聚乳酸類材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

金 成

(翔宇教育集團(tuán)監(jiān)利中學(xué)，湖北 監(jiān)利 433300)

聚乳酸類材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

金 成

(翔宇教育集團(tuán)監(jiān)利中學(xué)，湖北 監(jiān)利 433300)

本文概述了聚乳酸的主要合成方法及聚乳酸類材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用，并對(duì)聚乳酸類材料的研究發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

聚乳酸；合成方法；生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用

聚乳酸是一種生物可降解的脂肪族聚酯，在替代基于石油化工生產(chǎn)的一些高分子的應(yīng)用方面扮演著重要的角色[1]。聚乳酸的合成一般以乳酸為主要原料，乳酸可以由含糖的生物質(zhì)資源經(jīng)過發(fā)酵得到，因而乳酸的來源廣泛并且可以再生。聚乳酸類材料的產(chǎn)品使用后可以被微生物降解生成水和二氧化碳，實(shí)現(xiàn)在自然界中的循環(huán)，因此聚乳酸類材料是一種理想的綠色高分子材料[2]。聚乳酸材料具備良好的生物相容性、生物可降解性、較好的機(jī)械強(qiáng)度和加工性能等特性，因而被廣泛的應(yīng)用于藥物運(yùn)輸、組織工程、骨科固定件、手術(shù)縫合線等[3]。本文對(duì)聚乳酸的合成及聚乳酸材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的主要應(yīng)用進(jìn)行了綜述。

1 聚乳酸的合成

工業(yè)生產(chǎn)聚乳酸時(shí)，一般先從玉米、馬鈴薯等作物中提取淀粉，然后將淀粉制成未精化的葡萄糖。利用葡萄糖經(jīng)過微生物的發(fā)酵過程，得到乳酸，再根據(jù)相對(duì)分子質(zhì)量大小、晶化程度等需要，進(jìn)行產(chǎn)品的合成生產(chǎn)。通常情況下，只有高相對(duì)分子質(zhì)量的聚乳酸材料才在纖維、紡織、塑料、包裝等工業(yè)上具有商業(yè)價(jià)值[4]，高相對(duì)分子質(zhì)量的聚乳酸主要由乳酸通過以下方法制得。

1.1 乳酸直接縮聚合成聚乳酸

乳酸直接縮聚合成聚乳酸，即由乳酸分子之間的羥基和羧基發(fā)生酯化反應(yīng)，形成長鏈聚酯化合物。在此反應(yīng)過程中，會(huì)生成水、丙交酯和簡單的酯等，簡單的酯經(jīng)過聚合后再生成聚酯。因此，該反應(yīng)體系中存在乳酸、水、聚酯及丙交酯的平衡[5]，這種條件下不易得到高相對(duì)分子質(zhì)量的聚乳酸。但乳酸的來源充足、價(jià)格便宜，所以直接縮聚合成聚乳酸在合成低相對(duì)分子質(zhì)量的聚乳酸材料時(shí)較為經(jīng)濟(jì)。而在合成去除溶劑的高相對(duì)分子質(zhì)量的聚乳酸時(shí)，由于鏈偶聯(lián)劑和助劑的加入，會(huì)增加產(chǎn)品的整體成本和制備過程的復(fù)雜程度。

在用此法制備高相對(duì)分子質(zhì)量的聚乳酸時(shí)，主要分為三步:①除去自由水；②低聚物的聚合；③高相對(duì)分子質(zhì)量聚乳酸的熔融聚合[6]。在此過程中，必須注意動(dòng)力學(xué)的控制、有效脫水、抑制聚乳酸的降解等問題。動(dòng)力學(xué)的控制，主要是為了在合適的條件下，加快反應(yīng)的速率；有效脫水則是使反應(yīng)平衡向合成聚乳酸的方向移動(dòng)；抑制聚乳酸的降解則是抑制生成的聚乳酸進(jìn)行逆反應(yīng)，在有效脫水的情況下，抑制降解的問題也能得到有效的解決。

1.2 乳酸在共沸溶液中直接縮聚合成聚乳酸

在共沸溶液中直接縮聚合成聚乳酸時(shí)，反應(yīng)原理與乳酸直接縮聚合成聚乳酸類似，但是不需要加入鏈增長劑和助劑，生成的水可以通過共沸這一特性連續(xù)不斷的蒸餾除去[7]，故而反應(yīng)平衡能夠向右移動(dòng)，最終在催化劑的作用下，縮聚生成高相對(duì)分子質(zhì)量的聚乳酸。

