生物降解聚乳酸改性及应用

生物降解聚乳酸改性及应用

摘要：综述近几年来聚生物降解聚乳酸主要的改性方法以及聚乳酸目前的应用领域。

关键词：聚乳酸 改性 方法 应用

Abstract: To review the recent years poly biodegradable polylactic acid main modification methods and application field of polylactic acid at present.

 

Keywords: polylactide modification methods of application 

一、前言

聚乳酸（PLA） 是乳酸的一种重要的衍生物，其无毒、无刺激性, 强度高,不污染环境,可塑性好有良好的生物相容性和生物可降解性，在生物体内可逐渐降解为CO2 和水，对人体无毒、无积累，被认为是21 世纪最有前途的可生物降解的功能材料。同时聚乳酸存在的缺点是:①聚乳酸中有大量的酯键,亲水性差,降低了它与其它物质的生物相容性; ②聚合所得产物的相对分子量分布过宽,聚乳酸本身为线型聚合物,这都使聚乳酸材料的强度往往不能满足要求,脆性高,热变形温度低(0146MPa 负荷下为54 ℃) ,抗冲击性差; ③降解周期难以控制; ④价格太贵,。改性能提高材料力学性能，降低成本，改善降解性能的有效途径[1]。

1、聚乳酸化学合成机理

合成聚乳酸的单体主要有乳酸和它的环状二聚体丙交酯，根据光学活性不同可分为下列几种：

从旋光性角度将丙交酯分成4 种异构体。 即：L，L-丙交酯，D，D-丙交酯，内消旋D，L-丙交酯和外消旋D，L-丙交酯。 内消旋丙交酯聚合得到的聚合物其降解性能和物理性能与外消旋丙交聚合得到的聚合物的性质有所不同。 丙交酯法给聚乳酸高聚体的研发和应用提供了一种潜在的可能性!即可根据最终产品的性能要求裁剪设计高聚物的分子结构。 从而可赋予产品许多特殊的使用性能，如结晶度、熔点和机械强度等差异[2]。

2、聚乳酸的合成方法

以乳酸作为单体化学合成的聚L-乳酸简称聚乳酸， 它属于强度高、可塑性加工成型的高分子材料。关于聚乳酸的研究国内从80 年代末开始着手进行，主要研究聚乳酸及其共聚物的合成%结构及其性能。

传统的聚乳酸合成方法是乳酸直接脱水聚合得到低相对分子质量的聚乳酸。 

直接法的主要特点是合成的聚乳酸不含催化剂，但反应条件相对较苛刻，产品易分解，实用性小。近年来，经过改进聚合工艺和共聚改性技术，使聚乳酸的性能得到进一步改善。目前聚乳酸的合成除直接法以外，还有间接法和共聚法。[3]

间接法合成工艺是在乳酸脱水缩合后，将得到的低聚物在三氧化锑、三氟化锑等催化剂作用下使其解聚生成聚乳酸的环状二酯（简称丙交酯），然后再加入辛酸锡、二酯锌等催化剂使其发生环聚反应制得高相对分子质量的聚乳酸。[4]间接法生产的聚乳酸中残存有毒的催化剂，而且合成中要用价格昂贵的二噁烷作溶剂，操作不便。

共聚法的引入是由于单独的聚乳酸均聚物已不能满足聚乳酸应用的需求，近年来聚乳酸与其它单体共聚改性已成为研究的热点。共聚改性是通过调节乳酸和其它单体的比例，或者通过第二单体来改变聚合物的性能。畦民等研究了L-丙交酯与DL-丙交酯的共聚反应条件，并对聚合物的力学和降解性能进行了表征，随着DL-丙交酯的加入，材料向柔性转化，降解性能也随之增加。[5]

