜組織或肝癌。膠原膜已全部用于基因傳遞載體，可促進骨骼形成。

膠原蛋白海綿：膠原蛋白海綿用作敷料，可治療燒傷患者和其他嚴重傷口。基于膠原蛋白的植入物用于培養的皮膚細胞或藥物載體，用于燒傷創面和替代皮膚。

膠原蛋白作為止血劑：膠原蛋白與血小板相互作用時，會引起血液快速凝結。這種快速凝結產生了一個臨時的框架，因此纖維基質可以被宿主細胞再生。膠原蛋白止血劑可減少組織的失血，并有助于處理肝臟和脾臟等細胞器官的出血。

殼聚糖是生物醫學研究中另一種流行的生物聚合物。殼聚糖是甲殼類和昆蟲外骨骼的主要成分，也是世界上第二大生物聚合物。殼聚糖在生物醫學領域具有許多出色的特性。殼聚糖具有生物相容性，具有很高的生物活性，這意味著它可以激發人體的有益反應，可以生物降解，從而消除了植入應用中的第二次手術，可以形成凝膠和薄膜，并且具有選擇性滲透性。這些性質允許殼聚糖的各種生物醫學應用。

殼聚糖作為藥物遞送：殼聚糖主要用于靶向藥物，因為它具有改善藥物吸收和穩定性的潛力。此外，與抗癌劑結合的殼聚糖還可以通過使游離藥物逐漸釋放到癌組織中而產生更好的抗癌作用。

殼聚糖作為抗微生物劑：殼聚糖用于阻止微生物的生長。它在不同酵母物種的藻類，真菌，細菌和革蘭氏陽性細菌等微生物中發揮抗菌功能。

用于組織工程的殼聚糖復合材料：殼聚糖與藻酸鹽的混合功效可一起用于形成功能性傷口敷料。這些敷料創造了濕潤的環境，有助于愈合過程。這種傷口敷料還具有很高的生物相容性，可生物降解性，并具有多孔結構，可讓細胞生長到敷料中。

食品：生物聚合物在食品工業中用于包裝，可食用的包裝薄膜和涂層食品等產品。聚乳酸（PLA）在食品工業中非常常見，因為其顏色清晰且耐水。然而，大多數聚合物具有親水性，并且在暴露于濕氣時開始惡化。生物聚合物也被用作包裹食品的可食用薄膜。這些薄膜可以承載抗氧化劑、酶、益生菌、礦物質和維生素等物質。被生物聚合物薄膜包裹的食用食品可以將這些食物提供給人體。

包裝：包裝中最常用的生物聚合物是聚羥基鏈烷酸酯（PHA）、聚乳酸（PLA）和淀粉。淀粉和PLA是可商購的可生物降解的材料，使其成為包裝的常見選擇。但是，它們的阻隔性能和熱性能不是理想的。親水性聚合物不耐水，會使水通過包裝，這會影響包裝的內容物。聚乙醇酸（PGA）是一種生物聚合物，具有強大的阻隔特性，目前正用于糾正PLA和淀粉的阻隔性障礙。

水凈化：一種稱為殼聚糖的新型生物聚合物已用于水凈化。殼聚糖用作絮凝劑，只需幾周或幾個月而不是數年即可降解到環境中。當殼聚糖從水中去除金屬時，它通過螯合純化水。螯合是指沿著聚合物鏈的結合位點與水中的金屬結合而形成的分子。殼聚糖已在許多情況下用于清除可能已被污染的暴風雨或廢水。

某些生物聚合物（例如?PLA，天然玉米醇溶蛋白和聚3-羥基丁酸酯）可用作塑料，取代了對聚苯乙烯或聚乙烯基塑料的需求。

現在將某些塑料稱為“可降解的”、“氧可降解的”或“ UV可降解的”。這意味著它們在暴露于光或空氣中時會分解，但這些塑料仍主要（高達98％）以石油為基礎，目前尚未獲得歐盟關于包裝和包裝廢料的指令認證為“可生物降解” （ 94/62 / EC）。生物聚合物會分解，有些適合于家庭堆肥。

生物聚合物（也稱為可再生聚合物）由生物質生產，用于包裝行業。生物質來自甜菜，馬鈴薯或小麥等農作物：當用于生產生物聚合物時，這些生物質被歸類為非糧食作物。這些可以通過以下途徑進行轉換：

甜菜?>乙二酸>聚乙醇酸

淀粉?>（發酵）>?乳酸?>?聚乳酸（PLA）

生物質?>（發酵）>?生物乙醇?>?乙烯?>?聚乙烯

生物聚合物可以制成許多類型的包裝：食品托盤，用于運輸易碎物品的吹制淀粉顆粒，用于包裝的薄膜。

生物聚合物可以是可持續的，碳中和的，并且總是可再生的，因為它們是由可以無限期生長的植物材料制成的。這些植物材料來自農業非糧食作物。因此，生物聚合物的使用將創造一個可持續的產業。相反，衍生自石化產品的聚合物的原料最終將耗盡。此外，生物聚合物具有減少碳排放并減少大氣中CO?₂數量的潛力：這是因為降解時釋放的CO?₂可以被種植替代作物的農作物吸收，這使它們接近碳中和。

生物聚合物是可生物降解的，有些也可堆肥。一些生物聚合物是可生物降解的：它們被微生物分解為CO?₂和水。這些可生物降解的生物聚合物中有一些是可堆肥的：可以將其投入工業堆肥過程中，并在六個月內分解90％。根據歐洲標準EN 13432（2000），執行此操作的生物聚合物可以用“可堆肥”符號標記。標有該符號的包裝可以放入工業堆肥過程中，并且會在六個月或更短的時間內損壞。可堆肥聚合物的一個例子是厚度小于20μm的PLA膜：比其厚的膜即使可“生物降解”，也不能視為可堆肥。在歐洲，有一個家庭堆肥標準和相關的徽標，使消費者能夠識別和處理堆肥中的包裝。