（材料学专业论文）可降解聚乳酸材料的研究.pdf

顾十学位论文 摘要 摘要 聚乳酸材料在环境中降解成二氧化碳和水，能解决以石油为原料 的聚合物因在环境中不能降解造成的环境污染；聚乳酸材料还具有优 良的生物相容性，是重要的生物医用材料，用来制造可吸收的手术缝 合线、骨科内固定器件、可控释放药物载体、组织工程支架等。因此， 聚乳酸材料是目前研究的热点。 本研究以乳酸为原料，制备了l 丙交酯和d ，l 丙交酯，以乙醇 酸为原料制备了乙交酯。利用内消旋丙交酯在水中的溶解和水解的速 度大于其它丙交酯的特点，用水洗和两次重结晶相结合的提纯方法， 获得了高纯的l 丙交酯和d ，l 一丙交酯：纯丙交酯中的含水量低于 0 0 0 6 ，l 一丙交酯旋光纯度达9 9 8 8 ；同单纯的重结晶方法相比， 水洗提纯方法的丙交酯回收率提高了l o 以上，使用的有机溶剂少， 操作简单。分别在4 5 或3 8 挥发溶剂，制各了具有不同晶体结构 的c 乙交酯和b 一乙交酯。 辛酸亚锡作为引发剂，开环聚合合成了聚丙交酯和丙交酯乙交酯 共聚物，研究了引发剂浓度和聚合时间对聚合物粘均分子量的影响， 获得的聚合物的最高粘均分子量超过5 5 万。通过测定熔点、酸含量、 旋光度、粘度，水分、红外光谱分析、核磁共振、气相色谱一质谱联 用分析、x 射线分析，确认了交酯单体的结构、纯度、物理化学性能 和聚合物的分子量；用同核去偶l h 卜m 偶谱，确定了聚l 丙交酯和 聚d ，l 一丙交酯的链段结构。成型后的高分子材料的抗弯强度在8 0 1 6 0 m p a 之间，抗剪强度在6 0 1 1 0m p a 之间；多孔泡沫材料的孔隙 率为7 5 ，孔径在2 0 0 4 0 0 胂之间，表明合成的高分子材料可以用 于制造一般的骨科可吸收内固定器件和骨组织工程支架材料。 关键词l 丙交酯，d ，l 一丙交酯，乙交酯，聚丙交酯 硕十学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nm ec i r c u m s t a n c e ，t 1 1 eca _ t a b o l i t e so f p o l y l a c t i d ea r ec 0 2 a 1 1 dh 2 0 w h i c hc a ns o l v et h ee n v i r o r n e n t a l p o l l u t i o no fp e t r o l e u mp o l y m e r a s a ni m p o r t a n tb i o m e d i c a lp o l y m e r m a t e r i a 王s ，p 0 1 y l a c t i d eh a sm e e x c e l l e n t b i o c o m p a t i b i l i 留w h i c hw e r eu s e df o ra b s o r b a b l es u t u r e ，b o n ei m e m “ f i x a t i o n ，d m gc o m r o l l e dr e l e a s e ，t i s s u ee n g m e e r i n ge t c s op o l y l a c t i d ei s t h ea tp r e s e n t i nm i sp a p e r ，l l a c t i d ea 1 1 dd ，l l a c t i d ew e r ep r e p a r e d 行o ml a c t i c a c i d ，g l y c o l i d e w a sp r e p a r e d f ；文吼g l y c o l i ca c i d u s i n gt h e d i f ! 融r e n t h y d r o l y s i ss p e e di n m ew a t e rb e t w e e nm em e s o l a c t i d ea n dt h eo t h e r l a c t i d e s ，h 迳hp u r el l a c t i d ea n dd ，l l a c t i d ew e r eo b t a i n e db yw a t e rb a t h a 1 1 dt w ot i m e sr e c 巧s t a l l i z a t i o n t h em o i s t u r eo ft h e p u r ei a c t i d e w a s u n d e r0 0 0 6 a n dt l l e o p t i c a lp 嘶t yw a s9 9 8 8 c o h l p a r i n gt o t h e r e c r y s t a l l i z a t i o nm e t l l o d ，t h ey i e l d o fl a c t i d e p u r i f i e db y w a t e rb a t h p u r i 母i n gm e t l l o d 、v