1.3 丙交酯開環(huán)聚合合成聚乳酸

丙交酯開環(huán)聚合制備聚乳酸時(shí)，主要分為預(yù)聚物的形成、丙交酯的生成和丙交酯的聚合等三個(gè)方面[8]。這種方法將溶劑的去除過程和蒸餾過程相結(jié)合,可以得到相對(duì)分子質(zhì)量可控的聚乳酸。首先，將乳酸單體濃縮脫水，形成低相對(duì)分子質(zhì)量的聚乳酸預(yù)聚物。然后，通過預(yù)聚物的可控解聚，得到乳酸的六元環(huán)二聚體，也即丙交酯。液體狀態(tài)的丙交酯再通過真空蒸餾過程進(jìn)行純化。純化后的丙交酯在催化劑的作用下開環(huán)聚合形成相對(duì)分子質(zhì)量可控的聚乳酸。

值得注意的是，丙交酯中含有兩個(gè)不對(duì)稱的碳原子，因此它有三種立體異構(gòu)體。不同立體構(gòu)型的丙交酯，經(jīng)過開環(huán)聚合得到的聚乳酸立體規(guī)整性不同。而聚乳酸的立體規(guī)整性與其熔點(diǎn)、力學(xué)性能及生物降解性等密切相關(guān)[9-10]。用這種方法可以制備高相對(duì)分子質(zhì)量的聚乳酸，主要是因?yàn)轶w系中幾乎無水，抑制了聚乳酸的降解。目前，人們已經(jīng)開發(fā)出了許多種用于丙交酯開環(huán)的催化劑，主要為金屬有機(jī)化合物催化劑[11]。陽離子催化劑、陰離子催化劑也有使用，但陽離子與陰離子聚合得到的聚乳酸的相對(duì)分子質(zhì)量均不高，而利用金屬有機(jī)化合物的配位催化則可得到相對(duì)分子質(zhì)量高達(dá)100萬的聚乳酸。

2 聚乳酸類材料在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用

2.1 藥物運(yùn)輸

化療藥物通常是疏水性的，往往需要增溶在有害溶劑中，再通過靜脈注射輸入，會(huì)表現(xiàn)出較大的系統(tǒng)毒性。此外，小分子藥物的藥效可以很快被肝臟、腎臟等代謝消除，導(dǎo)致療效變差。納米載藥是克服藥物系統(tǒng)毒性缺點(diǎn)的一種理想方式，納米藥物可以通過高通透和滯留(EPR)效應(yīng)被動(dòng)靶向到腫瘤細(xì)胞，因此可以降低全身用藥時(shí)的毒性[12]。另外，將藥物制成納米制劑時(shí)，由于納米載藥體系的逐步降解、藥物的緩慢釋放，可以間接地提高藥物的生物利用度，使藥物的抗腫瘤效果大幅度的增加。聚乳酸具有生物可降解性，納米顆粒容易制備等特性，因而聚乳酸類材料納米顆粒被廣泛應(yīng)用于疏水性抗腫瘤藥物的運(yùn)輸[13-16]。聚乳酸納米顆粒被用于運(yùn)載替莫唑胺，并進(jìn)行了嚙齒動(dòng)物神經(jīng)膠質(zhì)瘤細(xì)胞的體外實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，用聚乳酸納米顆粒進(jìn)行藥物運(yùn)載時(shí)，替莫唑胺的抗腫瘤活性可以得到提高[13]。利用聚乙二醇修飾的聚丙交酯聚乙交酯共聚物的納米顆粒可以將多烯紫杉醇運(yùn)送到實(shí)體腫瘤，該納米載藥系統(tǒng)可以增加藥物的半衰期，還可以使藥物在腫瘤組織內(nèi)大量的積累[14]?；诰廴樗峒{米顆粒的BIND-014抗腫瘤藥物系統(tǒng)更是進(jìn)入了臨床二期的試驗(yàn)[17]。聚乳酸聚乙醇酸共聚物運(yùn)載的它莫西芬在被人乳腺癌細(xì)胞攝取后，呈現(xiàn)出長時(shí)間的緩慢控制釋放效果[18]。此外，聚乳酸運(yùn)載的它莫西芬還表現(xiàn)出更低的肝臟毒性和腎臟毒性，可以使小鼠的腫瘤有效的變小[19]。基于聚乳酸納米顆粒的載藥系統(tǒng)還被用于白血病的治療研究中[20]。

