生物降解高分子聚乳酸的合成和改性研究进展

生物降解高分子聚乳酸的合成和改性研究进展摘要： 聚乳酸(polylactic acid ,PLA) 是一种具有良好生物相容性、可降解性和可吸收性的高分子材料。本文较全面地介绍了聚乳酸的合成与改性方法 , 并对聚乳酸的合成及改性的研究方向进行了展望。关键字：聚乳酸；合成；改性 聚乳酸具有优良的生物相容性、生物可降解性，最终的降解产物是二氧化碳和水，不会对环境造成污染。这使之在以环境和发展为主题的今天越来越受到人们的重视，并对其在工农业领域、生物医药领域、食品包装领域的应用展开了广泛的研究。聚乳酸的合成是以乳酸为原料，直接缩聚得到，由于反应产物水难以从体系中排除，所以产物分子量较低，很难满 足实际要求。若采用两步聚合法丙交酯开环聚合，虽可制备出高相对分子质量的聚乳酸，但其流程冗长，成本高。聚乳酸合成的高成本及其疏水性、脆性等性能缺陷，限制了其应用范围，所以目前对聚乳酸的研究主要集中在改性上。本文主要从聚乳酸合成和改性两方面综述 国内外聚乳酸的最新研究进展。1 聚乳酸合成方法目前聚乳酸的合成主要有两种方法，即丙交酯开环聚合法和直接缩聚法1-4。1.1 直接缩聚法乳酸同时具有OH 和COOH，是可直接缩聚的。聚乳酸的直接缩合制备聚乳酸方法简单, 利用乳酸的活性, 在加热条件下, 乳酸分子间发生脱水缩合,可以直接合成分子量较高的聚乳酸。但是, 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。直接合成法要获得高分子量的聚合物必须注意以下三个问题: (1) 动力学控制; (2) 水的有效脱出; (3) 抑制降解。Hiltunen5 等研究了不同催化剂对乳酸直接聚合的影响。日本Ajioka 等开发了连续共沸除水直接聚合乳酸的工艺。国内赵耀明6以联苯醚为溶剂，通过溶液直接聚合制得粘均分子量为 4 万的聚合物。现已可由直接聚合方法制得具有实用价值的PLA 聚合物，并且此聚合方法工艺简单 ，化学原料及试剂用量少，但直接聚合的PLA 分子量仍偏低，需进一步提高，才能使其具有更加广泛的用途。1.2 开环聚合法到目前为止，PLA 主要是通过丙交酯的开环聚合制得7 。即首先将乳酸分子间脱水,生成环状的丙交酯; 然后将丙交酯开环聚合生成高聚物，这种反应可以合成分子量高达 70 万到100万的 PLA 。迄今为止，人们依据引发剂的不同提出了 3 种聚合机理: 阳离子聚合、阴离子聚合、配位聚合。1.2.1 阳离子型开环聚合阳离子型开环聚合机理为阳离子先与单体中氧原子作用生成翁离子或氧翁离子, 经过单分子开环反应生成酰基正离子, 从而引发单体增长。用于丙交酯开环聚合的阳离子( 引发剂) 有: 质子酸、路易斯酸、烷基化试剂等) 。其中, SnCl2 被认为是LLA 开环聚合的高效催化剂, 以有人认为阳离子开环聚合的催化机理与体系中的痕量水有关。能引发LA阳离子聚合的引发剂不多, Kricheldorf等认为只有三氟甲基磺酸和三氟甲基磺酸甲酯是真正的丙交酯开环聚合的阳离子引发剂, 其它阳离子引发剂需在催化剂与体系中少量杂质的共同催化作用下才能引发聚合。但是这类催化剂只能引发内酯本体聚合, 且产物分子量不高。1.2.2 阴离子型开环聚合引发剂为强碱, 如Na2CO3, ROLi等, 引发机理为负离子亲核进攻丙交酯羰基, 酰氧键断裂。L- 丙交酯的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。邓先模等研究了环戊二烯钠对内酯开环聚合8, 反应条件温和, 催化活性高, 但也存在一定的副反应。1.2.3 配位开环聚合在开环聚合中，配位开环聚合一直是人们关注的焦点，所用的催化剂为有机铝化合物、锡类化合物、稀土化合物等。金属铝可与不同配体形成配位化合物9，催化 PLA 开环聚合得到大分子单体，进而可制备接枝、星型等结构的共聚物，其反应在一定程度上表现出活性聚合的特征 。 2 聚乳酸的改性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(0. 46MPa 负荷下为 54 ) ,抗冲击性差; (3) 降解周期难以控制;(4) 价格太贵 ,乳酸价格以及聚合工艺决定了 PLA的成本较高。这都促使人们对聚乳酸的改性展开深入的研究。2.1 共聚改性共聚改性是通过调节乳酸和其他单体的比例改变聚合物的性能,或由第二单体提供聚乳酸以特殊性能。