聚乳酸的改性及應(yīng)用研究進(jìn)展*

馬喜峰

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安，710300）

前 言

伴隨高分子材料研究的日益增多，加之人類對環(huán)境問題的日益重視，高分子材料的難降解性所造成的環(huán)境污染問題亟需解決。拓展開發(fā)全新的生物降解高分子材料是解決這一困境的主要方式。聚乳酸（Polylactic acid，PLA）是一種以乳酸（lacticacid，LA）為原料的新型聚酯材料，無色無毒，其熱性能與聚苯乙烯類似，生物相容性良好，能生物分解吸收，最終降解為水和二氧化碳，應(yīng)用前景廣闊。PLA 由甘蔗、玉米和甘薯等農(nóng)作物制作而成，淀粉原料糖化后轉(zhuǎn)變?yōu)槠咸烟?，再由一定菌種發(fā)酵成乳酸，通過化學(xué)合成方法制備成聚乳酸，在環(huán)境和水解影響下能分解為H2O 和CO2，在環(huán)境保護中受到密切關(guān)注。由于PLA 的生物相容性、生物降解性比較好，所以在醫(yī)療、食品包裝等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但PLA的熱穩(wěn)定性和機械強度比較差，為了拓展PLA 的用途，滿足個性化的應(yīng)用需求，需對其進(jìn)行功能化的改性。高性能PLA 的改性研究同樣受到了學(xué)術(shù)界的密切關(guān)注，同時取得了一定的研究成果。

1 PLA 的合成

PLA 是一種乳酸聚集的合成物，學(xué)術(shù)界又稱之為“聚丙交酯”。聚乳酸是由單個乳酸分子聚合而構(gòu)成的，是一個乳酸分子的羥基和另一個乳酸分子的羧基縮水后，實現(xiàn)多個乳酸分子之間的聚集。PLA的原料是玉米或馬鈴薯淀粉，綠色環(huán)保，是一種可再生資源，整個生產(chǎn)過程安全無毒，有助于提高生物分子的降解循環(huán)。PLA 主要是通過“直接縮合法”生成的，即乳酸分子間羧基和羥基發(fā)生直接縮合脫水反應(yīng)，由于水、雜質(zhì)和游離乳酸的影響，該反應(yīng)得出的聚合物子量并不是很高，再加上這種反應(yīng)對溫度的要求比較高，會造成PLA 消旋和帶色，所以在工業(yè)生產(chǎn)中一般采用丙交酯開環(huán)聚合（ROP）生成聚乳酸。按照反應(yīng)機理的差異，ROP 主要由配位插入聚合、陽離子聚合、陰離子聚合等組成。近些年來，伴隨綠色合成技術(shù)的不斷發(fā)展，學(xué)術(shù)界越來越關(guān)注超臨界二氧化碳和酶催化中聚合的研究。

1.1 陰離子聚合

陰離子引發(fā)劑主要分為堿金屬醇氧化劑、堿金屬，如醇鈉、醇甲和丁基鋰等，丙交酯的酰胺鍵會受到催化劑負(fù)離子的影響，出現(xiàn)活性中心內(nèi)脂負(fù)離子，促進(jìn)丙交酯的鏈增長。該反應(yīng)速率較快，但有很大的毒副反應(yīng)，甚至出現(xiàn)消旋情況，在相對高分子質(zhì)量聚乳酸的合成中并不適用。G.Mcauley[1]等在實驗中對不同的陰離子引發(fā)劑實施了對比，分析冠醚在反應(yīng)中的效果，結(jié)果證明丙交酯容易生成活性中心負(fù)離子，這能加速丙交酯單體開環(huán)聚合反應(yīng)，生成更多的聚合物，在弱堿性材料中適用。

1.2 陽離子聚合

陽離子引發(fā)劑主要分為烷基化試劑（CF3SO3Me）、質(zhì)子酸（HCL、HBr）、Lewies酸（ALCL3、SnCL4）。Wang.W[2]等從還原質(zhì)子酸類催化丙交酯ROP 的機理入手，對丙交酯在伯胺、質(zhì)子酸等條件下的聚合反應(yīng)實施密切觀察，這說明質(zhì)子酸作為陽離子催化劑，能作用于不同的酸催化丙交酯聚合反應(yīng)。

1.3 配位聚合

配位聚合在聚乳酸制備中最為常見，又稱為“齊格勒-納塔聚合”。丙交酯單體和有機金屬催化劑生成配位絡(luò)合物，很容易出現(xiàn)相對分子質(zhì)量高的聚合物，如金屬氧化物、芳基金屬、烷氧基金屬羧酸鹽。配位聚合會產(chǎn)生不同程度的毒性，不利于聚合物的生成。