目前，日本、美国和法国等国家正积极开发利用农副产品为原料发酵生产聚乳酸。日本钟纺公司以玉米为原料发酵生产聚乳酸，利用聚乳酸制成生物降解性发泡材料。 其生产过程是在聚乳酸中混入一种特殊添加剂，对其分子结构进行控制，使之变为易发泡的微粒，再加入用碳水化合物制成的发泡剂，在成型机中成型，经高压水蒸气加热成发泡材料。该材料的强度、压缩应力、缓冲性和耐药性等与聚苯乙烯塑料相同，经焚烧后不污染环境，还可作肥料。[6] 美国一家研究所把制乳酪后的废弃土豆转化为葡萄糖浆，再用细菌发酵成含乳酸酵液，经电渗析分离、加热使水分蒸发，得到可制成薄膜的聚乳酸，可作为保险袋及替代聚乙烯和防水蜡的包装材料。 法国研制出用甜菜为原料，先分解成单糖，发酵生产乳酸，再用化学方法将乳酸聚合成聚乳酸。制作聚乳酸的方法很多，如利用工业制糖工序的下脚料贫糖液来生产聚乳酸，使生产成本大幅度下降。

二、改性主要方法

　  聚乳酸(PLA) 降解材料具有良好的物理性能和生物相容性,但同时存在着降解速度难以控制,强度和韧性不够以及致炎效应等缺点,为此人们对PLA 进行大量的改性研究。聚乳酸的改性方法有物理改性、化学改性。物理改性主要是通过共混、增塑及纤维复合等方法实现对聚合物的改性。化学改性包括共聚、交联、表面修饰等，主要是通过改变聚合物大分子或表面结构改善其脆性、疏水性及降解速率等。现在,人们关注最多的是共聚改性,其通过调节乳酸(LA) 和其他单体的比例改变聚合物的性能,或由第二单体给PLA 以特殊性能,特别是该单体为某功能分子时更加受到重视。

1、物理改性

1.1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呈现新的效应[7]。依据共混组分的生物降解性，可以将聚乳酸共混体系分为完全生物降解体系和部分生物降解体系两大类。

1.1.1  PLA 完全生物降解共混体系

完全生物降解共混体系的另一组分是完全生物降解的高分子。比如：①、 PLA/PHB（聚3-羟基丁酸酯）共混体系：在PLA 同PHB 的共混体系中,PLA 的分子量决定了共混组分的相容性。②、PA/PCL（ε—己内酯）共混体系：将PLA 和PCL 共混，共混物存在两个明显的玻璃化转变温度，说明PLA/PCL 共混体系是不相容的。③、PLA/PEO（聚氧化乙烯）共混体系：使用各种分子量的PEO 同PLA 共混，用以改善PLA 的机械性能和加工性能。④、PLA/淀粉共混体系：将PLA 与淀粉共混，可以降低PLA 的价格，改善它的降解性。⑤、PLA/PPC（聚丙撑碳酸亚丙酯）共混体系：将PLA 与PPC 共混，改善了PLA 的韧性，也解决了增韧剂从制品中向外迁移的问题。[8]

1.1.2  PLA 部分生物降解体系

PLA 的另一种共混体系是部分生物降解体系。比如①、 PLA/PVPh（聚对乙烯基苯酚）共混体系。②、 PLA/PVAc（聚醋酸乙烯酯）共混体系。③、 PLA/PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）、PLA/PMA（聚丙烯酸甲酯）共混体系。[9]

1．2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[10]。 

例如：把生物相容性增塑剂如柠檬酸酯醚、葡萄糖单醚、部分脂肪酸醚、低聚物聚乙二醇(PEG2400, PEG21500)、低聚物聚乳酸(OLA )、丙三醇添加入聚乳酸基体, 通过研究经增塑后的聚乳酸的玻璃化温度、结晶温度、熔点、结晶度、弹性模量、断裂延伸率的变化可知, 增塑剂的加入使聚乳酸大分子链的柔性提高, 玻璃化温度降低非常明显, 其弹性模量下降, 断裂伸长率提高, 即在一定程度上韧性增加。[11]

通过比较其变形量和弹性能可知, 这些增塑剂可以改善聚乳酸的柔韧性、耐冲击性能。其中最有效的增塑剂是PEG2400 和OLA , 当添加OLA 20 w t%时, 断裂延伸率由纯PLA 的9% 上升到200% ,这说明聚乳酸经OLA 增塑后由硬质转化为韧性; 而丙三醇的增塑效果不明显。

1.3复合改性　

1.3.1纤维复合改性

聚乳酸可以由干法纺丝或熔融纺丝制得聚乳酸纤维, 由聚乳酸树脂与聚乳酸纤维通过纤维集束模压成型可以得到聚乳酸自增强材料; 而且可以加工成板状、棒状、螺钉等各种形状。[12]

