生物可降解材料聚乳酸的制备改性及应用演示教学.docx
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生物可降解材料聚乳酸的制备改性及应用演示教学
生物可降解材料聚乳酸的制备改性及应用
生物可降解材料聚乳酸的制备改性及应用
摘要：
聚乳酸（PLA）是人工合成的可生物降解的的热塑性脂肪族聚酯，其具有良好的机械性能、热塑性、生物相容性和生物降解性等，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的合成、改性及其在各个领域的应用。
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的应用，废弃高分子材料对环境的污染有着日益加剧的趋势。
处理高分子材料的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的局限性，给环境带来严重的负荷，因此开发环境可接受的降解性高分子材料是解决环境污染的重要途径。
而乳酸主要来源于自然界十分丰富的可再生植物资源如玉米淀粉、甜菜糖等的发酵。
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的最终产物CO2和H2O，对其进行堆肥或焚烧处理也不会带来新的环境污染[1]。
此外聚乳酸及其共聚物是一种具有优良的生物相容性的合成高分子材料。
它具有无毒、无刺激性、强度高、可塑性强、易加工成型等特点，因而被认为是最有前途的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，以及其他有机体转化为相对简单的中间产物或小分子的过程。
高分子材料的生物降解过程可分为4个阶段：
水合作用、强度损失、物质整体化丧失和质量损失。
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的高分子链，生成低相对分子质量的化合物（有机酸、糖等），然后，降解的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，完成生物降解的全过程。
材料的结构是决定其是否可生物降解的根本因素。
合成高分子多为憎水性的，一般不能生物降解，只有能保持一定湿度的材料才有可能生物降解。
含有亲水性基团的高分子可保持一定的湿度，宜生物降解，同时含有亲水和憎水基的聚合物生物降解性好。
一般分子量大的材料较分子量小的更难生物降解；脂肪族聚合物比相应的芳香族聚合物容易生物降解；支化和交联会降低材料的生物降解性。
另外，材料表面的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。
影响可生物降解性的化学因素主要有高分子的亲水性、构型、形态结构、链段的活动性、分子量、高聚物的组成以及上述因素之间的相互关系等。
高分子的亲水性越强越易水解，水解酶对酯键、酰胺键和氨基甲酸酯都有较强的作用；无定型态的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，越容易受到酶的进攻，也就越容易降解；可降解性随着分子量增大而降低；高聚物的组成，如共混、共聚等也影响着高分子的可降解性。
一般情况下只有极性高分子才能与酶相吸附并能很好亲和，因此高分子具有极性是生物降解的必要条件。
具有生物降解性（包括水解）的分子化学结构有：
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聚乳酸的基本性质
聚乳酸是以微生物的发酵产物L-乳酸为单体聚合成的一类聚合物，可以分为聚左旋乳酸（PLLA）、聚右旋乳酸（PDLA）和聚消旋乳酸（PDLLA）三种。
具体性能[5]见表1。
其中，常用易得的是PLLA和PDLLA。
PLLA是半结晶性相当硬的材料。
PLLA和PDLA的外消旋体是结晶性的，相反PDLLA是无定形的透明的材料[6]。
聚乳酸的熔点较高，其物理性质介于PET（聚对苯二甲酸类塑料）和PA-6（尼龙塑料）之间，结晶度大、透明度极好，有良好的抗溶剂性、防潮、耐油脂、透气性，还具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性。
聚乳酸的热稳定性好，适用于吹塑、吸塑、挤出纺丝、注塑和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、玩具和医疗卫生等领域拥有广泛的应用前景。
3聚乳酸的合成方法
PLA一般可以通过乳酸的直接缩聚也可以由丙交酯经阴离子型阳离子型和配位型的开环聚合制得。
一般来说乳酸直接聚合或丙交酯（lactide简称LA）的阴离子开环聚合所得到的PLA分子量较低因此要合成高分子量高转化率的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
乳酸的直接缩聚由于存在着乳酸、水、聚酯及丙交酯的平衡，不易得到高分子量的聚合物。