1.4 酶催化聚合

近年來，酶催化聚合在實驗中得到廣泛應(yīng)用，這是一種全新的聚合物合成方法。相較于有機合成，酶聚合主要有以下特點：（1）反應(yīng)環(huán)境溫和；（2）副作用比較??；（3）催化活性比較高。G.Aad[3]等使用念珠菌脂肪酶（CRL）推動丙交酯開環(huán)聚合反應(yīng)，具體反應(yīng)如圖1。PLA 的形成和CRL 活性息息相關(guān)，研究結(jié)果表明，CRL 活性在90℃、2%的環(huán)境下最高，S 相對分子質(zhì)量也最高。

圖1 由開環(huán)聚合念珠菌脂肪酶催化合成聚乳酸Fig. 1 Synthesis of polylactic acid catalyzed by candida albicans lipase

1.5 超臨界二氧化碳中聚合

超臨界流體是一種新型溶劑，具有綠色環(huán)保，安全性高的特點，在聚丙交酯和共聚物生成中有明顯優(yōu)勢，其分離簡單、工藝參數(shù)可控、制備環(huán)境溫和，在生物醫(yī)用聚酯的制備中有重要作用。與常規(guī)溶劑相比，超臨界二氧化碳（ScCO2）有以下特點：（1）有良好的碰撞作用和溶解能力，有助于溶劑溶解性的升高；（2）ScCO2的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，并不會參加反應(yīng)。由此可見，酶法聚合在聚合材料生成中尤為重要；（3）臨界條件良好，CO2的臨界壓力大約為7.38MPa，聚合反應(yīng)的壓力要比臨界壓力要高，聚合反應(yīng)充分；（4）對產(chǎn)物純化流程進(jìn)行簡化，ScCO2和其他溶劑相比，在聚合反應(yīng)結(jié)束后并不需要對產(chǎn)物進(jìn)行沉淀、溶解、過濾等。Yilmaz[4]等對三嵌段共聚物的PLLA 的分散聚合開展了實驗，結(jié)果顯示穩(wěn)定劑并不會影響產(chǎn)物的轉(zhuǎn)化率，添加5%的穩(wěn)定劑能生成良好的粉末產(chǎn)物，穩(wěn)定劑含量的提高會影響產(chǎn)物的形貌。Ferrari 等研究了ScCO2中因2-羥基-甲基丙烯酸乙酯引發(fā)的L-丙交酯催化開環(huán)聚合反應(yīng)，在一定壓力、溫度條件下實施聚合反應(yīng)，能有效得出PLA 基聚合物。

聚乳酸有良好的生物相容性和可降解性，且綠色環(huán)保，在各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在傳統(tǒng)的合成方法中，可能存在金屬催化劑、有機溶劑等使用問題，在新的合成方法中，通過對其制備工藝進(jìn)行了改進(jìn)，旨在改進(jìn)合成產(chǎn)物的形貌和分子量，從而滿足其個性化的發(fā)展需求。

2 PLA 的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

2.1 聚乳酸的化學(xué)結(jié)構(gòu)

圖2 乳酸結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of lactic acid structure

單體乳酸分為L-乳酸、D-乳酸兩種，如圖2 所示。聚D,L-丙交酯（PDLLA）并沒有結(jié)晶度，其屬于不規(guī)則聚合物。聚左旋丙交酯（PLLA）的光學(xué)活性良好，熱塑性強，玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為58℃，結(jié)晶度良好。左旋丙交酯（L-LA）是一種天然代謝物，無毒，而右旋丙交酯（D-LA）并不會參加到人體的新陳代謝，如果使用過量則會產(chǎn)生中毒的情況。由于PLLA的生物相容性、生物降解性良好，且降解后的物質(zhì)無毒副作用，PLLA 的性能可以通過分子量等參數(shù)的控制進(jìn)行調(diào)變，在醫(yī)用材料領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。

2.2 聚乳酸的基本性質(zhì)

