（化学工艺专业论文）生物降解材料聚乳酸的合成与改性工艺的研究.pdf

硕 ：学位论文 摘要 聚乳酸( p l a ) 是一种以天然素材为原料合成的新型高分子材料，也是一种 全新形态的塑料。由于它的完全降解性，因此广泛应用于医用、包装、纤维等领 域，其焦点在于医用领域，涉及药物微球载体、防粘膜、生物导管、骨科用固定物、 骨科手术器件、药物复合高分子支架、人工骨材料等等。 本文主要对聚乳酸的传统合成工艺以及微波辐射合成工艺进行了研究，并通 过在聚乳酸链段中引入聚乙二醇( p e g ) ，对聚乳酸进行改性，改善了其亲水性 能。取得的主要研究成果如下： 以乳酸为原料合成中间体丙交酯，通过j 下交试验探讨了温度、时间、催化剂 对反应的影响并确定了最佳的工艺条件：s n c l 2 2 h 2 0 与乳酸质量比为o 5 、对甲 苯磺酸与乳酸质量比为o 7 5 、在1 5 0 下反应4 h 、在反应后期加入3 0 m l 正辛醇 使丙交酯收率达到4 3 3 。 以自制丙交酯为原料通过常规的聚合方法探讨了温度、时间、催化剂对反应 的影响并确定了最佳的工艺条件：催化剂s n c l 2 2 h 2 0 加入量为1 ，1 8 0 下反 应2 0 h ，可以制得粘均分子量达到1 4 1 1 0 4 的聚乳酸。 以自制丙交酯为原料通过微波法合成聚乳酸，通过正交试验探讨了温度、时 间、催化剂以及微波功率对反应的影响并确定了最佳的工艺条件：s n c l 2 。2 h 2 0 与丙交酯的质量比为o 0 0 1 、在18 0 下反应6 0 m i n 、微波功率设定在5 0 0 w ，可 以制得粘均分子量为4 5 1 0 4 的聚乳酸。 以丙交酯和p e g 为单体，s n c l 2 2 h 2 0 为催化剂，合成出p l a p e g 共聚物。 考察了不同得反应时间，反应温度，p e g 分子量，丙交酯与p e g 配比对共聚物 分子量得影响。结果发现：丙交酯与p e g 加入1 的催化剂s n c l 2 2 h 2 0 在1 8 0 下反应1o h 可以制得分子量较高的p l a p e g 共聚物。如果减少p e g 含量，增 大p e g 链段长度可以制得分子量更高的共聚物。 通过接触角与d s c 分析发现聚乳酸分子链中引入p e g 链段可明显提高聚合 物得亲水性，降低聚合物得t g 。并且随着p e g 分子量和配比增大，聚合物的接触 角呈减小趋势，t g 呈下降趋势。 关键词：聚乳酸、间接法、丙交酯、共聚、改性、聚乙二醇 i i l 硕士学位论文 a b s t r a c t p o l y l a c t i ca c i d ( p l a ) i san e wp o l y m e rm a t e r i a lf o rt h es y n t h e s i so fn a t u r a l m a t e r i a l s ，a n da l s oan e wf o r mo fp l a s t i c b e c a u s eo fi t sc o m p l e t ed e g r a d a t i o n ， t h e r e f o r e ，t h ep l ai sw i d e l yu s e di nm e d i c a l ，p a c k a g i n g ，f i b e r ，a n do t h e rf i e l d s t h e f 0 c u so fa p p l i c a t i o ni sm e d i c a la r e a s ， i n v o l v i n gd r u gm i c r o s p h e r e sc a r r i e r ， a n t i - m u c o s a ，b i o l o g i c a lc a t h e t e r ，o r t h o p a e d i ci m p l a n t s ，b o n es u r g e r yd e v i c e s ，d r u g c o m p o u n dp o l y m e rs t e n t ，a r t i f i c i a lb o n em a t e r i a l sa n ds oo n t h ep a p e r sc o n t e n t sm a i n l yf o c u so nt h er e s e a r c ho