生物可降解材料聚乳酸的制备改性及应用.doc

生物可降解材料聚乳酸得制备改性及应用
摘要：聚乳酸(PLA)就是人工合成得可生物降解得得热塑性脂肪族聚酯，其具有良好得机械性能、热塑性、生物相容性与生物降解性等，广泛应用于可控释材料、生物医用材料、组织工程材料、合成纤维等领域.本文主要介绍了聚乳酸得合成、改性及其在各个领域得应用。
关键词:聚乳酸;生物降解;合成;应用
随着大量高分子材料在各个领域得应用，废弃高分子材料对环境得污染有着日益加剧得趋势。处理高分子材料得一些老套方法如焚烧、掩埋、熔融共混挤出法、回收利用等都存在缺陷并有一定得局限性,给环境带来严重得负荷，因此开发环境可接受得降解性高分子材料就是解决环境污染得重要途径。而乳酸主要来源于自然界十分丰富得可再生植物资源如玉米淀粉、甜菜糖等得发酵。聚乳酸(poｌylａctide简称PLA)在自然环境中可被水解或微生物降解为无公害得最终产物CO2与Ｈ2Ｏ，对其进行堆肥或焚烧处理也不会带来新得环境污染［1］。此外聚乳酸及其共聚物就是一种具有优良得生物相容性得合成高分子材料。它具有无毒、无刺激性、强度高、可塑性强、易加工成型等特点,因而被认为就是最有前途得生物可降解高分子材料[2]。利用其可降解性,也可用作生物医用材料如组织支架、外科手术缝合线、专业包装、外科固定等。
1　生物降解机理[3，4］
生物降解就是指高分子材料通过溶剂化作用、简单水解或酶反应,以及其她有机体转化为相对简单得中间产物或小分子得过程.高分子材料得生物降解过程可分为４个阶段:水合作用、强度损失、物质整体化丧失与质量损失.微生物首先向体外分泌水解酶,与可生物降解材料表面结合,通过水解切断这些材料表面得高分子链,生成低相对分子质量得化合物（有机酸、糖等），然后，降解得生成物被微生物摄入体内，合成为微生物体物或转化为微生物活动能量，在耗氧条件下转化为CO2,完成生物降解得全过程。材料得结构就是决定其就是否可生物降解得根本因素.合成高分子多为憎水性得，一般不能生物降解，只有能保持一定湿度得材料才有可能生物降解。含有亲水性基团得高分子可保持一定得湿度，宜生物降解,同时含有亲水与憎水基得聚合物生物降解性好。一般分子量大得材料较分子量小得更难生物降解；脂肪族聚合物比相应得芳香族聚合物容易生物降解；支化与交联会降低材料得生物降解性。另外,材料表面得特性对生物降解也有影响，粗糙表面材料比光滑表面材料更易降解.影响可生物降解性得化学因素主要有高分子得亲水性、构型、形态结构、链段得活动性、分子量、高聚物得组成以及上述因素之间得相互关系等。高分子得亲水性越强越易水解,水解酶对酯键、酰胺键与氨基甲酸酯都有较强得作用；无定型态得高聚物比结晶状态容易水解；分子链段越柔顺，玻璃化温度越低,越有利于降解;链段活动性越大，自由体积越大,越容易受到酶得进攻,也就越容易降解；可降解性随着分子量增大而降低;高聚物得组成，如共混、共聚等也影响着高分子得可降解性.一般情况下只有极性高分子才能与酶相吸附并能很好亲与，因此高分子具有极性就是生物降解得必要条件。具有生物降解性(包括水解)得分子化学结构有：脂肪族酯键、酞键、脂肪族醚键、亚甲基、氨基、酰氨基、烯氨基、芳香族偶氮基、脲基、氨基甲酸乙酯等.