PLA 是一種可再生的熱塑性聚酯，生物降解性、生物相容性良好，普遍應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)方面，具體如下：（1）生態(tài)優(yōu)越性：PLA 主要以由玉米、小麥、大米等為原料生成的，在生物降解方面極具優(yōu)越性，這使PLA 成為新型的生物聚合物。（2）生物降解良好：聚乳酸由大量酯鍵組成，其分子鏈主鏈剛性較大，側(cè)鏈帶有甲基等特點。所以，PLA 在自然條件下比較穩(wěn)定，但是在高濕度、高溫度的環(huán)境下，很容易被分解成CO2和H2O，這主要分為簡單水解和催化水解兩種形式。降解速度在材料應(yīng)用中十分重要，PLA 能通過主鏈酯基進(jìn)行水解降解。（3）疏水性：PLA 中的酯鍵直接影響到細(xì)胞的親和力，能通過乳酸和其他親水聚合物和單體的共聚提高其親水性能，因此其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。這種材料在與人體接觸后，不會產(chǎn)生毒副作用，其降解產(chǎn)物也不會影響到組織愈合。經(jīng)過幾十年的應(yīng)用和發(fā)展，彰顯了其良好的生物相容性。

3 PLA 的改性

3.1 親水改性

聚乳酸在生物醫(yī)學(xué)、食品包裝領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，因此要對其疏水性進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)。基于PLA的壬基苯氧基丙烷磺酸鈉（ABPs），能讓其和配體生物分子相結(jié)合，對特定細(xì)胞進(jìn)行靶向作用，提高和活細(xì)胞的生物相容性，還能借助羧基（-COOH）、羥基（-OH）和氨基（-NH2），和靶向生物分子實施生物共軛，確保對特定細(xì)胞的靶向作用。通過親水性單體和疏水聚乳酸（PLA）實施可控自由基聚合（CRP），能制備含親水性丙烯酸酯的聚乳酸基ABPs。例如，聚乳酸能提高載藥納米粒子（NPs）的循環(huán)時間，降低單核吞噬細(xì)胞系統(tǒng)（MPS）的攝取量，在一定程度上提高了體內(nèi)的藥物利用率。相較于傳統(tǒng)的自由基聚合方法，CRP 能實現(xiàn)少量自由基和絕大多數(shù)休眠種間實施快速動態(tài)平衡，因此共聚物相對分子質(zhì)量均衡分布，該方法能應(yīng)用在各種鏈結(jié)構(gòu)（梯度、超支化、嵌段）的共聚物。ATRP（原子轉(zhuǎn)移自由基聚合）在親水性聚合物和聚乳酸（PLA）的擴鏈方面受到了密切關(guān)注，所以其在合成可控聚乳酸（PLA）的ABPs中適用性良好。為了提高PLA 基NPs 的循環(huán)時間，必須要提高其親水性，疏水核可以攜帶多種親水性納米粒子和疏水藥物，從而確保NPs 的生物相容性和水溶性。

3.2 pH 響應(yīng)改性

近年來，聚合物-藥物pH 響應(yīng)系統(tǒng)受到的關(guān)注度越來越高，疏水生物活性藥劑能借助pH 響應(yīng)鏈段增加自身的靶向性。聚合物載體在水溶性的提高方面有積極影響，增加藥物在體內(nèi)的停留時間。伴隨聚合物分子量的提高，其滯留效應(yīng)（ERP）提高，有助于藥物在實體腫瘤中的積累。在這個系統(tǒng)中，藥物分子能借助共價方式在聚合骨架上鏈接、化學(xué)鍵鏈接系統(tǒng)有很高的緩釋性，有助于提高其藥物利用率。Firizal[5]等借助酸不穩(wěn)定腙鍵合法合成了pH 響應(yīng)的多西紫杉醇（DTX）鏈接聚PLA-聚乙二醇（PEG）膠束藥物制劑。在這個過程中，葉酸和PLA-PEG 鏈段的結(jié)合能有效提高DTX 的靶向傳送效果。通過pH 響應(yīng)的方式釋放DTX，最大限度降低納米共軛物的藥物細(xì)胞毒性，安全無害，能作為靶向傳遞抗癌藥物的重要媒介。

3.3 分枝結(jié)構(gòu)改性

聚合物結(jié)構(gòu)的改變會使其性能改變，有學(xué)者提出了接枝、支化、樹枝狀、交聯(lián)和星行狀等多種支化分子結(jié)構(gòu)。與線性PLLA 相比，星形PLLA 的溶液黏度比較低，在藥物輸送環(huán)節(jié)不會在血液中停留，能最大限度提高生物利用率。與線性聚酯相比，星形聚酯的鏈端更多，分散性和溶解性良好，這些優(yōu)勢使得星形PLLA 在臨床上得到廣泛使用。S.Peter[6]等通過研究兩親性星形支化兩性離子的共聚物，說明這類分子有良好的腫瘤靶向傳遞性。