a s i n c r e a s e db ylo g l y c o i i d ew a so b t a i n e dw i t h 椰，od i f f h e n tc r y s t a ls m 】c t u r eo f 毡a n dpu n d e rd i f ! e b r e mt e m p e r a 七u r e e v 印o r a 血g t h ed i s s o l v e n t p o l y l a c t i d e a i l dt 1 1 e c o p o l y m e r o fl a c t i d ea n d g l y c o l i d e w e r e o b t a i n e db yr i n g o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o nw i ms n ( 0 c t ) 2a st 1 e c a t a i y s t t h ee 行色c to fc a t a l y s tc o n c e n 廿a t i o na 1 1 dr e a c t i o n t e r n p e r a c u r e o nt h e v i s c o s i t y _ a v e r a g em o l e c u l a rw e i g h to ft h ep o l y m e rw a sd i s c u s s e d t h e h i g h e s tv i s c o s i t y a v e r a g e m o i e c u l a rw e i 曲th a se x c e e d e d5 5 10 4 t h e s t m c t u r e ，p u r i up h y s i c a lc h e m i s t r yp r o p e n i e s o fc y c l i cd i e s t e ra n d m o l e c u i a rw e i 曲to fp o i y m e rw e r ec o n f i h n e dt 量1 r o u g ht h e 舢s i o np o i n t ， 颂十学位论文 a b s t r a c t c o n t e n to f c a r b o x y lg r o u p ，o p t i c a lr o t a t i o n ，v i s c o s i t y ，m o i s n l r e ，i rs p e c t r a ， 1 h n m r ，g c m s ，x r a yo fc y c l i cd i e s t e r t h ec h a i ns e g m e n t s t r u c t u r eo f p o l y ( l l a c t i d e ) a n d p o l y ( d ，l l a c t i d e ) w e r ec o n 丘n n e d t h r o u g h h o m o n u c i e a rd e c o u p l i n g i - 卜n 恹t h eb e n d i n gs 缸n g t ho fp o l y m e r s w e r e8 0 1 6 0 毋a ，t h es h e a rs 订e n 或hw e r e6 0 1 lo 癣a ；t h ep o r o s i t ) ，o f p o r o u sf o a m m a t e r i a l sw a s7 5 a n d p o r es i z ew n d i a m e t e r sw a si nt h e r a n g eo f 2 0 0t o4 0 0 岬t h er e s u l ts h o wm a t t h ep o l y m e ra r e 丘tt o m a n u f k t u r eb o n ej n t e f n a l6 x a o na n db o n et i s s u es c a 任b l dn 】a t e r i a l s k e yw o r d s ： l - l a c t i d e ，d ，l l a c t i d e ， 9 1 y c o l i d e ，p o l y l a c t i d e 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说 明。 作者签名：查至圣日期：兰翌生年月三曰 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 期：2 1 堕年厶月二日 亟堂位迨塞 箍二重塞趑鐾姿 1 1 生物降解塑料 第一章文献综述 塑料是应用最广泛的材料，1 9 9 8 年世界塑料的产量约1 5 亿吨，按体积计算 居世界首位。塑料制品给人们生活带来便利，改善生活质量的同时，其大量使用 产生的塑料废弃物也与日俱增，给人类赖以生存的自然环境造成了不可忽视的负 面影响。