fs y n t h e s i st e c h n o l o g yo f t r a d i t i o n a lp o l y l a c t i ca c i da n dm i c r o w a v er a d i a t i o ns y n t h e s i sm e t h o d a n dm o d i f y t h ec h a r a c t e ro fp o l y l a c t i ca c i di nt h e6 j n h e rp r o c e s s ，i m p r o v i n gi t sh y d r o p h 订i c p e r f o r m a n c et h r o u g hi n t r o d u c i n gp o l y e t h y l e n eg l y c o l ( p e g ) i nt h ep o l y l a c t i ca c i d c h a i n t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf - 0 l l o w s ： s y n t h e s i z ei n t e r m e d i a t ep r o d u c t - l a c t i d e ，u s i n gl a c t i ca c i da s r a wm a t e r i a l t h e e f f e c t so f t e m p e r a t u r e ， t i m e ， a n d c a t a l y s t w e r ed i s c u s s e d b yo n h o g o n a l e x p e r i m e n t a t i o na n dt h eo p t i m u mc o n d i t i o ni s a sf o l l o w ：t h em a s s 豫t i oo fs n c l 2 2 h 2 0a n dl a c t i ca c i di so 2 5 ；p t o l u e n e s u l f o n i ca c i da n dl a c t i ca c i di so 7 5 ，t h e r e a c t i o nt i m ei sf b u rh o u r su n d e r15 0 i nt h el a t eo ft h er e a c t i o np r o c e s s ，a d d i n g 3 0 m ln o c t a n o l ，t h el a c t i d ey i e l d sr e a c h4 3 3 l a c t i d ew h i c hw a sm a d ei no u rl a bi sa sm a t e r i a l st os y n t h e s l z ep o l y l a c t l ca c l d t h r o u g hc o n v e n t i o n a l m e t h o d so fs y n t h e s is t h ee f f e c t so ft e m p e r a t u r e ， t i m e ， c a t a l y s tw e r ed i s c u s s e db yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a t i o na n dt h eo p t i m u m c o n d i t i o ni s ： t h em a s sr a t i oo fs n c l 2 2 h 2 0a n dl a c t i d ei so 0 0 l ，r e a c t i o nt i m ei s2 0h o u r su n d e r 1 8 0 t h em o l e c u l a rw e i g h to ft h ep o l y l a c t i ca c i dp r o d u c t sw a s1 4 1 1 0 斗w h i c h w a sd e t e r m i n e db yv i s c o s i m e t r y l a c t i d ew h i c hw a sm a d ei no u