生物可降解材料聚乳酸的研究進展綜述

張文博

（營口市科技創(chuàng)新服務(wù)中心，遼寧營口 115000）

0.前言

塑料制品帶給人們好處的同時，也帶來了許多問題，最嚴重的就是塑料使用之后的污染問題。所以，研發(fā)一種能短時間內(nèi)能夠在自然界完全降解的材料尤為重要，而聚乳酸（PLA）就是一種最佳的選擇。聚乳酸是由乳酸合成的脂肪族聚酯聚合物，對環(huán)境的危害微乎甚微，是一種可以完全降解的材料。經(jīng)過處理，它的最終產(chǎn)物是二氧化碳和水，中間產(chǎn)物是乳酸，也是人體內(nèi)的正常代謝產(chǎn)物[1]。聚乳酸對環(huán)境、人類、動物都沒有危害，不僅對人體無害，而且還和人體具有良好的兼容性，同時還具備良好的加工性能，所以廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。例如，利用聚乳酸制作藥物控釋材料、一次性輸液用具、人造皮膚、手術(shù)中免拆的縫合線，眼科所用的一些高分子器具等[2-3]。近年來，越來越多的科研工作者對聚乳酸進行了大量的研究，聚乳酸表現(xiàn)出了大量的應(yīng)用價值。因此，本文對聚乳酸的性質(zhì)及應(yīng)用現(xiàn)狀及前景進行了綜述，希望對未來聚乳酸的更深度研究有所裨益。

1.聚乳酸發(fā)展現(xiàn)狀

PLA 生產(chǎn)企業(yè)主要分布在荷蘭、泰國、美國、中國等地。2020年，全球聚乳酸產(chǎn)能約40萬噸，其中，美國天然工程公司是全球最大的聚乳酸生產(chǎn)企業(yè)，年產(chǎn)約16萬噸，占全球聚乳酸總產(chǎn)能的41%。其次是荷蘭的土爾科維昂公司，年產(chǎn)7.5萬噸，占比約19%。我國聚乳酸研究起步較晚，但發(fā)展很快，浙江海正生物材料公司是目前國內(nèi)最大的聚乳酸供應(yīng)商，年產(chǎn)量約 6.5萬噸[4]。

目前，我國聚乳酸生產(chǎn)規(guī)模最大且生產(chǎn)丙交酯的核心技術(shù)企業(yè)是浙江海正生物材料股份有限公司。其技術(shù)主要來自長春應(yīng)化所，目前丙交酯產(chǎn)量可實現(xiàn)部分自給，擁有4.5萬噸/年的聚乳酸生產(chǎn)能力。生產(chǎn)線投產(chǎn)后，該公司整體生產(chǎn)能力預(yù)計將增加到12萬噸/年。南京大學(xué)聯(lián)合診斷科技掌握了在有機胍催化下制備丙交酯技術(shù)，并于2020年投資建設(shè)了1萬噸/年的丙交酯生產(chǎn)線，預(yù)計在未來3～5年內(nèi)增加10萬噸/年的生產(chǎn)能力。隨著診斷科學(xué)技術(shù)突破丙交酯技術(shù)難題，預(yù)計今后將緩解國內(nèi)PLA產(chǎn)業(yè)原材料短缺的局面。由于聚乳酸作為生物新材料應(yīng)用，聚乳酸的前景日益看好。最近，國內(nèi)一些玉米深加工企業(yè)和生物化工企業(yè)開始投資聚乳酸行業(yè)，預(yù)計到2025年，我國聚乳酸產(chǎn)量將超過60萬噸[4]。

2.聚乳酸的性質(zhì)

2.1 聚乳酸的結(jié)構(gòu)

聚乳酸具有旋光性，是乳酸單體的重復(fù)結(jié)構(gòu)。聚乳酸具有4種旋光異構(gòu)體，分別是聚D-乳酸（PDLA）、聚L-乳酸（PLLA）、聚D,L-乳酸（PDLLA）和內(nèi)消旋（meso）-乳酸[5]。

2.2 生物可降解性

相對于傳統(tǒng)塑料，聚乳酸具有更好的生物可降解性，在微生物的作用下就可以完全降解，生成的產(chǎn)物是水和二氧化碳，二氧化碳可以通過光合作用去除，而中間的產(chǎn)物乳酸也是人體內(nèi)的正常代謝的產(chǎn)物糖代謝產(chǎn)物。所以，聚乳酸對環(huán)境的危害相對于傳統(tǒng)的塑料也大幅度地降低了。

2.3 生物可相容性

聚乳酸和人體具有良好的相容性，同時還具有良好的加工性能，目前被共認為是一種極好的生物兼容材料，所以廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。例如，利用聚乳酸制作藥物控釋材料、一次性輸液用具人造皮膚、手術(shù)中的免拆的縫合線、眼科所用的一些高分子器具等。