碳纤维具有很高的比强度、比模量, 生物相容性和稳定性好, 同完全可吸收聚合物复合材料一样, 骨折愈合后也不必二次手术取出。因此采用碳纤维增强聚乳酸制备复合材料可以用作骨折内固定生物材料。 

磷酸盐玻璃纤维是一种能在体内完全吸收、活性很好的纤维, 用它可增强PLLA 的强度。在传统的磷酸钙玻璃中加入22% (质量) 的三氧化二铁制备的纤维增强PLLA 后的复合材料力学性能得到明显的改善。但纤维与基体之间界面结合力差, 强度和模量保持的时间较短。[13]

1.3.2聚乳酸与羟基磷灰石复合

羟基磷灰石(HAP) 是人体骨骼的基本成分, 连接软硬组织, 与胶原蛋白和细胞紧密结合, 引导骨的生长, 但它缺乏力学强度, 表现出脆性。HA P与PLA 的复合包括几个方面:(1) 低分子量聚乳酸与颗粒型HA P 加热、加压复合, 室温为固态, 50 ℃～ 60 ℃变软, 具有良好的可塑性, 用作口腔修复材料; (2) 将HA P等离子喷涂在PLLA 表面, 厚度达50 Lm, 可延缓聚乳酸的降解; (3)HA P 微粒与丙交酯混合,在一定温度和真空状态下由引发剂引发聚乳酸聚合, 得到具有很高压缩强度和拉伸强度的PLLA 2HA P 复合材料, 两者之间界面存在化学结合力, 在体内降解速度较慢, 且具有各向同性的力学性能。目前, 两种材料之间的键合程度尚不明确, 这种复合材料是一重要研究方向。[14]

2、化学改性

2.1共聚改性

聚乳酸的共聚改性旨在聚乳酸主链中引入另一种分子链, 使PLLA 大分子链的规整度下降、结晶度降低, 以提高柔性和弹性。聚乳酸的共聚改性物可以是生物降解类材料如乙交酯、己内酯等, 也可以是非生物降解类材料如聚甲基丙烯酸甲酯、聚丁二烯、聚酰亚胺等[15]。共聚改性是通过调节乳酸和其他单体的比例来改变聚合物的性能,使力学性能、功能反应性能等方面有很大的提高。

　2.1.1 含-OH官能团的功能分子改性

用于改性PLA 材料的含-OH 官能团的功能分子,最常见的是聚乙二醇( PEG) ,其主要用于改善材料的亲水性 。例如,Pan 等分别以一端封闭的PEG2聚乙二醇单甲醚和星型PEG为原料,辛酸亚锡催化丙交酯开环聚合,得到了二嵌段的和四臂星形的PLA 共聚物。与线形PLA 相比,星形聚合物具有较低的玻璃化转变温度、熔点、结晶度,可作为一种更好的药物缓释载体。

烯类单体甲基丙烯酸羟乙酯( HEMA) 具有末端羟基,其与丙交酯开环聚合可得到末端双键功能化的PLA-HEMA 大分子单体(MC) 。以该MC 与N-乙烯基吡咯烷酮(NVP) 共聚,可得到一种两亲性接枝共聚物。结果表明,随投料比MC/NVP 增大,共聚物膜的亲水性下降。因此,可通过控制投料比调节聚合物的亲水性。

也可利用糖类化合物丰富的-OH 基团来改性PLA。例如,蔡晴等采用三甲基硅烷化或乙酰化葡聚糖引发丙交酯开环聚合,得到了梳型的PLA 接枝葡聚糖共聚物; Yang 等以壳聚糖为原料,通过丙交酯开环法得到了具有良好生物降解性的接枝共聚物,改善了PLA 的疏水性,拓宽了其在软组织和药物控释方面的应用。

胆固醇是生物体内天然存在的生理活性物质,对细胞膜具有热力学亲和作用,并且能改变细胞膜的性质,调节磷脂双分子层的结构和动态行为,特有的刚性骨架和羟基结构使其容易发生聚集,能自组装为模拟细胞膜的液晶态结构。因此,Klok 等以胆固醇为原料,辛酸亚锡为催化剂,通过与丙交酯开环共聚得到了胆固醇-聚乳酸共聚物。