rl a bi sa sm a t e r i a l st os y n t h e s i z ep o l y l a c t i ca c i d t h r o u g hm i c r o w a v es y n t h e s i s t h ee f 艳c t so ft e m p e r a t u r e ， t i m e ，c a t a l y s t a n d m i c r o w a v ep o w e rw e r ed i s c u s s e db yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a t i o na n dt h eo p t i m u m c o n d i t i o ni s ：t h em a s sr a t i oo fs n c l 2 2 h 2 0a n dl a c t i d ei so 0 0 1 ，t h er e a c t i o nt i m ei s 6 0m i n u t e su n d e r18 0 ，m i c r o w a v ep o w e ri s5 0 0 w t h em o l e c u l a rw e i g h to ft h e p o l y l a c t i ca c i dp r o d u c t sw a s4 5 10 4w h i c hw a s d e t e r m i n e db yv i s c o s i m e t r y s y n t h e s i z et h ec o - p o l y m e r p l a p e g lu s i n gt h el a c t i d ea n dp e g a sm o n o m e ra n d s n c l 2 2 h 2 0a sc a t a l y s t r e s e a r c ht h ee f f b c t so fr e a c t i o nt i m e ， t e m p e r a t u r e ， m o l e c u l a rw e i g h to fp e ga n dt h er a t i oo fl a c t i d ea n dp e gt ot h em o l e c u l a ro f c o p o i y m e r t h er e s u l t ss h o w ：w ec a n g e th i g h e r m o l e c u l a r w e i g h t i v 硕士学位论文 c o - p o l y m e 卜p l a p e ga d d i n g1 oc a t a l y s t - s n c l 2 2 h 2 0 ，r e a c t i o nt i m e1o h ，t e m p e r a t u r e l8 0 i nt h er e a c t i o np r o c e s so fl a c t i d ea n dp e g i fc u t t i n gd o w nt h ec o n t e n to f p e ga n di n c r e a s i n gt h el e n g t ho fp e gs e g m e r ，w ec o u l dm a n u f a c t u r eh i g h e r m o l e c u l a rw e i g h tc o - p o l y m e r 、7 r ef o u n dt h a tt h eh y d r o p h i l i cp e r f o r m a n c eo ft h ep o l y m e rw a so b v i o u s l y i m p r o v e da n dt h et gw a sr e d u c e dt h r o u g hi n t r o d u c i n gp o l y e t h y l e n eg l y c o l ( p e g ) i n t h ep o l y l a c t i ca c i dc h a i nt h r o u g hc o n t a c ta n g l ea n dd s c a n a l y s i s k e y w o r d s ：p o l y l a c t i ca c i d ，t h ei n d i r e c tm e t h o d ，l a c t i d e ，c o p o l y m e r ，m o d i f i c a t i o n ， p o l y e t h y l e n eg l y c o l v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：镰矶 日期。