在人类生产的塑料中，用后废弃的量大约占总量的5 0 一6 0 ，这些塑 料废弃物难以分解( 普通塑料需2 0 0 年4 0 0 年才能完全分解掉) ，因而造成了 大量的永久性的垃圾川“白色污染”物，严重污染环境；人工处理成本高、 易造成二次污染；另外石油资源越用越少，有报道全世界的石油储量只能用4 0 年。因而就世界而言，寻找新的对环境友好的材料，发展非石油基聚合物迫在眉 睫。 为了解决这些问题，二十世纪7 0 年代科学家提出了降解塑料的概念。生物 降解材料是指在自然界微生物，如细菌、霉菌及藻类作用下，可完全降解为低分 子的材料。为了摆脱对日趋枯竭的石油资源的依赖，大力开发环境友好的生物降 解的聚合物，替代石油基塑料产品，已成为当前研究开发的热点 2 】。 1 1 1 生物降解塑料的分类 生物降解塑料的品种多，一般根据降解机理和制造工艺进行分类。根据降解 机理和破裂形式可分为完全生物降解塑料( b i o d e g r a c i a b l ep l a s t i c s ) 和生物破坏性 塑料( 或崩坏性，b i o d e s 仃u c 曲i ep l a s t i c s ) 两种【2 】o 生物破坏性塑料主要是淀粉基降 解材料，如淀粉同p e 、p v c 等的共混物，合成p c l 与通用聚烯烃共混物和天然 矿物质与p c l 、p e 、p p 等的共混物：完全生物降解塑料的分类见表1 一l 。对于 降解塑料的崩坏型降解和完全降解，可将其界定为：塑料废弃物在较短时间内产 生降解而旋失其原有形态之后，如需很长时期才能降解成二氧化碳和水则称为崩 坏型降解，如能在较短时间内进一步降解成二氧化碳和水则称为完全降解。 在生物降解材料中，聚乳酸是一种重要的可降解材料，具有优良的可生物降 解性和生物相容性。合成聚乳酸的原料乳酸可以通过发酵玉米等粮食作物大规模 获得，可以在一定程度减轻石油资源枯竭的问题：在自然环境中，聚乳酸材料在 l 亟堂位迨塞 蔓二重塞丛簦堕 细菌、水等的作用下，降解成二氧化碳和水，对环境无害，可以解决“白色污 染”等问题。2 0 世纪7 0 年代聚乳酸在人体内的易分解性、生物相容性和分解产 物的高度安全性得到了确认，作为少数被美国食品及药物管理局( f d a ) 批准的生 物降解医用材料聚乳酸已有系列产品上市4 。1 。近来，随着聚乳酸在组织工程和 药物控释体系的应用，聚乳酸的研究更加受到人们的重视】。 表卜1完全生物降解塑料 类别 微生物合成高分子 聚台物 化学合成高分子 聚合物 天然高分子聚合物及 其衍生物( 或混合物) 脂肪族聚酯，如聚( 口一羟基脂肪酸酯) 其它微生物合成聚合物 脂肪族聚酯 聚乙二醇 聚乳酸等生物聚酯 聚乙烯酵及其衍生物 聚氨酯降解材料及其改性物 纤维素及其衍生物 壳素，如甲壳质素 脱乙酰壳聚糖 热塑性淀粉 1 1 2 生物降解塑料的应用及前景 生物降解性塑料产品已经开始在全球得到应用，特别是在发达国家。生物降 解塑料可制成各种一次性塑料用品，如购物袋、日用瓶罐、包装材料等，其中有 些产品已在美国各大宾馆得到广泛使用。在农业上，用作园艺用品、农用地膜、 长效除莠剂、抗真菌剂等。在日常生活用品上，可用作妇女卫生用品、尿布等。 医药上可做外科缝合线、骨科内固定器件、伤口敷料，长效药物的控制释放载体 材料和组织工程支架材料【9 j 。从发展趋势看来，能有效解决塑料环境污染的降解 塑料只可能是完全生物降解塑料。 阻碍生物降解塑料发展的首要问题是成本。同现行的塑料相比，破坏性降解 塑料的价格要高1 5 左右，完全生物降解塑料则要高出4 1 0 倍。生物降解塑 料与一般塑料的成本比较见表1 2 。 亟上堂熊迨塞蓥= 童塞噬筮生 降解塑料的潜在市场是巨大的。目前适于使用降解塑料的包装、农用制品及 一次性塑料用品占塑料总产量的3 0 ，全世界降解塑料市场需求估计为4 0 0 0 万 吨，我国约为3 0 0 万吨。随着降解塑料生产工艺的进步、产品性能的改善和生产 规模的扩大，其生产成本会下降，生物降解塑料会得到广泛的应用。生物降解塑 料产量及成本展望见表1 3 。 表卜2 生物降解塑料与一般塑料的成本比较【2 表卜3 生物降解塑料产量及成本展望2 】 年产量 售价元埏1年产量 售价元瞻 数百吨至1 0 0 0 吨6 2 4 2 1 8 8 1 万吨至数万吨3 1 2 1 1 1 1 = ! 互堕! ! ：! = 竺：! ! ! 互唑! ：! = ! ! ：1 1 2 聚乳酸类高分子材料 1 2 1 聚合方法及其机理 乳酸分子中有一个手性碳原子，即有两个光学异构体：l 一乳酸和d 一乳酸。 乳酸的环状二聚体丙交酯有两个手性碳原子，有四种异构体：l 丙交酯、 d 一丙交酯、d ，l - 丙交酯、m e s o 一丙交酯，可以形成四种不同构型的聚合物：两 种立体规整性构型，右旋聚乳酸和左旋聚乳酸( d 构型和l 构型) ，可以表示为 巫i ：芏垃途塞签二童l _ 三立选笪鲨 d p l a 和l p l a ；一种外消旋构型的聚乳酸表示为d l p l a ；第四种是内消旋的 聚乳酸，可以表示为m e s o p l a 。但是只有l p l a 和d ，l p l a 有大量的生 产。