胆酸也具有高度的生物活性和生物相容性,且其分子3 、7 、12 位上的-OH 可引发丙交酯开环共聚。同时,胆酸合成的高分子材料保留了胆酸的手性、自组装、侧基可反应等性能,故胆酸越来越多地被用于药物传送体系和高分子生物材料的制备。例如,卓仁禧研究组以胆酸为原料,采用丙交酯开环法得到了一种三臂的星型共聚物,其较线形PLA 对细胞有着更强的粘附力和生长率,并且大大改善了PLA 的降解性能,可应用于药物缓释微球。[16]

通常,丙交酯是经LA 等合成的,故丙交酯开环聚合法存在丙交酯制备与纯化过程繁琐、溶剂用量大、步骤多、反应时间长、成本高等缺点。因此,我们以外消旋乳酸(D ,L-LA)为原料,采用直接熔融共聚法合成胆固醇-聚乳酸共聚物,大大缩短、简化了合成工艺流程。类似地,利用维生素E 的酚羟基与D ,L-LA 直接熔融共聚,也合成维生素E-聚乳酸共聚物,该种新颖的高分子酯可望应用于塑料助剂、化妆品、医药等领域。

2.1.2含-COOH官能团的改性

    含有-COOH 官能团的化合物,可利用其与LA 羟基酯化的性质改性PLA。例如,柠檬酸是三羧酸循环中重要的中间产物,对糖和脂肪酸代谢有着极为重要的意义。因此, Yao等以L-乳酸和柠檬酸为原料,SnCl2 为催化剂,采用直接熔融缩聚法得到了聚乳酸2柠檬酸共聚物,其可用于组织工程学中PLA 的表面改性。

对苯二甲酸含有二个-COOH ,也可和LA 共聚,实现PLA与PET 优势互补的目的。例如, Gao 等以对苯二甲酸、乙二醇和LA 为原料,通过直接熔融缩聚法得到了无定型的聚(乳酸-乙二酸-对苯二甲酸) 共聚物。结果表明,共聚物的热稳定性随着对苯二甲酸单元含量的增大而增大,聚酯的生物降解速率随着LA 含量的增大而增大。

2.1.3含-NH官能团的改性

     氨基可与LA(或PLA) 的羧基反应,因此-N H 官能团的化合物改性PLA 近年来也开始引起关注。例如,苯胺齐聚物具有和聚苯胺相似的电化学性质,但有更好的溶解性,黄利红等以PLA 与苯胺齐聚物共聚,得到了以双羧基封端的电活性可生物降解材料—聚乳酸与苯胺五聚体嵌段共聚物,改善了苯胺五聚体的毒性,材料降解后苯胺五聚体等小分子物质可随排泄物一起排出体外。

2.1.4含环酯基、环酸酐类官能团的改性

     由于酯键易水解,含环酯基官能团的功能分子改性聚乳酸的研究也较多,特别是ε-己内酯。单体碳酸亚乙酯( EC)亦可用于改性PLA ,李喜群等以SnCl2 为引发剂,在熔融状态下引发丙交酯和EC 共聚,得到了一类新的二元无规线形共聚物,并且可通过调节共聚物中EC 的比例获得具有不同性能和降解行为的高分子材料。          

马来酸酐是一种在生物体内可正常代谢的多官能团物质,分子中双键可和PLA 分子进行适当交联,改善材料的力学性能,同时酸酐键将会增大材料的亲水性。王远亮等以马来酸酐改性PLA ,并进一步用丁二胺改性,所得共聚物克服了PLA 和马来酸酐改性PLA 在降解过程中的酸性,提高了PLA 的亲水性,并为进一步引入多肽和胶原等生物信号分子提供活性基团,在组织工程中具有重要的应用潜力。