户留年多月，7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 鬣主撕 导师签名：增翩物 日期：a 护i 年厂月) 日 日期：矽萨二月歹日 硕十学位论文 第1 章绪论 近年来聚乳酸( p l a ) 作为一种可生物降解高分子材料已经广泛应用与各个 领域。自从1 9 6 6 年，k u l k a m i 【1 】等提出聚乳酸在体内能够降解，最终的代谢产 物是c 0 2 和h 2 0 之后，从此，聚乳酸在外科和医药方面的应用得到了广泛的研 究，如骨折内固定材料、手术缝合线、药物控制释放材料等。其中作为骨折内固 件，作为抗癌物投放体系基材制得的新剂型药物已有商品供应。 在白色污染日益严重的今天，聚乳酸由于有可降解性以及降解产物的矿化作 用，人们已经开始利用可降解的聚乳酸来代替一般通用聚合物产品。同时，现代 社会的大量能源消耗使得煤和石油等化工原料越来越紧张，传统的高聚物合成又 依赖于从天然资源石油中提取的单体，而石化燃料需数百万年才能产生。可以预 见，随着石油等资源的枯竭，源自石化原料的聚合物生产必将受到限制，与之相 反生产聚乳酸所需的单体乳酸可通过农作物玉米乳酸发酵生产，所需能量的三分 之一来自太阳能。这也能有力解决能源问题f 2 】。 所以p l a 及其共聚物的应用前景广阔，是目前可降解高分子材料中研究与开 发的热点。存在的问题是p l a 及其共聚物工业化生产中存在的主要问题是产品成 本高，只要能优化生产工艺，降低成本，p l a 必能代替许多通用型聚合物。 1 1 课题研究背景及意义 自l9 3 5 年杜邦公司合成出尼龙6 6 到现在短短几十年时间里，高分子材料已 经渗透到国民经济各部门和人们生活的各个方面【3 】，包括我们在日常生活中的 吃、穿、住、用、行等等，都离不开高分子材料。但是，高分子材料除了给人们 生活带来便利，还因为其大部分材料不具备生物降解的特性，废弃后引起了严重 的环境污染问题，如最显著的“白色污染 。而目前对不可降解制品的处理手段 往往是掩埋和焚烧，但是大多数的高分子材料在掩埋后根本不会降解，焚烧后放 出的有毒气体还是对环境有或多或少的危害，所以这样只能缓解暂时的环境污 染。而可降解高分子材料的应用能从根本上解决这一问题。因此，生物可降解高 分子材料这一领域的研究受到越来越多的关注，这一方面的研究也变得活跃起 来。 以天然素材为原料合成新型高分子材料已经成为现今材料科学一个新的发 展方向，这种新型高分子材料不仅具有优良的性能，更为重要的是其废弃物可以 靠微生物降解，最终生成c 0 2 和h 2 0 ，参加到自然界的生态大循环，对环境的污 染可以降至零；同时生物界奇妙的遗传技术也会将材料的特性一代一代地传递下 生物降解材料聚乳酸的合成与改性t 艺的研究 去。因此，材料学界赋予这种新型高分子材料以一个崭新的名字一一新型生物降 解材料。这其中最具有代表性也是应用最为广泛的当属聚乳酸及其衍生物了【4 1 。 聚乳酸是一种全新形态的塑料，它来源于自然循环再生的概念，一个和现今 传统塑料正好相反的概念，它不是由有限的石化资源( 石油) 所制成，而是使用 可再生的植物资源( 如玉米) 所提出的淀粉原料制成。淀粉原料可经由发酵过程 制成乳酸，再通过化学合成转换成聚乳酸。9 0 年代由葡萄糖转成乳酸的制造技术 已有重大的突破，聚乳酸生产技术的改进降低了聚乳酸的生产成本【5 j 。 1 1 1 聚乳酸的物理机械性能 因为乳酸有两种旋光异构体左旋( l l a ) 和右旋( d l a ) 乳酸，因此 它的均聚物有3 种基本主体构型p d l a ，p l l a ，p d l l a 。常用易得的是聚消旋乳 酸( p d l l a ) 和聚左旋乳酸( p l l a ) ，分别由乳酸或丙交酯的消旋体、左旋体 得到，p l l a 与p d l l a 的性能如表1 1 ， 表1 1p l l a 与p d l l a 的性能对比 p l l a 是具有光学活性的有规整立体结构的聚合物，熔融、溶液状态均可结 晶【6 】。