2.2 組織工程

在生物材料與活細(xì)胞混雜體系中，聚乳酸類材料作為支架材料，有著良好的生物相容性，這些生物材料制成的支架可以為細(xì)胞生長和輸送營養(yǎng)提供所必需的孔結(jié)構(gòu)，具備支持和指導(dǎo)細(xì)胞生長所需要的機(jī)械強(qiáng)度和幾何形狀而受到青睞。因而，聚乳酸類材料在組織工程中被廣泛的研究。在骨組織工程中，聚乳酸通常與陶瓷基材料復(fù)合，從而提高它的力學(xué)性能。例如，聚L-乳酸與β相磷酸鈣的復(fù)合材料，聚L-乳酸可以提供微孔，促進(jìn)新生血管的生長和營養(yǎng)物質(zhì)的交換，β相磷酸鈣可以仿生原生骨的微結(jié)構(gòu)，增加復(fù)合物的強(qiáng)度。材料的彈性模量和細(xì)胞的存活率隨著β相磷酸鈣含量的增加而增加，整體的孔隙率也沒有發(fā)生大的變化[21]。在肌肉骨骼組織工程中，硬組織與軟組織都需要被考慮到[22]，利用L-乳酸與D-乳酸共聚，可以通過改變二者的比例，調(diào)控聚合物的結(jié)晶性能、力學(xué)性能和降解速率，達(dá)到與設(shè)計(jì)相符的目的。聚乳酸類材料還可以制成空心或?qū)嵭膶?dǎo)管，支持神經(jīng)細(xì)胞的生長。神經(jīng)細(xì)胞吸附在導(dǎo)管上時(shí)，聚乳酸類材料還可以產(chǎn)生和釋放有益的組織誘導(dǎo)因子和生長因子，待神經(jīng)組織修復(fù)后，聚乳酸再降解，達(dá)到神經(jīng)組織工程的目的[23]。此外，聚乳酸材料還被用于心血管和皮膚等組織工程中[24]。

2.3 骨科固定件

與傳統(tǒng)的金屬材料相比,聚乳酸類材料有能被生物降解吸收,應(yīng)力隨時(shí)間推移逐漸轉(zhuǎn)移至受損區(qū)域使組織得到愈合等優(yōu)點(diǎn)[25]。此外，將聚乳酸類材料制成的骨釘、骨固定板等支撐材料，可以在骨折痊愈后在人體內(nèi)降解，不需要再進(jìn)行手術(shù)取出，從而可以大大地減輕患者的痛苦。聚乳酸類材料作為人體內(nèi)骨折固定件，有兩個(gè)關(guān)鍵影響因素：起始機(jī)械強(qiáng)度和機(jī)械強(qiáng)度的保持。聚乳酸材料的機(jī)械強(qiáng)度主要取決于制品的制作工藝，聚合物鏈取向、纖維增強(qiáng)、本體固態(tài)缺陷等都能賦予這類聚乳酸材料良好的起始機(jī)械強(qiáng)度。聚乳酸機(jī)械強(qiáng)度的維持時(shí)間，則主要由其化學(xué)結(jié)構(gòu)及制件中低聚物的含量所決定，低聚物含量較高時(shí)，將直接影響聚乳酸材料機(jī)械強(qiáng)度的保持。

2.4 手術(shù)縫合線

聚乳酸類材料作為外科手術(shù)縫合線，由于其生物可降解性，在傷口愈合后，可被人體自動(dòng)降解并吸收，因而被廣泛的使用[26]。用作手術(shù)縫合線時(shí)，聚合物必須要有較強(qiáng)的初始抗張強(qiáng)度，還必須能穩(wěn)定地維持一段時(shí)間，同時(shí)還需要能夠有效地控制聚合物的降解速率，隨著傷口的愈合，縫合線緩慢降解。聚乳酸類材料的拉伸性能主要與分子的取向、聚合物的相對(duì)分子質(zhì)量、聚合物的晶化程度、聚合物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等相關(guān)[27]。聚合物的晶化程度越低，聚合物材料越容易被外部介質(zhì)浸潤，促進(jìn)聚乳酸材料的降解[28]。高晶化程度的聚乳酸的降解速率很慢，限制了它作為手術(shù)縫合線的應(yīng)用。值得注意的是，共聚時(shí)參與共聚的單體分子比例的變化，可以使聚合物材料的物理性能發(fā)生顯著的變化。因此，為了達(dá)到足夠的起始力學(xué)強(qiáng)度，通常利用乙交酯參與共聚來達(dá)到目的。用乙醇酸和乳酸共聚時(shí)，得到的聚合物擁有更快的降解速率，研究者們?cè)缫验_發(fā)出乙醇酸與乳酸物質(zhì)的量比為90∶10的共聚物的商品化手術(shù)縫合線。