目前，聚乳酸的合成主要有( 1 ) 直接缩合法和( 2 ) 丙交酯开环聚合法，并且可 以与其它单体通过( 3 ) 共聚法改善其应用性能。图1 1 概括了聚乳酸的合成路线 1 0 】。由有机农产品发酵得到乳酸，由乳酸直接聚合得到聚乳酸材料或者先由乳 酸合成丙交酯，再聚合得到高分子量的聚乳酸材料。 。矾。“ “一船“咖一 m m d k 妯 - 咀h o 聃 曲“ 百j m 。矾。 。“ 汹恍冀搿擀 - 1 o l ，o 黜淼f 时： 垒鳇哑卿型蛐一 li 研t o 、0 图卜1 聚乳酸的合成路线 1 2 1 1 直接聚合法 直接法合成聚乳酸是在脱水剂的存在下，乳酸分子间受热脱水，直接缩聚成 低聚物，然后再继续升温，低分子量的聚乳酸扩链成更高分子量的聚乳酸。直接 聚合法的特点是不要分离反应的中间体，这种方法相对简便和价廉，但是有它的 不足，很难控制聚乳酸的端基、分子量及其分布，另外因为在此反应体系中存在 着游离乳酸、水、低聚物及丙交酯的平衡，反应副产物在粘性熔融物中难以去除， 很难保证反应向正方向进行，所得聚合物分子量一般较低f 数均分子量小于5 0 0 0 ， 分子量分布约为2 0 ) ，且聚合温度高于1 8 0 ，通常导致产物带色【i l 坦】。 近2 0 年来聚乳酸直接缩聚合成方法的研究工作有了较大突破，研究表明使 用高沸点溶剂如烃基苯酚、二苯酚酯等可以有效降低反应体系的粘度，从而有利 于高分子量聚乳酸的合成，聚乳酸的熔融直接聚合也是提高分子量的有效方法， 另外，通过加入有机碱类，促使在高温下由聚乳酸低聚物裂解产生的丙交酯的分 4 亟土璺位迨塞 箍二重塞噬绫适 解，也能够形成高分子量的聚乳酸。h i l t u n e n 等研究了不同催化剂对乳酸直接 聚合的影响，在适合催化剂和聚合条件下，可制得数均分子量达3 万的聚乳酸。 在有机溶液中通过d c c d m a p ( 二环己基碳二亚胺二甲基氨基毗啶) 催化的缩聚 反应来制备不同分子量( 数均分子量可达2 万) 的p l a 也有报道【l 。日本a j i o k a 等丌发了连续共沸除水直接聚合乳酸的工艺，p l a 分子量可达3 0 万，使日本 m i t s u it o a t s u 化学公司实现了p l a 的商品化生产。y o s h i h a m 等【l6 j 采用质子酸活 化s n f i i ) 催化剂，用熔融缩聚的方法在较短时间内合成了分子量超过1 0 万的 p l a 。k i m n r a 等【1 7 】用熔融缩聚的方法，采用二水合氯化锡和甲苯磺酸二元催化 体系，分三步割备p l a ，分子量达到了5 0 万。综上所述，现已可由直接聚合方 法制得具有实用价值的p l a 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p l a 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。 12 1 2 间接聚合法 一直以来，人们比较关注的还是丙交酯的开环聚合。即先将乳酸齐聚成低分 子量的聚乳酸，然后在高温高真空下裂解成乳酸的环状二聚体丙交酯，租丙交酯 经过分离纯化，在引发剂的存在下开环聚合得到高分子的聚乳酸。相对分子质量 可由催化剂浓度及聚合体系的真空度来控制。这种聚合方法较易实现，且可制得 分子量高达3 0 万1 0 0 万的p l a 。 丙交酯的合成i l 斟 丙交酯的合成依照起始原料的不同而有不同的方法，比较通用的还是以乳酸 为原料，该方法一般分为三步，首先是乳酸的水溶液在z n o 、s n c l 2 、s b 2 0 3 或 s c t 2 等催化剂的作用下，在低于1 8 0 、减压条件下脱水生成p l a 低聚物， 然后在较高的温度( 2 0 0 2 8 0 ) 、减压条件下使p l a 低聚物解聚，得到丙交 酯粗品，最后经过提纯得到丙交酯成品。 h i r o s h j 及h a n g 等以2 卤代丙酸碱金属盐或碱土金属盐为原料，以非水溶 剂为介质，在2 0 0 2 5 0 、2 5 3 m p a 条件下制备丙交酯，该过程反应速度快， 反应时间一般不超过2 h ，这种方法的最大缺点是未反应的卤代丙酸盐不易从成 品中完全除去，产率一般为3 5 左右。产品纯度可达9 8 。 另外，o h a r a 及k a w 锄o t o 等用乳酸铵为原料，通过加热同时脱氨脱水制备 丙交酯，c o z a c h 及m 等以乳酸酯为原料、对甲基苯磺酸为催化剂，通过加热 同时脱水脱醇制备出高纯度的丙交酯。 在丙交酯的合成中，不论采用那一种方法，由于合成的温度都在2 0 0 2 8 0 亟堂垃迨塞 蕴= 重塞噬盆姿 之间，这样高的温度条件下，诸如氧化，焦化以及丙交酯的聚合等负反应都不 可避免，这就造成了p l a 生产低产率、高能耗、高成本的局面。 丙交酯可以由不同的引发剂引发开环聚合，依据引发剂类型的不同，丙交酯 丌环聚合又可分为阴离子聚合、阳离子聚合、配位插入聚合。 ( 1 ) 阳离子开环聚合2 0 矧1 催化剂为质子酸、路易斯酸或烷基化试剂，主要有羧酸、对甲苯磺酸、f s 0 。