只要在p l a 立体规整度足够高的情况下，本体或溶液中的p l a 才会结晶。 p l a 结晶度、晶体大小和形态均影响制品的性能( 如冲击强度、开裂性能、透明 性等等) 【7 1 。现在研究已发现p l a 有3 种晶格结构，即0 【晶系，b 晶系，丫晶系，它 们分别具有不同的螺旋构象和单元对称性。而且在不同结晶条件或不同外场诱导 作用下，p l a 可形成不同类型的球形晶体。 其中最常见也是最稳定的一种晶型是a 晶系，它可以在熔融、冷结晶以及低 温溶液纺纱等过程中形成；而p 晶系最先是由e l i n g 等【8 】提出，p 晶系可是在高温溶 液纺纱过程中形成的，它也是一种比较稳定的晶型：c a r t i e r 等【9 】利用结晶基材六 甲基苯诱导p l a 结晶，得到y 型外延性结晶体。 近几年，由于人们对聚乳酸作为塑料用途研究的不断深入，其力学性能也逐 步得到提高。我们通过对p l a 与p s ，l d p e 性能的比较( 见表1 2 【1 0 1 1 1 ，可以看出 聚乳酸具有良好的力学性能和透明性。 2 硕f ：学位论文 表1 2p l a 与p s ，l d p e 性能比较 性能 p l a一般用途p sl d p e 相对密度1 2 61 0 50 9 2 融融指数( g 1 0 m i n ) 1 3 1 0 3 3 透光率9 49 4 一 拉伸强度m p a6 6 64 71 1 7 弯曲模量m p3 4 3 03 1 8 5 一 a i z o d 冲击强度( j c m )2 7 4 4 95 0 0 1 1 2 聚乳酸的降解性 生物降解高分子的生物降解通常是以化学方式进行的，即在微生物和有酶参 与的情况下，当酶进入聚合物的活性位置并渗透至聚合物的作用点后，聚合物就 发生水解反应，从而使聚合物大分子骨架结构断裂成小的链段，并最终断裂成稳 定的小分子产物，完成生物降解过程。聚乳酸具有良好降解性能，其制品被废弃 后能迅速降解，最终降解产物为h 2 0 和c 0 2 ，不会对环境造成污染。从目前研究 来看，聚乳酸的降解大致可分为简单水解降解和微生物及酶降解两种【l 引。 1 1 2 1 简单水解降解 简单水解降解的主要机理一般被认为是由于聚乳酸分子链中含有酯键，极易 在氢离子作用下断裂为羧酸和醇，而降解过程中产生的酸可能会对降解有催化作 用，形成自催化效应。但一方面，聚乳酸的降解速率又根据p h 值、聚合物的形态、 相结构等因素的不同而存在很大的差异，且大量的实验结果表明聚乳酸降解的程 度在碱性溶液中最佳，酸性溶液次之，中性溶液中最为缓慢【l 3 1 。 另一方面，聚乳酸不同的结晶性也导致了其降解性的差异。通常来说，非结 晶态的p d l a 比结晶态的p l l a 更容易加水降解。p d l a 材料在生理盐水中降解， 相对分子质量半衰期为3 星期至lo 星期，而p l l a 则至少为2 0 个星期。据报道， 半结晶态的p l l a 降解存在着两个阶段，第一个阶段，水分子扩散到聚乳酸的无 定型区域，导致酯键的随即断开。随着降解的进行，当无定型区域降解几乎结束 时，结晶度增加。在第二个阶段，水解才由结晶区边缘向结晶中心开始降解。在 无定型区水解过程中，生成立构规整的低分子物质，结晶度增大，延缓了进一步 水解的进行。这一性能被用于骨修复和骨内固定材料中，调节材料的降解速度以 满足人体对材料的要求i l4 1 。 生物降解材料聚乳酸的合成与改件t 艺的研究 1 1 2 2 微生物及酶降解 微生物降解是可降解材料在自然界中最普遍存在的一种降解方式，聚乳酸可 以被多种微生物降解，如镰刀酶念珠菌、青霉菌、腐殖菌等。据研究表明【l 引，镰 刀酶念珠菌、青霉菌都可以完全吸收p d l l a ，部分可吸收可溶的聚乳酸低聚物。 近几年的研究表明，酯酶、蛋白酶k 都能催化聚乳酸降解。从低分子量的p l l a p d l a 在不同类型的酯酶，如根霉属菌酯肪酶、猪胰腺酯肪酶、猪肝脏的羧基酯 酶中的降解情况，发现根霉属菌酯肪酶对聚乳酸的降解能力最强，同时还发现聚 合物在无定形区域中即完全降解，而结晶区却只有3 0 降解。这是由于结晶区域 分子结构排列紧密，酶分子很难进入到聚乳酸分子内部，因此降解速度缓慢。发 现蛋白酶k 可以有选择的对聚乳酸进行催化。对l l a 有较高的降解活性，而对d - l a 的降解则表现出较高的惰性。