 2.1.5多官能功能分子对PLA 的共聚改性

多功能团功能分子改性PLA ,主要涉及乙醇酸、氨基酸等。特别是氨基酸具有多个活性官能团,可以用来固定具有生物活性的分子,如蛋白质、糖类、多肽等,其支链可以与小肽、药物或交联剂等连接,促进细胞的粘附和生长等。目前,用于与PLA 共聚的氨基酸单体,主要有赖氨酸、天冬氨酸、组氨酸、丝氨酸、甘氨酸、丙氨酸等。丙交酯开环法是氨基酸改性PLA 主要方法,但其存在反应步骤繁多、反应时间长等缺点。因此,经济有效直接聚合法日益得到研究者的关注。例如,Abe 等以L-乳酸和L-丙氨酸为单体,通过缩聚法得到嵌段共聚物聚(乳酸-丙氨酸) 。我们以D ,L-LA 为原料,采用缩聚法分别与丙氨酸、甘氨酸等共聚,得到系列共聚物,其原料易得、合成工艺简单。近年来,其他一些特殊的多官能团分子改性PLA 也成为研究热点。例如,42羟基脯氨酸的羧基和羟基都是可反应的活性基团,且脯氨酸分子中吡咯环在结构上与血红蛋白密切相关,羟脯氨酸是胶原的组成成分之一。因此,Duan 等 以4-羟基脯氨酸和不同含量的聚乙二醇与D ,L-LA 共聚,通过直接熔融缩聚法得到了一种无定形具有新颖降解功能的共聚物。胆酸作为一种多官能团的天然双亲分子,我们以D ,L-LA 为原料与其熔融共聚,合成了聚乳酸-胆酸星型共聚物,分子量可满足药物缓释材料的要求,过程操作简单。与仅利用胆酸-OH 改性PLA 相比 ,我们还利用了胆酸中24 位上-COOH参与反应,得到了4 臂的不对称星型共聚物。

2.2嵌段共聚

常用的改性材料有亲水性好的聚乙二醇（PEG）、聚乙醇酸（PGA）等。邓连东等采用纳米沉淀技术合成了聚乙二醇单甲醚和聚乳酸两亲性嵌段共聚物纳米胶束。胶束呈核壳结构; 粒径受聚乳酸链段摩尔质量和有机相聚物浓度的影响。该嵌段共聚物的临界胶束浓度CMC) 小于21143 ×10 - 3 mol/ L , 且随着聚乳酸链段摩尔质量的增大而减小。聚乙二醇既溶于水又溶于有机溶剂, 具有较好的两亲性以及良好的生物相容性,摩尔质量范围宽、选择余地大; 而且已经被美国联邦药品管理局批准用于人体。因此, 聚乙二醇常用作聚乳酸的嵌段改性材料之一, 聚乙二醇改性聚乳酸的合成方法主要有三种: (1) 乳酸丙交酯化与环氧乙烷共聚合; (2) 乳酸与聚乙二醇共聚合; (3) 在聚乳酸/聚乙二醇预聚物的基础上用二异酸酯、二酸酐等进行扩链, 以进一步提高聚合物的摩尔质量。[17]

2.3接枝共聚

为解决均PLA 疏水性的问题,控制其降解周期,可通过与其他单体进行接枝改善材料的疏水性、结晶性等，聚合物的降解速率可根据共聚物的分子量、共聚单体种类及配比等加以控制。涂克华研究了淀粉/ 聚乳酸共混体系的相容性，考察了淀粉- 聚醋酸乙烯酯和淀粉-

聚乳酸接枝共聚物对淀粉/ 聚乳酸共混体系相容性的影响。发现上述两种接枝共聚物均可有效地增加淀粉与聚乳酸的相容性，从而提高共混体系的耐水性和力学性能。[18]

三、应用

3.1在生物医学中的应用

聚乳酸是一种具有良好的生物相容性和可生物降解的聚合物，是美国食品药品管理局( FDA) 认可的一类生物降解材料，其最终降解产物是二氧化碳和水，中间产物乳酸也是体内正常糖代谢产物，所以不会在重要器官聚集。它具有对人体无毒、无刺激、可控制生物降解、生物相容性较好，且原料易得等优点，因此聚乳酸及其共聚物已经成为一种备受关注的新兴可生物降解的生物医用高分子材料。其在生物医学上的应用主要包括在缝合线、药物控释载体、骨科内固定材料、组织工程支架等方面的应用。具有优异特性的PLA在医药领域其它的应用归纳于表1。