2.4 物理性能

相對于其他生物可降解材料，聚乳酸具有更加良好的物理性質(zhì)、透明性、熱穩(wěn)定性、柔韌性和更高的強度，同時還具有更好的可塑性和加工性能。

3.聚乳酸的合成

目前，聚乳酸的合成方法一般分為兩種，一種是直接縮聚法[6]，就是聚乳酸是由乳酸直接脫水而形成的，該方法合成的聚乳酸一般分子量都很低，但是通過聚合除水和控制合成溫度等條件處理后，往往可以得到分子量較大的聚乳酸。直接縮聚法又分為溶液縮聚法和熔融縮聚法。另一種是間接聚合法[7]，這種方法一般分為兩個步驟，第一步是用原料乳酸通過縮聚和解聚去制備丙交酯（環(huán)狀）；第二步是用環(huán)狀的丙交酯開環(huán)聚合去合成聚乳酸。該方法通過控制不同的反應(yīng)條件可以控制聚乳酸的分子量，但是該方法制備過程及其復(fù)雜，而且成本也非常的高。間接聚合法又分為離子開環(huán)聚合法，配位開環(huán)聚合法和有機開環(huán)聚合法。

3.1 直接縮聚法

3.1.1 溶液縮聚法

溶液縮聚法就是利用溶劑一起共沸、回流液除水的方法制備聚乳酸。其中，除去的水分越多，體系內(nèi)剩余的水分越少，得到的聚乳酸的相對分子質(zhì)量就越大。該方法的制備成本較其他方法低廉，但其能耗較大，對環(huán)境具有污染，在空氣中還會殘留工業(yè)氣味兒[8]。

3.1.2 熔融縮聚法

熔融縮聚法就是不需要額外再添加溶劑，將乳酸加熱到熔融狀態(tài)下進行脫水縮聚，生成的水和副產(chǎn)物等通過真空等方式抽出，還可以使用惰性氣體將其攜帶排出體系中。該方法得到的聚合物的分子量相較于溶液縮聚法要小，但通過改變其反應(yīng)條件等因素可以相應(yīng)提高其分子量。反應(yīng)條件的溫度不能太高，溫度太高會導(dǎo)致其最終產(chǎn)物發(fā)生降解和炭化。該方法主要包括擴鏈反應(yīng)、反應(yīng)擠出聚合和熔融-固相聚合等。

3.2 間接聚合法

3.2.1 離子開環(huán)聚合法

離子開環(huán)聚合法也可分為陽離子聚合和陰離子聚合。

陽離子聚合是指陽離子攻擊乳酸單體外的氧形成氧離子，致使烷氧鍵斷裂，生成?；x子，從而進行鏈的增長。該方法易發(fā)生消旋反應(yīng)故很少使用。

陰離子聚合是指陰離子攻擊乳酸單體外的羰基，致使烷氧鍵斷裂，生成活動中心致使進行鏈開環(huán)增長的聚合反應(yīng)，該方法易發(fā)生部分消旋和反應(yīng)停止，所以也很少使用[9]。

3.2.2 配位開環(huán)聚合法

配位開環(huán)聚合法目前比較常用，配位催化劑Sn、Al、稀土元素、Zn、Mg等金屬的烷氧基配合物，主要機理是乳酸上面的氧原子和金屬的活動中心進行配位，然后，酰氧鍵插入金屬氧配位鍵中，致使其開環(huán)斷裂，進而進行鏈的增長。因我國存在大量的稀土資源，而且此方法的反應(yīng)條件理想，引起了不少相關(guān)人士的研究興趣。

3.2.3 有機開環(huán)聚合法在現(xiàn)在的生物醫(yī)療科研領(lǐng)域，從醫(yī)療安全的角度考慮，越來越多的科研工作者開始研究不含金屬的、純綠色的、安全的有機催化劑。據(jù)相關(guān)文獻發(fā)現(xiàn)，此類催化劑主要有胺類、硫脲類等。此類研究仍處于探索階段，而且其具有制備過程復(fù)雜、技術(shù)含量高和成本高等特點，很難被市場接受。