同时还发现无定型的p l l a p d l a 共聚物的失重 速率比部分结晶的p l l a p d l a 要快得多。反映出蛋白酶k 对聚乳酸的结晶度具 有很高的敏感性，使之被废弃后能迅速降解，且最终降解产物为h 2 0 和c 0 2 对环 境没有污染。 1 1 3 聚乳酸的应用 我们通过以上可以总结出聚乳酸有以下优点： ( 1 ) 生物可降解性良好。 ( 2 ) 机械性能及物理性能良好。 ( 3 ) 相容性与可降解性良好。 因此，聚乳酸( p l a ) 以其无毒副作用、良好的生物相容性及可生物降解性受 到世人的极大关注。作为药物控释体系的载体，可吸收的外科手术缝合线，可降 解的体内植入材料及骨科支撑材料而用于生物医学工程，并且得到美国f d a 批 准。在环保方面，人们正试图用它取代对环境造成白色污染的农用薄膜及包装材 料【1 6 】。 ( 1 ) 包装行业：聚乳酸是环保包装材料的一颗新星。由于其基本原料乳酸 是人体固有的生理物质之一，因此对人体无害。作为一种重要原料，聚乳酸可像 聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等热塑性塑料那样加工成各种下游产品，包括薄膜、 包装袋、包装盒、食品容器、一次性快餐盒、饮料用瓶。 ( 2 ) 纺织行业：聚乳酸切片经纺丝可以制成长丝、短丝、单丝、扁平丝，并 可进一步加工成机织物、针织物、非织造物等产品。聚乳酸纤维的主要特性是生 物可降解，弱酸性，抗菌，手感柔软，质地轻，耐热性好( 比聚酯高2 0 一3 0 ) ， 光泽与真丝相仿。聚乳酸的这些性能成为合成纤维和天然纤维之间的“天然桥 4 硕十学位论文 保形、防皱，适于作外套、女装、礼服、内衣、t 恤等。目前国外已经采用聚乳 酸纤维和棉纱织成混纺纱，用于制作牙刷和毛巾等多种产品。 ( 3 ) 医药行业：主要用途有药物控制释放、骨材料、手术缝合线和眼科材 料等。 药品的缓释：聚乳酸及其共聚物根据药物的性质、释放要求及给药途径， 可以制成特定的药物剂型，使药物通过扩散等方式在一定时间内，以某一种速率 释放到环境中。 骨材料：聚乳酸的性质满足了作为人体内的使用的高分子材料必须无毒、 合适的生物降解性和良好的生物兼容性以及对某些具体的细胞有一定相互作用 的能力的要求。通过大量的临床试验表明，聚乳酸作为人体内固定材料植入后炎 症发生率低、强度高、术后基本不出现感染情况。目前国内外正在加快研究和应 用步伐，有望在血管、韧带、皮肤、肝脏等组织修复和培养中使用。 手术缝合线，聚乳酸及其共聚物作为外科手术缝合线，在伤口愈合后能 自动降解并吸收，术后无需拆除缝合线。聚乳酸缝合线一经问世，就广泛应用于 各种手术。目前，国内各大医院也在使用从国外进口的优异聚乳酸缝合线。 眼科材料：随着工作和学习压力的逐渐增加，眼科疾病发病率也逐渐升 高，尤其是视网膜脱落己成为常见的眼科疾病之一，通常手术治疗采用在眼巩膜 表面植入填充物来解决，传统采用硅橡胶和硅胶海绵，这两种物质不能降解，容 易引起异物反应，而利用聚乳酸作为填充材料，可有效的解决上述问题。 ( 4 ) 农业行业：聚乳酸的另一大用途是加工农用地膜以取代目前普遍使用 的聚乙烯农用地膜。这种产品最大的优点是，使用一段时间后无需人工清理，它 会与土壤中的微生物以及光照等共同作用，自动分解成为二氧化碳和水，有效解 决了聚乙烯农用地膜对环境造成的污染。因此，我们有理由相信，聚乳酸的应用 将越来越广，越来越好。 1 1 4 聚乳酸的改性 聚乳酸在应用中发现了不少缺陷：p l a 属聚酯，亲水性差，降低了其生物相 容性；在自然条件下它降解速率较慢，而高分子药物的控制释放体系对不同的药 物要求其载体材料具有不同的降解速率；此外，它性脆、力学强度较低，难以满 足某些医疗修复人体部件的要求等，因此近年来对聚乳酸的改性己成为研究的热 点。 生物降解材料聚乳酸的合成与改性t 艺的研究 1 2 聚乳酸国内、外研究现状 1 2 1 乳酸 乳酸是一种天然有机酸，是三大有机酸之一。自从1 8 8 1 年，美国科学家首先 在酸乳中提取到的乳酸菌用于大规模的乳酸发酵生产，截止到现在已有一百多年 的历史。而我国发酵乳酸工业的研究起步比较晚，开始研究是从2 0 世纪3 0 年代开 始，到了2 0 世纪5 0 年代初无锡振元化工厂( 现第四制药厂) 才开始采用大米发酵生 产乳酸钙，从2 0 世纪6 0 年代通过结晶一离子交换工艺生产出工业和食用乳酸。乳 酸未工业化生产之前由干酪、酸奶、酱油、酵母、肉、酱菜、葡萄酒等食品的自 然发酵形成，动物和人体在日常的行走、奔跑的活动中也会产生大量的天然l ( + ) 乳酸【1 7 】。 