h 、 c f s o 朋e 、c f s 0 3 h 、m g o 、s n c l ：、s n c l 。、s n b b 、s n b h 、t i c l 。等。丙交酯的正离 子丌环聚合反应，首先是引发剂进攻丙交酯环外氧生成氧翁离子，然后氧翁离子 按烷氧键断裂的方式形成阳离子中间体，而进行量增长的，增长反应发生在手性 碳原子上，因此，可以引起产物旋光性的改变。 研究结果表明，光学纯的p l l a 只能在温度低于5 0 下得到，在更高的温 度下，阳离子聚合会引起消旋化，这样会显著改变产物的物理和力学性能。并且， 阳离子聚合在低于5 0 下，反应十分缓慢，只能得到中等分子量的产物，因此， 从制各的观点来看这种聚合方法是没有吸引力的。 ( 2 ) 阴离子开环聚合吟2 0 2 1 】 对于阴离子聚合，醇碱是最好的引发剂，在更高的温度下，酚盐或者羧酸盐 也具有活性。其聚合机理是，在链引发和链增长阶段，活性阴离子亲核进攻丙交 酯的羰基，酰氧键断裂，醇盐的亲核进攻不断进行，链得到增长。由于醇盐的碱 性特别强，它也可以使得丙交酯单体的n 碳去质子化而产生离域的阴离子，因为 离域阴离子有平面化作用，醇碱的去离子化也会产生消旋化作用。因此，在阴离 子聚合中。消旋化是不可避免的负反应。另外，去质子化产生的丙交酯阴离子， 也可以引发新链，因此，单体的去质子化可以导致链转移反应。这样，阴离子聚 合也只能得到中等分子量的聚合物。 ( 3 ) 配位插入开环聚合【1 9 | 孤2 1 】 配位一插入开环聚合是基于金属醇盐的共价的m o 键和它是一种路易斯 酸的特征。丙交酯通过酰基氧与金属配位，这种配位作用提高了丙交酯c o 基的 亲电性和o r 基的亲核性，这样，内酯就可以插入金属一o 键。 配位插入开环聚合法典型的引发剂是镁、铝、锡、锆、钛和锌的醇盐，这些 引发剂通常是以纯的化合物而使用的。而对于二乙基锌或者三乙基铝，它们和醇 或者酚在原位反应而制备引发剂，这是一种十分方便和有用的方法，因为这样可 以很方便地改变聚合物的一个端基，而且可以很容易地引入生物活性的端基( 例 如药物、维他命、激素等) 。 配位插入开环聚合法的另一个优点就是通过控制单体和引发剂的比例可以 6 亟：羔位途塞 一签= 室塞熊盆述 很方便地凋节聚合物的分子量。另外，这种聚合方法发生副反应的可能性大大低 于离子型聚合方法，因此可以得到高分子量的聚合物。还有，即使在很高的温度 下，这些引发剂的共价特性极大地降低了消旋化的发生。 因此，配位一插入聚合方法是很适合制各高分子量的聚乳酸，也比离子聚合 方法更加有用。 1 2 ，1 3 丙交酯的共聚 通过与其它单体共聚是改变聚合物结构和性能的最为古老也是最为成功的 方法。与均聚物相比，共聚物的结构和性能的改变涉及以下三个因素：a ) 共聚 o c t s r 卜l 。味：! ! ! ! | o c t s r 卜一。只+ o c i h 图卜2 丙交酯的聚合机制( 辛酸亚锡做引发剂) 单体的结构，b ) 共聚单体的摩尔比，即共聚物的摩尔组成，c ) 共聚单体所形 成的链段的序列。因此可以改变这些因素来改变共聚物的结晶性、亲疏水性、柔 韧性及其降解速度等。因此，近年来，不同组成的聚乳酸共聚物的合成己成为研 究的热点。与丙交酯共聚被广泛研究的共聚单体是乙交酯、一己内酯和乙二醇 等。 与乙交酯共聚，可以提高水解降解速度，这对用于药物释放体系是必需的。 与已内酯共聚，可以降低水解降解速度和玻璃化温度，从而提高聚合物薄膜或者 纤维的柔韧性。 7 亟堂位监童 墨二重塞赵绽渣 如邓先模吲等分别利用氯化亚锡、烷基铝复合催化剂、大分子引发剂制备 了聚乙二醇与内酯的嵌段聚合物，并研究了其亲疏水性及降解性能，发现可以通 过共聚物单体组成比、单体和催化剂的种类及用量等条件调节聚合物的相对分子 质量、降解周期及亲疏水性。为提高聚乳酸的亲水性能，冯新德田j 等利用亲水 端基( 羧酸) 和疏水端基( 酯基) 能对聚乳酸的亲水性能产生明显的影响，制得葡氨 糖衍生物封端的聚乳酸；k i s s e l 【2 4 j 等用聚电解质和二乙基氨乙基环糊精氯化物和 环糊精的硫酸钠盐在辛酸亚锡作用下引发l a 或l a + g a 本体聚合制得一系列短 刷状接枝共聚物，产物中聚电解质主链可增加体系的亲水性。硒s s e l 【25 】等还制备 了一系列含侧基聚合物接枝p l g a 的共聚物，这些产物在结构上是主链亲水而 侧链憎水的体系。 12 14 聚乳酸及其共聚物合成的新方法一反应挤出聚合 从前面的叙述知道，p l a 的制备主要有两种方法，一种是由乳酸直接缩合 聚合得到，但是这种方法只能得到较低分子量的聚合物，并且在产物中含有低分 子量的聚合物或者单体。另一种方法就是丙交酯的开环聚合，这种方法可以得到 高分子量的产物，并且产物中几乎不含单体，但是它需要首先得到丙交酯，生产 工艺冗长，工艺复杂，特别是在丙交酯精制中需多次提纯与重结晶，耗用大量试 剂，产品产率低，导致聚乳酸价格昂贵。为了开发实用和经济的高分子量的聚乳 酸的制造技术，m i y o s h i r 【”1 等用间歇式搅拌反应器和双螺杆挤出机组合，进行 了连续的熔融聚合实验，结果成功地获得了由乳酸通过连续熔融缩聚制得的分子 质量达1 5 0 0 0 0 的聚乳酸。