在脱水剂的存在下，乳酸分子中的羟基和羧基受热脱水，直接缩聚合成低聚物，加入催化剂，继续升温，低相对分子质量的聚乳酸聚合成更高相对分子量的聚乳酸。
它主要有溶液缩聚法、熔融缩聚（本体聚合）法、熔融-固相缩聚法和反应挤出聚合法等。
直接缩聚法生产工艺简单但一般只能得到分子量小于1万的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30万的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的某些需要。
3.2丙交酯的开环聚合
目前研究合成聚乳酸的最多方法是丙交酯的开环聚合，其开环聚合的机理有阳离子聚合、阴离子聚合、配位聚合3种[8]。
3.2.1阴离子开环聚合
1990年KricheldorfH.R.[9]以BzOKPhOKtBuOK和BuLi为催化剂对L-LA实施开环聚合。
发现只有当引发剂的碱性较大时如tBuOK和BuLi才可能使L-LA发生开环聚合，得到的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的现象。
Kricheldorf等[10]报道了BuMgClBu2MgMg（Oet）2等对内酯的开环聚合，Mg有一定的络合能力，反应活性有所提高，但缺点是反应时间过长。
他使用格氏试剂BuMgCl催化LA聚合发现有部分消旋现象得到产物的分子量低。
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是以催化剂亲核进攻丙交酯的羰基，酰氧键断裂后生成的。
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，这是由于丙交酯环上的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的聚合物。
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是单体上的氧原子与催化剂金属的空轨道配位络合，单体再在金属-碳或金属-烷氧链上进行插入和增长[12]。
催化剂主要为过渡金属有机化合物和氧化物。
这类反应的催化剂种类很多如烷基金属和烷基金属化合物。
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、最有效的催化剂，其催化剂机理为：
卟啉铝作为配位开环聚合的一种催化剂，其引发聚合得到的聚合物的分子量分布非常窄。
而且这种催化剂有很好的立构选择性。
但是这类催化剂的活性不高。
Kricheldorf等用MgBu2和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100万的聚合物，但这类催化剂对实验条件要求非常高。
由此可以看出配位插入开环聚合在合成聚乳酸中发挥的重要作用。
4聚乳酸的改性
4.1化学改性
4.1.1共聚改性
共聚改性是通过调节LA与其他单体的比例来改变聚合物的性能，或由其他单体向PLA提供特殊功能基团，以此来改善PLA的亲水性、结晶性等性能。
宋谋道等[13]采用PEG与丙交醋共聚，制得高分子质量的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的脆性。
这种脆性向韧性的转变说明，用PEG改性的PLA是一种综合性能可调控的生物降解材料。
YoshikuniTeramoto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，改性后的共聚物均只具有单一的玻璃化转变温度，而且玻璃化转变温度有很大程度的降低，共聚物的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。
且共聚物的可拉伸性随着PLA含量提高有很大的提高，当MS》14时，最大断裂伸长达到2000%。
4.1.2表面改性
Ainingzhu等[15]通过壳聚糖上的自由氨基与4一叠氮苯甲酸上的梭基进行反应，将4-叠氮苯甲酸固定在壳聚糖上。
利用4-叠氮苯甲酸的光敏性，采用紫外光照射涂抹在PLA薄膜表面的壳聚糖，叠氮基团光解，从而将PLA和壳聚糖共价连接起来。
改性后壳聚糖上的轻基和氨基又可以引人其他的官能团，从而可以对PLA进行进一步的改性，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，同时还加强了细胞的附着力。
4.2物理改性
4.2.1共混改性
共混改性是将两种或两种以上的聚合物进行混合，通过聚合物各组分性能的复合来达到改性的目的。
共混物除具有各组分固有的优良性能外，还由于组分间某种协同效应而呈现新的效应。
淀粉是一种可自然降解的亲水性材料，它与PLA的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相变的不连续。
PLA与淀粉之间的界面粘合力随着共混物的老化而降低，MDI可以改善这种界面粘合力，从而延缓PLA/淀粉共混物的老化，延缓机械性能的降低。