3 前景展望

聚乳酸類材料作為生物可降解性材料，它的重要地位已是不言而喻。然而，它從規(guī)模生產(chǎn)到醫(yī)用市場(chǎng)仍有很長的路要走。首先，基于主動(dòng)靶向或受體介導(dǎo)的藥物運(yùn)輸系統(tǒng)需要進(jìn)一步的研究。其次，有著更好的浸潤性和優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度的聚乳酸類共聚物有待被開發(fā)。此外，聚乳酸材料與其他高分子材料或無機(jī)仿生材料共混時(shí)的穩(wěn)定性數(shù)據(jù)還很缺乏，需要進(jìn)一步地長期性的研究?？傊廴樗犷惒牧嫌捎谄淞己玫纳锵嗳菪?、生物可降解性、容易加工和較好的力學(xué)性能等特性，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用中有著巨大的潛力，值得人們進(jìn)一步研究。

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(本文文獻(xiàn)格式：金 成.聚乳酸類材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用[J].山東化工,2017,46(7):105-107.)

山東省發(fā)布煤炭工業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃

近日，山東省發(fā)布《山東省煤炭工業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃(2016-2030年)》。規(guī)劃提出，嚴(yán)控省內(nèi)新增產(chǎn)能、壓減現(xiàn)有產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)煤炭產(chǎn)量逐年下降，到2020年省內(nèi)煤炭產(chǎn)量控制在1億噸以內(nèi)，2030年煤炭產(chǎn)量控制在6000萬噸左右。

根據(jù)規(guī)劃，我省將加大對(duì)外開發(fā)建設(shè)力度，到2020年省(國)外辦礦煤炭產(chǎn)量達(dá)到2億噸，2030年達(dá)到3億噸，建成穩(wěn)固的省(國)外能源供應(yīng)基地。

大力提升非煤產(chǎn)業(yè)質(zhì)量和效益，集中建設(shè)一批非煤產(chǎn)業(yè)園區(qū)或產(chǎn)業(yè)集群，到2020年煤炭深加工及非煤產(chǎn)業(yè)銷售收入比重達(dá)到70%以上，到2030年達(dá)到80%以上，非煤產(chǎn)業(yè)奠定轉(zhuǎn)型發(fā)展的主導(dǎo)地位。

推進(jìn)生態(tài)礦區(qū)建設(shè)，到2020年全省原煤入洗率提高到75%以上，煤矸石綜合利用率達(dá)到100%，礦井水綜合利用率達(dá)到80%以上并實(shí)現(xiàn)100%達(dá)標(biāo)排放，煤炭企業(yè)治理已穩(wěn)沉采煤塌陷地達(dá)到80%，新增塌陷地達(dá)到同步治理;到2030年全省原煤入洗率達(dá)到85%以上，煤矸石綜合利用率達(dá)到100%，礦井水綜合利用率提高到90%以上并實(shí)現(xiàn)100%達(dá)標(biāo)排放，煤炭企業(yè)完成已穩(wěn)沉采煤塌陷地治理。

進(jìn)一步健全煤礦安全生產(chǎn)長效機(jī)制，安全保障能力顯著提高，全省煤礦百萬噸死亡率平均數(shù)比“十二五”期間下降15%以上，堅(jiān)決遏制較大及以上安全事故，保持全國煤礦安全生產(chǎn)先進(jìn)水平。

Poly(lactic acid) Materials in Biomedical Applications

JinCheng

(Xiangyu Education Group Jianli High School, Jianli 433300, China)

The main synthetic methods of poly(lactic acid) and their applications in biomedical area have been introduced firstly. Then, the future developments of poly(lactic acid) materials have been proposed.

poly(lactic acid); synthetic method; biomedical application

2017-02-23

金 成(1999—)，男，湖北監(jiān)利人，高中學(xué)歷，研究方向：高分子化學(xué)。

TB332

A

1008-021X(2017)07-0105-03