s t e v e l s 等研究了l 丙交酯在螺杆挤压机中的聚合， 聚合在1 8 0 、螺杆挤压机转速为4 0 r m i n 、停留时间5 m m 以不同量的辛酸亚锡 为催化剂的条件下进行，结果表明，催化剂的量为o 5 0 时，所得产物的分子 质量最高，达6 8 0 0 0 ( m 。) 。s t e v e l s 等还研究了l 一丙交酯同三种预聚物：分子质量 为1 5 0 0 带2 个端羟基的聚己酸内酯( p c l ) ，分子质量为6 0 0 0 带1 个端羟基的p c l 以及分子质量为2 0 0 0 的聚乙二醇的共聚合。聚合在1 8 0 、螺杆挤压机转速为 4 0 r m i n 、停留时间5 血n 、0 5 0 州辛酸亚锡的条件下进行，结果有效地生产出二 或三嵌段共聚物。j a c o b s e n 【27 ”】等进一步发展了这种方法，聚合在1 8 0 、螺杆 挤压机转速为4 0 r m i n 、停留时间7 m i n ，采用辛酸亚锡和三苯基膦作催化剂，分 子量达到1 0 0 0 0 0 。并且讨论了丙交酯的共聚合，展望了这种方法在其它高聚物 合成中应用。该方法实现了丙交酯开环聚合的连续生产，大大地减少了反应时间 且不需要使用任何溶剂，因此是很有前途的一种方法。 亟堂位迨塞 墨= 重塞越益述 1 2 2 研究应用进展及展望 1 8 9 4 年，b j s c h o f f 和蝴d e n 试图合成聚乳酸，但没有成功，在1 9 3 2 年， c a r o t h e r s 、d o r o u g h 和v a nn a t t a 第一次获得了低分子量的聚乳酸，1 9 5 4 年，杜 邦的科学家通过纯化丙交酯聚合得到了高分子量的聚乳酸，在1 9 7 2 年，聚乳酸 第一次获得商业应用，e t l l i c o n 公司生产的p l g a 缝合线投入市场，商品名是 c r y i 和g a i a c t i n 。从此，聚乳酸类材料的可吸收性得到了极大的重视，开发了 多种医用产品，用它来解决目益严重的“白色污染”问题，高分子科学家也重新 重视这种材料口9 3 0 ，3 “。 二十世纪9 0 年代，聚乳酸的合成工艺取得了两个大的突破，个是美国卡 吉尔公司，通过两步法连续生产高分子量的聚合物；另外一个是日本的m i t s u i t o a t s u 公司的步合成法。 近年来，国外聚乳酸技术开发和工业化生产取得了突破性进展3 3 】。 1 9 9 7 年，美国卡吉尔公司与陶氏化学公司合资成立公司，开发和生产聚乳酸， 产品商品名为n a t u r e w o r k t m ，当时生产能力为1 6 万吨年。2 00 1 年1 1 月，该 公司投资3 亿美元，采用二步聚合技术，在美国建成投产了一套1 3 6 万吨年装 置，这是迄今为止世界上最大的聚乳酸生产装置。该装置投产后，产品受到一些 国际知名大公司的重视，可口可乐公司、邓禄普太平洋公司等己应用于生产杯子、 高尔夫球包装及食品包装等。1 9 9 8 年初，聚乳酸市场价格由5 0 0 0 美元吨降至 2 5 0 0 美元吨，目前价格比p e t ( 聚对苯二甲酸乙二醇酯) 价格便宜1 0 1 5 ， 预计7 年后聚乳酸价格可望达到能与所有热塑性树脂竞争的水平。卡吉尔陶氏 公司计划在今后1 0 年内投资1 0 亿美元，分别在2 0 0 4 年、2 0 0 6 年、2 0 0 9 年再 建3 套装置，总生产能力达到4 5 万吨年。 据预测，今后几年北美生物降解聚合物市场需求强劲，2 0 0 0 年销售量约11 4 万吨，到2 0 0 5 年年均增长率为7 ，将达到1 6 0 万吨，其中聚乳酸需求量近1 0 0 万吨。北美生物降解聚合物市场以散装包装材料为主，2 00 0 年销售量9 0 万吨， 预计今后年均增长率为4 6 ；第二大应用领域是化肥包装袋，估计年均增长率 为9 9 ，销售量由2 0 0 0 年的2 3 万吨增至2 0 0 5 年3 6 万吨；其他应用包括农膜、 卫生用品、纸涂层等。 聚乳酸还是一种低能耗产品，比以石油产品为原料生产的聚合物的能耗 低3 0 5 0 。预计在不可再生的石油资源枯竭期到来之前，石油及其衍生物 市场价格暴涨，而可再生的产品必将成为全球范围的紧俏消费品。这样，就给聚 乳酸带来了干载难逢的市场机遇和极大的消费潜力。据统计，2 0 0 0 年世界塑料 消费量约1 1 5 亿吨，如果l o 年2 0 年后替代石油基聚合物的消费量按1 0 9 亟堂缱途塞煞二：童塞挞簦述 2 0 计，世界聚乳酸需求量每年达1 1 5 0 万吨。 由于聚乳酸可以发生生物降解最终生成二氧化碳和水，不会对环境形成污 染，因此在生态学具有重要的意义。聚乳酸是作为环境友好的完全生物降解塑料 取代广泛应用的生物稳定的通用塑料【3 4 1 。聚乳酸塑料是热塑性塑料，具有与聚 乙烯和低密度聚苯乙烯相似的性能。可以采用塑料的通用设备进行挤出、注射、 拉伸、纺丝、吹塑等加工方法。通过双向拉伸成型的薄膜，其透光率超过9 0 ， 在1 0 0 温度下，其外形尺寸不发生变化。