均聚 PLA为疏水性物质 ，降解周期难控制，通过与其他单体共聚可改善材料的疏水性、结晶性等，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。由于聚乳酸分子中含有端羟基和端羧基，所以在共聚物中比较多的是聚酯-聚酯共聚物，聚酯-聚醚共聚物10，以及和有机酸 、酸酐等反应生成的共聚物。常用的改性材料有亲水性好的聚乙二醇（PEG）、聚乙醇酸（PGA）及药物通透性好的聚 E-己内酯（PCL）等。2.2 共混改性共混改性是将2种或2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。戴毅敏等11进行了珊瑚与聚乳酸的复合研究和体内外降解实验 ，发现复合材料体内降解速度明显比珊瑚慢 ，抗压强度明显提高其与基因重组人骨形成的复合人工骨，具有良好的骨修复能力和生物相容性 ，是一种较理想的骨移植替代材料。壳聚糖也具有较好亲水性，且水解产物呈弱碱性,减少聚乳酸降解后期出现的炎症。 因而，将壳聚糖与 PLA 共混，可改善PLA 的生物相容性和降解性能，还可根据壳聚糖的含量来调控复合材料的降解速度。2.3 其它 贾承德等制成了碳纤维织物增强聚乳酸复合材料 ，促进了材料与组织的结合。 活性很好的磷酸盐纤维也被用来增强聚乳酸，用其强化 PLLA 后，材料的力学性能得到明显改善。羟磷灰石（HAP）是人体骨骼的基本成分 ，它能与胶原蛋白和细胞紧密结合 ，促进 骨骼的生长，在硬和软组织的连接中起关键作用。但是羟磷灰石的缺点也很明显，它机械强度差，特别是受到张力时表现得很脆，所以人们将 HAP 与 PLLA复合，希望能生成一种 新 的材料，国内外有很多这方面的报道12-13。3 展望聚乳酸材料在医学领域具有其他材料无可替代的作用，对它的研究将会不断深入。对于聚乳酸的合成及改性研究方向作如下展望。（1）继续改进聚乳酸的合成工艺条件，使用无毒或低残留量的催化剂 ，生产出高分子量和超高分子量的聚乳酸，并简化和缩短工艺流程，降低聚乳酸材料的成本。（2）聚乳酸改性的研究还将是聚乳酸合成的主流，并更集中在利用众多聚合物组成单体的独特性能 ，尝试用新材料对聚乳酸进行改性，在克服原有缺点的基础上开发出新用途的聚乳酸材料。参考文献1 晆伟民, 余显芳, 王雨民. 聚乳酸的合成及性能的研究J. 中国纺织大学学报, 1995, 22(5): 9-13.2 黄山, 齐霁, 刘相加, 等. 生物高分子聚乳酸的研制与开发 J. 吉林化工学院学报, 2001, 18(1): 9-14.3 Hyon S H, Jamshidi K, Ikada Y. Synthesis of polylactides with different molecular weightsJ. Biomaterials, 2004, 18(22): 1503-1507.4 郑敦胜, 郭锡坤, 贺璇, 等. 直接缩聚法合成聚乳酸的工艺改进 J. 塑料工业, 2004, 32(12): 8-10.5 Hiltunen K , Jukka V. Macromolecules , 1997 , 30 : 3736 赵耀明, 张军, 麦杭珍. 合成纤维 , 2001 , 30 (3) : 37 张国栋 , 杨纪元 , 冯新德. 化学进展 , 2006 , 12 (1) : 898 Yuan M L , Deng X M , Xiong C D. J. Polym. Sci. J , 1998, 67: 1273.9 A. Otero, J. Fernndez-Baeza, A. Lara-Snchez, J. Tejeda, L. F.Snchez-Barba, Eur. J. Inorg. Chem. 2008, 5309 5326.10 封瑞江, 时维振. 聚合方法和扩 链 剂 对 乳 酸 聚 合 物 相 对 分 子 质 量 的影响J. 石油化工, 2007, 30(2): 103-105.11 Fang Yuan. The Preparation and Properties of Hydroxyapatite Polylactide Composite Biomaterials D. Wuhan University of Technology, 2006.12 Li Yajun, Ruan Jianming. Journal of Central South University of Technology, 2008, 33(3): 261-265.