2 聚乳酸得基本性质
聚乳酸就是以微生物得发酵产物L－乳酸为单体聚合成得一类聚合物，可以分为聚左旋乳酸(PＬLＡ）、聚右旋乳酸（PDLA)与聚消旋乳酸（PDLLA)三种.具体性能[5］见表1。其中，常用易得得就是ＰＬＬA与PDLLＡ。PLLA就是半结晶性相当硬得材料。PＬLA与PＤLA得外消旋体就是结晶性得,相反PDLLA就是无定形得透明得材料[6］。聚乳酸得熔点较高，其物理性质介于PET(聚对苯二甲酸类塑料）与PA—6（尼龙塑料）之间，结晶度大、透明度极好,有良好得抗溶剂性、防潮、耐油脂、透气性,还具有一定得耐菌性、阻燃性与抗紫外性。聚乳酸得热稳定性好,适用于吹塑、吸塑、挤出纺丝、注塑与发泡等多种加工方法,可加工成薄膜、包装袋、包装盒、一次性快餐盒、饮料用瓶以及医用材料，使得其在服装、包装、玩具与医疗卫生等领域拥有广泛得应用前景。

３ 聚乳酸得合成方法
PLＡ　一般可以通过乳酸得直接缩聚　也可以由丙交酯经阴离子型 阳离子型与配位型得开环聚合制得。一般来说 乳酸直接聚合或丙交酯 （lactidｅ 简称 LA） 得阴离子开环聚合所得到得 ＰＬA　分子量较低因此 要合成高分子量 高转化率得 ＰLA 需要采用阳离子型或配位型开环聚合。
3、１ 乳酸直接缩聚
乳酸得直接缩聚由于存在着乳酸、水、聚酯及丙交酯得平衡,不易得到高分子量得聚合物。在脱水剂得存在下，乳酸分子中得羟基与羧基受热脱水,直接缩聚合成低聚物,加入催化剂，继续升温,低相对分子质量得聚乳酸聚合成更高相对分子量得聚乳酸。它主要有溶液缩聚法、熔融缩聚（本体聚合）法、熔融－固相缩聚法与反应挤出聚合法等。

直接缩聚法生产工艺简单 但一般只能得到分子量小于 1 万得 PＬA 当缩聚温度低于 12０　时　加入脱水剂 ZnO 可以加快缩聚速度 Ａｊiokａ 等[7］利用一步法制备出重均分子量达 30 万得 PLA 但难于进一步提高分子量 且分子量分布较宽 其性能不能满足生物医学上得某些需要。
3、２ 丙交酯得开环聚合
目前研究合成聚乳酸得最多方法就是丙交酯得开环聚合,其开环聚合得机理有阳离子聚合、阴离子聚合、配位聚合3种［8］.
3、2、１ 阴离子开环聚合
1990年 Kriｃheldorｆ H、 R、[９]以 BｚOＫＰhOＫ　ｔBuOＫ 与 BuLi 为催化剂对 L—LA 实施开环聚合。发现只有当引发剂得碱性较大时 如 tBuOK 与ＢuLｉ　才可能使　Ｌ－ＬA 发生开环聚合,得到得聚合物分子量也较低，并且在聚合过程中发生聚合物部分消旋化得现象。Kriｃhelｄｏrｆ 等[１0]报道了 BuMｇCｌ　Bu２Mg Ｍg(Ｏｅｔ)2等对内酯得开环聚合， Ｍg 有一定得络合能力，反应活性有所提高，但缺点就是反应时间过长.她使用格氏试剂 BuMgCl催化　LＡ 聚合发现有部分消旋现象得到产物得分子量低。推断该引发过程伴随有部分阴离子聚合机理,出现离域阴离子。
3、2、２ 阳离子型开环聚合
阴离子开环聚合反应就是以催化剂亲核进攻丙交酯得羰基，酰氧键断裂后生成得。这
类反应一般以强碱为催化剂,如 Na2CO３、ＫOH、ＲOＬi、ＲＯK 等.现以 RＯLi 为例,反应为[1１］:

Ｌ-丙交酯阴离子开环聚合经常伴有消旋现象,这就是由于丙交酯环上得叔碳原子脱质子所致.这类催化剂反应速度快、活性高，可进行本体或溶液聚合，但副反应极为明显,不利于制备高分子量得聚合物。
3、2、3 配位插入开环聚合
配位插入开环聚合反应一般认为就是单体上得氧原子与催化剂金属得空轨道配位络合，单体再在金属-碳或金属—烷氧链上进行插入与增长[1２］。催化剂主要为过渡金属有机化合物与氧化物。这类反应得催化剂种类很多如烷基金属与烷基金属化合物。如AL（Oｉ2Ｐr）３,Sn（Oct)2、烷基稀土配位化合物、BｕSnOMe、卟啉铝等。其中　Sn（Oｃｔ）２已成为最常用、最有效得催化剂，其催化剂机理为:

卟啉铝作为配位开环聚合得一种催化剂，其引发聚合得到得聚合物得分子量分布非常窄。而且这种催化剂有很好得立构选择性。但就是这类催化剂得活性不高。Kricｈｅldorf 等用　MgBu2与格氏试剂作为引发体系，发现在有冠醚作溶剂时它们能非常有效地催化 L－丙交酯开环聚合得到分子量高达 100 万得聚合物,但这类催化剂对实验条件要求非常高。由此可以瞧出配位插入开环聚合在合成聚乳酸中发挥得重要作用。
4 聚乳酸得改性
4、１化学改性
4、1、1共聚改性
共聚改性就是通过调节LA与其她单体得比例来改变聚合物得性能,或由其她单体向PLＡ提供特殊功能基团,以此来改善ＰLA得亲水性、结晶性等性能。宋谋道等[1３]采用PＥＧ与丙交醋共聚,制得高分子质量得PLＡ一PEG一PＬA嵌段共聚物.当PＥG含量达到一定程度（如质量分数达到7、７％）后，共聚物出现了屈服拉伸，克服了PLA得脆性。这种脆性向韧性得转变说明,用PＥG改性得PLA就是一种综合性能可调控得生物降解材料。Ｙｏsｈiｋuni Terａmｏto等[1４］用几种方法合成了纤维素双乙酸醋与PLＡ接枝共聚物。DSC（差示扫描量热仪)测试结果表明,改性后得共聚物均只具有单一得玻璃化转变温度，而且玻璃化转变温度有很大程度得降低，共聚物得摩尔乳酸基取代系数（ＭS）变大。当MS升高到14以上时，PLＡ侧链具有可结晶性.且共聚物得可拉伸性随着PLA含量提高有很大得提高,当ＭS》1４时，最大断裂伸长达到２000％.
4、1、２表面改性
Ainingzhu等［15]通过壳聚糖上得自由氨基与4一叠氮苯甲酸上得梭基进行反应，将４—叠氮苯甲酸固定在壳聚糖上。利用4—叠氮苯甲酸得光敏性，采用紫外光照射涂抹在PLA薄膜表面得壳聚糖，叠氮基团光解,从而将ＰLＡ与壳聚糖共价连接起来。改性后壳聚糖上得轻基与氨基又可以引人其她得官能团,从而可以对PLA进行进一步得改性,如肝磷脂进一步改性后可在ＰLA表面形成聚合(高分子）电解质，能防止血小板附着在聚合物表面上,同时还加强了细胞得附着力。
4、2物理改性
４、２、1共混改性
共混改性就是将两种或两种以上得聚合物进行混合,通过聚合物各组分性能得复合来达到改性得目得.共混物除具有各组分固有得优良性能外，还由于组分间某种协同效应而呈现新得效应。
淀粉就是一种可自然降解得亲水性材料,它与ＰLA得共混物可完全生物降解。在淀粉与PLＡ共混物中PLA作为连续母相存在，而淀粉则作为填充剂。当淀粉含量超过６0%，ＰLＡ相变得不连续.PLA与淀粉之间得界面粘合力随着共混物得老化而降低,MDI可以改善这种界面粘合力,从而延缓PLＡ/淀粉共混物得老化，延缓机械性能得降低。Kｅlly　S、Ａndersｏn等[1６］，则研究了ＰLA与ＬL—ＤＰE熔融共混物，发现半结晶得ＰIA不用增塑剂,通过共混即可改善其韧性，而无定形得PLA，则需要用PLLＡ、ＰE嵌段共聚物作增塑剂,才可以通过共混来改善其韧性。
4、2、2增塑改性
增塑改性就就是在高聚物中混溶一定量得高沸点、低挥发性得低分子量物质,从而改善其机械性能与加工性能。
4、2、3复合改性
纤维复合改性主要就是为了提高材料得机械性能。碳纤维因为其高强度与优良得生物相容性成为很好得PLＡ增强材料。无机填料掺人PＬA中熔融共混制备复合材料,填料得种类影响复合物得机械性能。掺入子与晶须类填料后复合材料得拉伸模量分别可达3、1－3、7GPa与3、７—4、5GPa，弯曲模量为４、1－4、8GPa与4、8—６、1ＧＰa.掺人晶须类填料时复合材料得拉伸模量、拉伸强度以及弯曲模量与填料得体积分数成比例地增长。PLA与无机填料间得表面粘合力比较差,因而无机填料得增强效果也比较差［１7]。
５ 聚乳酸得应用
5、1服装领域中得应用(聚乳酸纤维）
聚乳酸纤维（简称ＰLA 纤维），就是一种新型得生态环保型纤维，它以谷物、甜菜等为原料，先将其发酵制得乳酸，然后经缩合、聚合反应制成聚乳酸，再利用耦合剂制成具有良好机械性能得较高分子量聚乳酸,最后经过化学改质，将其强度、保水性提升并将其纤维化[１8]。