聚乳酸塑料对人体无毒无害，最适合 加工成一次性饭盒及各种食品、饮料的包装材料，也可用于休闲用品，如：钓鱼、 野外旅行用具等。聚乳酸塑料还可用于生产仿棉纤维以及仿羊毛、仿丝绸纤维， 也可与其它天然纤维混纺。这种聚乳酸纤维织物不仅抗皱性强，而且透气性好， 穿着舒适。聚乳酸塑料在工农业生产领域应用广泛，由于聚乳酸塑料韧性好，故 而适合加工成高附加值的薄膜。在使用几年后可自动降解，不会污染土壤和水源。 因此越来越受到人们重视。聚乳酸还可用作纸代用品、纸张塑膜、包装薄膜、食 品容器、生活垃圾袋、农药化肥缓释材料、化妆品的添加成分等。聚乳酸塑料还 可用作林业、水产用材和土壤、沙漠绿化的保水材料。日本富士有限公司( f u i i t s u “m i t e d ) 采用聚乳酸( p l a ) 开发成功据称是世界上第一个生态友好的生物降解塑 料的笔记本电脑外壳。这种技术应用在富士的f m v b i b l o n b 笔记本电脑的 一些组件上，富士有望在整个外壳上采用这种降解塑料口5 1 。 随着对生态环境保护的重视，聚乳酸一旦工业化，它在医用及降解塑料方 面将会有难以估量的应用前景 3 6 t 3 7 3 8 1 。 1 3 聚乳酸类可吸收高分子材料在医学领域的应用 生物医用材料的研究与开发对国民经济和社会的发展具有极其重要的意 义，生物医学材料具有很高的附加值，其每公斤达1 2 0 0 一1 5 0 0 0 0 美元，而建筑 材料仅为0 1 一1 2 美元，宇航材料也仅1 0 0 1 2 0 0 美元。 1 9 9 5 年美国在可吸收高分子商用产品上的税收估计超过3 亿美元，其中9 5 的税收来自可生物吸收手术缝合线，另外5 归于骨科内固定器件和牙科上的 应用。骨科器件如针、螺钉、棒和手术缝合u 形钉。生物降解系统研究正在不 断持续增长，从7 0 年代每年发表6 0 7 0 篇到9 0 年代的每年发表4 0 0 多篇研究 论文。生物降解固定器通过美国f d a 批准的比率逐年增加，仅在1 9 9 5 年就有7 种产品获准销售。 0 亟圭堂僮盈塞 一筮= 童童盘绽适 袁卜4 典型的可吸收材料的性能 用于制造可吸收医用材料的聚乳酸要求纯度高、分子量高和用量少，一般 都是通过两步法小规模生产。为了获得所需要的各种性能，通常将丙交酯与其它 可吸收类材料聚合，获得共聚物。表1 4 是常用来制造可吸收医用材料的聚合物 及其性能。 1 3 1 可吸收缝合线 可吸收缝合线在伤口愈合后不用拆线。因而可以取代以前使用的聚丙烯、尼 龙等不可吸收线，在国内外已广泛应用。可吸收缝合线最早是从羊肠线入手，后 来到胶原线，发展到现在的聚乙交酯、聚乳酸及其共聚物、天然甲壳素缝合线等 3 9 ，“】。1 9 7 0 年，用p g a 制造的缝合线以d e x o n 商品名上市，可吸收缝合线是 目前最成功的应用于人体的可吸收医疗器械，在可吸收类医疗器械中所占的比例 最大，据美国的统计，占到了整个可吸收市场的9 5 。国际市场上的缝合线类型 性能和市场份额见表1 5 和1 6 。 目前国内有多家企业生产聚乳酸类的可吸收缝合线，主要是引进国外技术， 所使用的可吸收材料主要从国外购买。有超过7 家国外公司在中国销售他们的 p g a 类可吸收线，目前国内可吸收缝合线市场大部分被进口产品所占领，其中 以美国强生公司为主。国内生产聚乳酸类可吸收缝合线的部分厂家见表1 7 。 亟：兰位诠塞蓥二重塞越绫造 袁卜5国际市场上的缝合线类型和市场份额【4 2 类州来源材料 市场规模 不可吸收 天然材料 合成材料 可吸收 棉线、丝线、麻线 p p 、p e t 、尼龙、钢 然材料羊肠、胶原 成材料编织物p g a 、p g l a1 2 0 0 成材料单丝p l g a 、p d o 、p g c l 、p g t m c 、 表1 6国际市场上的典型缝合线及其性能【4 2 】 商品名称生产厂家类硝成分或性能 强度维持完全吸收 d e x o nd a v l s & g e c k m 。d i f i j a p a l lm 。d - s “p p l y 编织物p g a2 周2 ，3 p g as u t u r el e k e n s t r i s o r b s a r n y a l l g v l c r v i p o i v s o r b e t 1 i c o n 编织物p g a l a2 周2 3 u s s u 喀c a l s a n lq u i c kb b r a u m 编织物p g a8 9 天1 2 m “o nd a v i s g e c k单丝p g a t m c2 周 2 3 m 0 n o c r ye l h i c o n单丝p g a c l1 2 周 b i o s ”u s s u 唱i c a l 单丝p g a t m c p d ol 。2 周 m o n o s y n b - b r a u m单丝p g a t m c c l2 周 p d se t h i c o n 单丝p d o8 周6 p d si ie t h i c o n 单丝热处理可变 ! 竺! ! 型! 塑堕! !望丝! 坠型业2 = 坌垒 ! j ：旦：! ：! 