4 PLA 的應(yīng)用

4.1 工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

近年來，伴隨白色污染的加劇，在一定程度上影響了農(nóng)業(yè)用薄膜的制備[7]。PLA 的可降解性良好，特別是在增塑后能提高PLA 的韌性，能取代合成樹脂薄膜，有助于在工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的推廣。此外，PLA 薄膜有良好的緩釋作用，能有效遏制除草劑的釋放速度，保證農(nóng)作物的安全。還可以PLA 將加工成汽車行業(yè)的配件工程材料、建筑用繩索、農(nóng)藥化肥緩釋材料等。尹靜波[8]等用乙酰檸檬酸三正丁酯（ATBC）、檸檬酸三正丁酯（TBC）、檸檬酸三乙酯（TEC）等系列增塑劑對聚乳酸增塑進(jìn)行改性，實驗證明，隨著增塑劑的含量增高，玻璃化溫度逐漸降低，含量達(dá)到一定程度即可滿足室外常溫下塑料薄膜的需求。王玉林[9]等使用溶液澆筑加熱壓的方法，制備碳纖維增強聚乳酸復(fù)合材料（CF/PLA）應(yīng)用于薄膜制作。富露祥[10]等采用機械共混法把PPC（聚丙成碳酸亞丙酯）與PLA 混合起來，制備了完全生物降解塑料PLA/PPC合金。

4.2 生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域

當(dāng)前醫(yī)用高分子材料種類較多，但很難降解，且副作用比較大。PLA 是一種能被降解的材料，力學(xué)性能較好，在藥物載體、手術(shù)縫合線、植入材料等領(lǐng)域得到廣泛使用。李學(xué)兆[11]在聚乳酸羥基乙酸手術(shù)縫合線在食道癌切除后消化道重建中的應(yīng)用研究中，發(fā)現(xiàn)實驗組的吻合口潰瘍發(fā)生率較低，這說明了PLA 有很強的生物降解性，是做手術(shù)縫合線的良好材料。孫繼紅[12]通過合成葡萄糖-聚乳酸接枝共聚物，并負(fù)載了鹽酸阿霉素制備得載藥納米粒子，發(fā)現(xiàn)有助于藥物在腫瘤細(xì)胞中的控釋，說明PLA 在藥物緩釋劑中能發(fā)揮緩釋作用。楊斌[13]等使用冷凍干燥法、乳化-溶劑揮發(fā)法等制備了聚乳酸-羥基乙酸共聚物納米微球用作緩釋劑。郭紅延[14]等把兔牙乳頭細(xì)胞接種在人牙型海藻酸鈉-聚乳酸羥基乙酸共聚物中，發(fā)現(xiàn)8w 后，聚乳酸羥基乙酸大部分降解，已接近自然生長的壓根組織，獲得了具有牙本質(zhì)特性及正常牙根形態(tài)的組織工程牙根，為進(jìn)一步進(jìn)行復(fù)合牙周膜的功能性牙根的組織工程構(gòu)建奠定了基礎(chǔ)。

4.3 包裝、紡織領(lǐng)域

以PLA 與有機酸為原料生產(chǎn)的新型聚酯材料被產(chǎn)業(yè)界認(rèn)定為21 世紀(jì)最有發(fā)展前途的環(huán)保包裝材料。馬靚[15]等對PLA 的性能及合成、改性方法等進(jìn)行了詳細(xì)介紹，對PLA 在國內(nèi)外的工業(yè)化生產(chǎn)狀況及在包裝領(lǐng)域的應(yīng)用和研究進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)分析，指明了后續(xù)的研究方向。張新林[16]等在研究中發(fā)現(xiàn)采用離子體提高化學(xué)氣相沉積法能提高PLA 的阻隔性。李杰[17]等探討了PLA 在包裝方面的應(yīng)用優(yōu)勢和前景，并明確了PLA 在包裝領(lǐng)域應(yīng)用中存在的相關(guān)問題。朱蕾[18]等分別使用不同的溶劑，利用靜電紡絲法把PLA 原料分別紡在水刺無紡布、熔噴無紡布上，對其過濾性能進(jìn)行研究。鄭寧來[19]在研究中發(fā)現(xiàn)基于PLA 的無紡布能當(dāng)作衛(wèi)生巾的制作材料。

5 結(jié) 論

綜上所述，PLA 作為生物醫(yī)用材料和消費品的一種替代品，在當(dāng)前社會中受到了密切關(guān)注。因為它具備良好的生物降解性，成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界研究的重點，能最大限度減少廢棄物對環(huán)境的危害。PLA本體和表面改性尤為重要，伴隨PLA 合成技術(shù)和改性技術(shù)的不斷完善和發(fā)展，相信聚乳酸及其產(chǎn)品將越來越多地應(yīng)用于人類生活的方方面面，并在造福人類中發(fā)揮越來越大的作用。