KellyS.Anderson等[16]，则研究了PLA与LL-DPE熔融共混物，发现半结晶的PIA不用增塑剂，通过共混即可改善其韧性，而无定形的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
增塑改性就是在高聚物中混溶一定量的高沸点、低挥发性的低分子量物质，从而改善其机械性能与加工性能。
4.2.3复合改性
纤维复合改性主要是为了提高材料的机械性能。
碳纤维因为其高强度和优良的生物相容性成为很好的PLA增强材料。
无机填料掺人PLA中熔融共混制备复合材料，填料的种类影响复合物的机械性能。
掺入子和晶须类填料后复合材料的拉伸模量分别可达3.1-3.7GPa和3.7-4.5GPa，弯曲模量为4.1-4.8GPa和4.8-6.1GPa。
掺人晶须类填料时复合材料的拉伸模量、拉伸强度以及弯曲模量与填料的体积分数成比例地增长。
PLA与无机填料间的表面粘合力比较差，因而无机填料的增强效果也比较差[17]。
5聚乳酸的应用
5.1服装领域中的应用（聚乳酸纤维）
聚乳酸纤维（简称PLA纤维），是一种新型的生态环保型纤维，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的较高分子量聚乳酸，最后经过化学改质，将其强度、保水性提升并将其纤维化[18]。
聚乳酸纤维的最大特点是同时具备天然纤维和化学纤维两方面的优点，其强度和聚酯纤维接近，达6.23cN/dtex；有极好的悬垂性、滑爽性、吸湿透气性、耐晒性、抑菌和防霉性；具有丝绸般的光泽；回弹性好；有较好的卷曲性和卷曲持久性；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，所以由其制得的服装具有质轻、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包装工程中的应用
高分子材料在包装行业中的应用越来越多，但是大量废弃的包装材料给环境造成了巨大污染。
只靠消极的减少使用量是不能根本解决问题的，只有采用降解性高分子才是可行的。
目前，各种包装材料是聚乳酸最大、最有潜力的应用市场。
聚乳酸阻气阻水性、透明性及可印刷性良好，且其基本原料乳酸是人体固有的生理物质之一，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的应用
5.3.1药物控释
药物控释是生物可降解材料的重要应用。
大部分植入体内的药物控释制剂是用可降解聚合物制成的，已有一些天然的和合成的高分子材料被各国药品管理部门批准为药用辅料，还有相当数量的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的药物控释制剂的载体，有效地拓宽了给药途径，减少了给药次数和给药量，提高了药物的生物利用度，最大限度地减少药物对全身特别是肝、肾的毒副作用[19，20]。
聚乳酸作为缓释剂的优点有：
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的聚乳酸，以期在体内迅速降解[21]。
为了调节药物的释放速度，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、氢化可的松等药物微球，通过调节聚己内酯多元醇与聚乳酸的比例改变药物的释放速度。
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的骨夹板在骨愈合过程中它具有足够的强度和硬度，可支持骨折部位承受正常生理活动的外力，在骨愈合后夹板开始降解并失去强度，外来的承重力逐渐由夹板转移到自体骨上，使新愈合的自体骨的功能自然恢复到正常水平；夹板最后从植入部位消失，免去二次手术的麻烦。
由纯的PLA制成的骨夹板其初始强度较低，只能用于非承重部位的骨折内固定，通过和其他医用生物材料的复合，可以改善PLA的力学性能，例如用聚乙醇酸（PG纤维、碳纤维、羟基磷灰石等增强PLA，可大幅度提高材料的初始强度，具有相当的承载能力，可与金属的强度媲美。
5.3.3外科手术缝合线
聚乳酸及其共聚物最早在医学上的应用就是外科缝合线，由于聚乳酸的生物降解性，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的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，随着伤口的愈合，缝线缓慢降解。
商品名为Vicryl的缝合线是由美国EthicoInc.公司生产的，它是乙交酯与丙交酯的共聚物。
近年来，研究主要集中在以下几方面：
①为提高缝合线的机械强度，需合成高分子量聚乳酸，改进加工工艺。
②光学活性聚合物的合成，半结晶的聚右旋乳酸、聚左旋乳酸比无定形聚消旋乳酸具有较高的机械强度、较大的拉伸比率及较低的收缩率，更适合手术缝合线。
③缝合线的多功能化。
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他无机盐增加缝合线的韧性和调节聚合物的降解速率。
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