1 2 亟堂僮监塞 一 盈二重塞熊绽述 表1 7 国内生产聚乳酸类可吸收缝合线的部分厂家 1 3 2 骨科内固定器件 这类器件主要有脊椎融合器、固定螺钉、铆钉、夹板和缝合线锚等【4 3 。4 6 1 。 可吸收骨折内固定螺钉及夹板是指在病人骨折时，用其将断裂骨骼连结，在骨折 恢复期间起到暂时固定的作用，而当骨折愈合后，其在体内逐步分解并被人体吸 收。与传统的不锈钢等金属材料相比，可吸收材料避免了取出螺钉的二次手术， 减轻了病人的痛苦1 4 ”，节省了费用，同时其刚性也与人体骨骼相近，从而不易 产生金属材料与骨骼不匹配而造成的再次骨折 4 8 】。可吸收内固定性能见表1 8 。 表卜8 部分国外可吸收骨折内固定器件性能 旱在1 9 7 7 年，k u l k a m i 在美国军方的资助下将开环聚合得到的p l a 制成棒 状样品，初始强度达4 2 5 1 m p a ，并将2 m m 厚的p l a 片用于猴踝骨试验。g e t t e r 等将p l a 制成骨板和骨钉应用于狗骨折固定。b o s 廿n a l l 等5 年内用p l a 作骨科 固定材料治疗了8 8 1 例不同类型的骨折病人，在治疗同时与金属板钉比较，结果 亟：e 翌垃逾塞 亟二重塞筮绽姿 无明显差异。概括起来聚乳酸可吸收骨科内固定主要有3 方面的进展：立体选 择性合成p l l a 。c l a e s 等用p l l a 作骨折内固定材料临床研究了5 7 位病人，被 认为是最有希望的骨折内固定材料。但近来报道p l l a 植人后三年，在缓慢降解 的后期出现炎症和肿胀并发症，可能是由于降解速度慢，长期存在的未降解部分 产生副作用。高分子量p d l l a 的合成。中国科学院成都有机化学研究所邓先 模等将高分子量p d l l a 用于狗颧骨固定，治疗效果良好，目前已有产品上市。 增强技术的应用。用p g a 纤维、p l a 纤维、碳纤维、氢氧化铝、羟基磷灰石、 磷酸钙等增强p l a ，可大幅度提高固定材料的初始强度，具有相当的承载能力， 可与金属螺钉的强度相媲美。p a n i o 等用自增强p l l a 固定5 1 例多处骨折患者， 无一例失败。此外，在骨科治疗中，将氨基青霉素置于骨固定物中，可预防感染 发生：将骨生长因子、骨生长调节蛋白置于固定物中，可对骨愈合产生有效调节 作用。由于聚乳酸类可吸收整形器件的优越性能，可以代替一部分力学性能要求 不高的金属内固定器件，而整个治疗的费用、时间和痛苦更少，因此具有广阔的 市场前景4 9 。5 ”。 1 3 3 药物控制释放 1 9 7 0 年y 0 1 1 e s 等率先将p l a 用作药物长效释放制剂载体，1 9 7 9 年b e c k 等 推出孕酮p l g a ( 聚l 一谷氨酸) 缓释胶囊。近3 0 年来，聚乳酸及其共聚物 5 2 】 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可溶蚀 基材，有效地拓宽了给药途径，减少给药次数和给药量，提高药物的生物利用度， 最大程度地减少药物对全身特别是肝、肾的毒副作用【4 ”。图1 3 是传统给药方式 与可控释放药效比较。 根据药物的性质、释放要求及 给药途径，可制成特定的药物剂型。 较简单的采用溶液成型、热压成型 等方法制各埋植制剂，如胰岛素的 p l g a 双层缓释片、庆大霉素的 p l a 圆柱体、促生长激素释放激素 ( g h r h ) 的块状植人剂以及激素 左诀诺酮的空心p l a 纤维剂等，此 外还有薄膜、类乳剂等多种剂型， 停统挣药膏式 广 毒性浓度 心：敞 治疗璀度 。 、 图1 3 传统给药方式与可控释放药效比较 1 4 亟堂位论塞 苤二重塞噬! 盘述 这些剂型都强烈依赖其几何形状及药物包载量。而研究更多、制各较为复杂但更 为有效控制释放、能靶向治疗的是微粒化药物制剂，如药物均匀分散在由聚合物 基质制成的层状微粒、微球( 1 1 0 0 微米) 、纳米微球( o 0 1 1 微米) 中，或药 物集中在内层、外包聚合物膜的微胶囊、毫微胶囊中等。通过对微球粒径的控制、 表面亲疏水性的改性以及生物粘附性药物释放体系的研究，微球制剂可靶向体内 不同的器官和组织，使药物有效地靶向控释。 目前聚乳酸及其共聚物类缓释制剂正式上市的产品有口】：促黄体激素释放激 素l h r h 类药物、戈舍瑞林皮下植人剂( 商品名z o l a d e x ) 、亮丙瑞林肌肉注射 混悬剂( 商品名e n a m o n e 和l u p r o n ) 、皮下注射混悬剂( t a p 1 4 4 s r ) 、促甲状 腺激素释放激素t r h 类药物曲普瑞林( 商品名d e c 印e p t y l ) 、抗生素苯唑西林( 商 品名p r o s t a ps r ) 等，t i m 类药物普罗瑞林的p l g a 缓释制剂在部分国家已上市， 我国从1 9 9 3 年起也有出售。部分制剂己处于临床观察阶段，如l h 王出类药物布 舍瑞林p l g a 皮下植入剂、那法瑞林p l g a 肌肉注射微球剂、炔诺酮的p l g a 微球制剂等，不久也将上市。已经或正在研究