表1　PLA在医疗领域的主要用途

目　的	应用实例
接合、固定 止血、填充 重建、辅助 隔膜、保护 药物、治疗	缝合线、夹钳、接骨材料(板、螺钉) 、粘结剂、销钉 止血剂、骨和软组织缺损部位填充剂(网状物、不织布等) 皮肤、胸壁网络、韧带、血管、神经诱导管 防止粘连、阻止向组织侵入、涂覆材料 药物缓释性包衣、微胶囊、植入片等

例如控制释放就是将药物或其他生物活性物质和基材结合在一起使药物通过扩散等方式在一定时间内，以某一速来率释放到环境中。聚乳酸作为药物载体时，随着聚乳酸在体内的降解，其结构变得疏松，内含药物从中溶解，扩散的阻力减小，药物释放速度加快。当药物释放速度的加快刚好与含药量的减少所引起的释药速度变慢一致时，就实现了药物的长期衡量释放。熊雷等用PVP － b － PLA 包裹纳米Fe3O4，利用PLA 的末端羟基可以进行功能化，如接载药物或靶向试剂等，通过PLA 的降解，可以将药物或靶向试剂进行有效释放。目前，聚乳酸及其共聚物已被应用到许多药物的控制释放中，主要包括生物活性分子( 如生长素，牛血清白蛋白) 、抗癌物( 如顺氯氨铂，阿霉素，博来霉素等) 、抗生素( 如氯霉素，青霉素等) 、麻醉剂、麻醉剂拮抗物、避孕药以及其他药物的释放。

3.2  PLA 在纺织领域的应用

PLA 在纺织领域的研究应用开发是最近10 年左右开始的。聚乳酸可用纺粘法或熔喷法直接制成非织造布,也可先纺制成短纤维,再经干法或湿法成网制得非织造布。聚乳酸非织造布用于农业、园艺方面,可用作种子培植、育秧、防霜及除草用布等;在医疗卫生方面,可用作手术衣、手术覆盖布、口罩等,也可用作尿布、妇女卫生巾的面料及其他生理卫生用品;在生活用品方面,可用作衣料、擦揩布、厨房用滤水、滤渣袋或其他包装材料。

由于聚乳酸纤维的物理力学性能、热稳定性、和热塑性好，较软，较轻、染色性好、有生物相容性，因此用途十分广泛。下表列出了其主要用途。聚乳酸纤维可制成复丝、单丝、短纤维、假捻变形丝、针织物和非织造布等，目前主要用于服装和产业领域。

以聚乳酸纤维制得的布料具有真丝的光泽、优良的手感，亮度、吸水性、形状保持性及抗皱性，因此是较理想的面料，适合做服装尤其是妇女服装。钟纺，由尼契卡等公司还已将聚乳酸纤维的用途扩大到产业领域，聚乳酸纤维在产业领域的主要用途是：在木工工程中作网、垫子、沙袋等；在种植业中作养护薄膜等，在农业、林业中作播种织物，薄膜防虫放兽害盖布、芳草袋等，在渔业中做渔网，鱼线等，在家用器具中做垃圾网、手巾、滤器等。

3.3  PLA 在包装领域的应用

PLA 在包装领域的用途主要可用做包装带、包装用膜、农用薄膜、泡沫塑料、餐具、园艺用膜、冷饮杯等。2002 年日本一学者开发了具有生物降解性和优良的机械性能以及柔韧性的包装带,该包装带材料由结晶性聚乳酸、增塑剂和无机填料组成,适用于自动包装机。

四、结语

近年来,国内外可生物降解塑料得到了很快的发展,成为可持续、循环经济发展的焦点。无论是从能源替代、二氧化碳减少,还是从环境保护方面都具有重要意义。与其它生物基或者生物降解塑料相比, PLA是其中最具代表性和最重要的一种塑料, PLA具有良好的可降解性、生物相容性,原料易得等优点,其领先地位可以由目前PLA在包装、纺织、医药卫生等领域的广泛应用,越来越多的PLA新型产品,逐渐增加的在建项目,日益扩大的工业生产规模和加工企业数量,以及与PLA相关的专利及文章的发表来证明,在当今社会必然有着广阔的研究和应用前景。

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