4.聚乳酸的改性

4.1 親水改性

因為聚乳酸廣泛應(yīng)用于各大領(lǐng)域，如食品包裝、生物醫(yī)學(xué)等，所以為保證其性能，要對其進行疏水改性。由于聚乳酸為了能夠和配體生物分子結(jié)合，其含有的壬基苯氧基丙烷磺酸鈉能夠?qū)μ囟毎M行靶向作用，提高與活細胞的生物相容性；還能借助羧基、羥基和氨基，與靶向細胞生物分子實施生物共軛，確保對特定細胞的靶向作用。利用親水性單體和疏水聚乳酸控制自由基聚合，可以制備出含親水性丙烯酸酯的聚乳酸基。例如，聚乳酸可以提高藥物轉(zhuǎn)運納米顆粒（NPs）的循環(huán)時間，減少單核吞噬細胞系統(tǒng)（MPS）的攝取量，在一定程度上提高體內(nèi)藥物的利用率。與現(xiàn)有的自由基聚合方法不同，可控自由基聚合可以在少量自由基和大部分休眠物種之間實施快速的動態(tài)平衡，因此可以對共聚物進行分子質(zhì)量的均勻分布。該方法可以應(yīng)用于各種各樣的四線型結(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）被聚乳酸擴鏈聚合物和親水性聚合物廣泛關(guān)注，非常適合于可控的聚乳酸合成親水性丙烯酸酯。為了提高聚乳酸基載藥納米粒子的循環(huán)時間，必須攜帶親水性的納米粒子和疏水性的藥物，以保證生物兼容性和水溶性[10]。

4.2 pH響應(yīng)改性

近幾年，聚合物-藥物的pH 響應(yīng)系統(tǒng)受到越來越高的關(guān)注度，疏水性生物活性藥劑可以借助 pH 反應(yīng)鏈提高靶向效果。聚合物載體對提高水溶性有積極影響，能夠增加藥物在體內(nèi)的停留時間。伴隨聚合物分子量的提高，滯留效應(yīng)（ERP）增加，有助于實體腫瘤的藥物積累。在這個系統(tǒng)中，藥物分子可以通過共價方式連接到聚合骨架、化學(xué)鍵連接系統(tǒng)，有很高的緩釋性，有助于提高其藥物利用率。Firizal[11]等借助酸不穩(wěn)定存在的結(jié)合法合成了對pH響應(yīng)有反應(yīng)的多西紫杉醇（DTX）交聯(lián)的聚乙二醇（PEG）凝膠劑。在此過程中，葉酸和 PLA-PEG 的結(jié)合可以提高 DTX 的靶向傳遞效果。

4.3 分子結(jié)構(gòu)改性

由于聚合物結(jié)構(gòu)的變化會改變其性質(zhì)，一些學(xué)者提出了接枝、支化、交聯(lián)、星形狀等多種分子結(jié)構(gòu)。與線性聚酯相比，星形聚酯鏈端更多，分散性和溶解性更好，這一優(yōu)勢使得星形 PLLA 在臨床領(lǐng)域得到了廣泛的使用。S.Peter[12]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。

5.聚乳酸的應(yīng)用

5.1 醫(yī)療科學(xué)領(lǐng)域

由于聚乳酸具有良好的生物相容性、生物可降解性，可以很好地應(yīng)用于人體中，在人體內(nèi)不會存在抵抗排斥的負面影響，所以被廣泛地應(yīng)用于醫(yī)療科學(xué)領(lǐng)域。例如，制作藥物的緩釋劑，可以使藥物在人體內(nèi)不至于一次性大量釋放毒副作用，加入緩釋劑后可以慢慢釋放，更有利于人體的吸收。緩釋劑也可以用于手術(shù)過后的免拆手術(shù)線和體內(nèi)的縫合線，在患者手術(shù)后體內(nèi)需要縫合的部位使用此降解材料制作的縫合線可以免除拆除的步驟，從而減輕患者的痛苦。聚乳酸在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用還有很多，比如說制作骨科所用的醫(yī)療固定材料等。

5.2 工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

相較于普通傳統(tǒng)塑料，聚乳酸的優(yōu)勢體現(xiàn)在它的生物可降解性。普通傳統(tǒng)塑料在使用廢棄后往往需要好幾百年才能完全降解，而聚乳酸制備而成的材料在微生物的作用下很快就能降解，對環(huán)境的污染大大減少。在工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，有很多方面都在應(yīng)用這種材料。例如，制作各種農(nóng)業(yè)農(nóng)藥的包裝袋和包裝膜、各種工程材料、農(nóng)藥的緩釋劑等。

5.3 日用領(lǐng)域

由于聚乳酸的無毒無害性，所以也可以應(yīng)用于我們的日常生活中。例如，可以用于許多的食品包裝行業(yè)、服飾行業(yè)，其聚乳酸有很多的纖維形式，可以用來紡織布料，其質(zhì)感類似于棉、絲綢，也可以用于生產(chǎn)各種生活用品和旅游用品等。

6.結(jié)論與展望

我國是聚乳酸原料儲備非常豐富的國家，所以將其加以利用，對解決目前全球污染問題有著至關(guān)重要的作用。然而，現(xiàn)在由于其制備過程復(fù)雜、聚乳酸材料價格昂貴，導(dǎo)致其市場接受效果不理想。所以，對聚乳酸的研究還有待深入，使其簡化制作流程，降低制作成本，以更好地被大眾所接受。