聚乳酸纤维得最大特点就是同时具备天然纤维与化学纤维两方面得优点,其强度与聚酯纤维接近,达6、23cN/dtex;有极好得悬垂性、滑爽性、吸湿透气性、耐晒性、抑菌与防霉性;具有丝绸般得光泽;回弹性好;有较好得卷曲性与卷曲持久性；耐磨性好；不易变形，尺寸稳定性好;UV（抗紫外）稳定性好；抗起毛起球；比PＥT密度小,所以由其制得得服装具有质轻、柔软、穿着舒适、干爽之感;可以用分散性染料于100℃不加载体染色；成型加工性好；热粘结温度可以控制;其熔融温度为12０－17０℃,熔点低（175℃)。
5、2　包装工程中得应用
高分子材料在包装行业中得应用越来越多，但就是大量废弃得包装材料给环境造成了巨大污染。只靠消极得减少使用量就是不能根本解决问题得，只有采用降解性高分子才就是可行得。
　 目前，各种包装材料就是聚乳酸最大、最有潜力得应用市场。聚乳酸阻气阻水性、透明性及可印刷性良好,且其基本原料乳酸就是人体固有得生理物质之一，对人体无毒无害，在食品包装市场上大有用武之地。
５、3生物可降解高分子材料在医学领域中得应用
5、3、1 药物控释
药物控释就是生物可降解材料得重要应用。大部分植入体内得药物控释制剂就是用可降解聚合物制成得，已有一些天然得与合成得高分子材料被各国药品管理部门批准为药用辅料,还有相当数量得控释材料正在研究开发中。
聚乳酸及其共聚物被用作一些半衰期短、稳定性差、易降解及毒副作用大得药物控释制剂得载体，有效地拓宽了给药途径,减少了给药次数与给药量，提高了药物得生物利用度,最大限度地减少药物对全身特别就是肝、肾得毒副作用［19，２0］。聚乳酸作为缓释剂得优点有:①熔融温度低，且易溶于溶剂中.②聚乳酸水解产物为乳酸，对人体无害。③低聚乳酸容易制备。
　 在药物控制释放载体方面需要低相对分子质量得聚乳酸,以期在体内迅速降解［21］。为了调节药物得释放速度，宋存先等[22］用己内酯与丙交酯嵌段共聚物制备了18—甲基炔酮、氢化可得松等药物微球，通过调节聚己内酯多元醇与聚乳酸得比例改变药物得释放速度。
５、3、2骨折内固定装置
众所周知,长期以来国内外一直采用不锈钢金属材料作骨折内固定材料,由于其应力遮挡保护易形成骨质疏松，且愈合后需二次手术。采用生物可降解材料制成得骨夹板在骨愈合过程中它具有足够得强度与硬度，可支持骨折部位承受正常生理活动得外力,在骨愈合后夹板开始降解并失去强度，外来得承重力逐渐由夹板转移到自体骨上，使新愈合得自体骨得功能自然恢复到正常水平;夹板最后从植入部位消失，免去二次手术得麻烦。
由纯得PLＡ制成得骨夹板其初始强度较低，只能用于非承重部位得骨折内固定，通过与其她医用生物材料得复合，可以改善ＰLA得力学性能,例如用聚乙醇酸（PG纤维、碳纤维、羟基磷灰石等增强PLA,可大幅度提高材料得初始强度,具有相当得承载能力,可与金属得强度媲美.
5、3、３外科手术缝合线
聚乳酸及其共聚物最早在医学上得应用就就是外科缝合线,由于聚乳酸得生物降解性，在伤口愈合后自动降解并吸收,不用拆线,无需第二次手术，同时聚合物具有较强得初始抗张强度且稳定地维持一段时间,能有效控制聚合物降解速率,随着伤口得愈合，缝线缓慢降解。商品名为Viｃryl得缝合线就是由美国Eｔｈｉcｏ Iｎｃ、公司生产得，它就是乙交酯与丙交酯得共聚物。
近年来，研究主要集中在以下几方面:①为提高缝合线得机械强度，需合成高分子量聚乳酸，改进加工工艺.②光学活性聚合物得合成,半结晶得聚右旋乳酸、聚左旋乳酸比无定形聚消旋乳酸具有较高得机械强度、较大得拉伸比率及较低得收缩率，更适合手术缝合线.③缝合线得多功能化。在缝合线中掺入抗炎药来抑制局部炎症及异物排斥反应，在缝合线中加入增塑剂，如骨胶原、低相对分子质量聚乳酸及其她无机盐增加缝合线得韧性与调节聚合物得降解速率。
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