乳酸( l a ) 分子中一个手性碳原子，即有两个光学异构体：l 乳酸和d 乳酸( 如图1 1 ) 。l 乳酸既可以在肌肉体液中发现，又可以在不同的动物器官 中发现。d 乳酸在自然界中还未被发现。d ，l 乳酸是l 乳酸和d 乳酸的外 消旋化合物，是首先在酸奶中被发现的。 f 删 h 0 1 1 c h j l 乳酸 1 2 1 1 乳酸的生产现状 f 删 h - f 制 棚3 图1 1 乳酸的两种光学异构体 d 乳酸 乳酸的工业生产主要有淀粉发酵法和化学合成法。最早使用的生产方法是发 酵法，是以大米、玉米、薯干、糖蜜等为原料，经蒸煮、糖化、乳酸菌发酵等一 系列工序制得乳酸。但是，用化学合成法可以大规模连续地生产乳酸我国以发 酵法为主，国外以合成法为主。化学合成法以乙醛和氢氰酸为原料，生产无旋光 性的d l 乳酸。美国斯特林化学公司和日本武藏野化学公司均采用化学合成法。 由于原料有毒性，其生产受到限制【l 引。 ( 1 ) 发酵法有可分为传统发酵法和连续发酵法两种。传统发酵法要求控制 发酵温度一般在4 0 5 0 ，p h 值在6 o 左右。在发酵过程中要用用碱式钙化物中 和以调节p h 值，还要加入硫酸酸解乳酸钙为游离乳酸，然后再提纯得乳酸产品。 6 硕f ：学位论文 美国加利福尼亚大学开发成功的连续式发酵法，其特点是菌体循环，产率高，但 该技术还没有大规模的生产使用，而且菌体寿命也比较短。 另外，由于人体内仅有l ( + ) 乳酸脱氢酶，所以人体只能吸收l ( + ) 乳酸，因此食品工业已经用l ( + ) 乳酸取代d l 一乳酸，这样就促使l ( + ) 乳酸生产迅速发展。l ( + ) 乳酸的制取用米根霉菌培育的菌种【1 9 - 2 0 1 ，是需氧 发酵，发酵温度一般在3 4 左右，发酵周期通常为为3 4 h 。目前，国际上先进的 l ( + ) 乳酸生产工艺是采用细菌( 嗜热乳酸杆菌) 【2 1 22 1 ，为厌氧高温发酵，无 须压缩空气及强搅拌，因此它的特点是能耗低，而且由于发酵温度高( 5 0 以上) ， 故发酵速度快，形成的发酵液中l ( + ) 乳酸浓度高，残留糖量少，提纯方便。 ( 2 ) 工业上化学合成乳酸的方法是乙醛氢氰酸法和丙酸法。 乙醛氢氰酸法是以乙醛、氢氰酸和乙醇( 或甲醇) 为原料。由于原料价格低廉， 因此国外合成乳酸主要采用此法。该法为乙醛和氢氰酸加成、乳腈水解得粗乳酸， 粗乳酸与乙醇酯化生成乳酸酯，乳酸酯再水解生成稀乳酸及稀乳酸浓缩等工序。 其反应式如下： 2 c h 3 c h o + 2 h c n c h 3 c h ( o h ) c n c h 3 c h ( o h ) c n c h 3 c h ( o h ) c n c h 3 c h ( o h ) c n + h 2 s 0 4 + 4 h 2 0 2 c h 3 c h ( o h ) c o o h + n h 4 h s 0 4 c h 3 c h ( o h ) c o o h + c 2 h 5 0 h c h 3 c h ( 0 h ) c 0 0 c 2 h 5 + h 2 0 c h 3 c h ( o h ) c 0 0 c 2 h 5 + h 2 0 c h 3 c h ( o h ) c o o h + c 2 h 5 0 h 丙酸法是以丙酸为原料，经氯化得2 一氯丙酸，然后与氢氧化钠反应得粗乳 酸，再经酯化、精镏、水解得乳酸产品。但是，此方法的不足之处是原料价格昂 贵，所以目前仅有日本大赛路公司等少数厂家采用。其反应方程式如下： c h 3 c h 2 c o o h + c 1 2 呻c h 3 c h c l c o o h + h c l c h 3 c h c l c o o h + n a o h c h 3 c h ( o h ) c o o h + n a c l 1 2 1 2 乳酸的应用 乳酸是一种重要的生物化工产品，它在酿造、医药、食品、卷烟、皮革、印 染、化工等领域有着广泛的应用。另外，乳酸在纺织业中用于p h 值的调整，是一 种良好的媒染剂；在农药中用作除草剂的原料；还因为乳酸具有清洁除垢等作用， 所以把它用于洗涤清洁产品；在涂料墨水工业中用作p h 值调节剂和合成剂；l 乳酸在塑料纤维工业中是可降解新型材料聚乳酸p l a 的合成原料【2 五2 4 1 。 目前，乳酸尤其是l 一乳酸是市场上急缺的化工产品，而且随着石油价格的 不断提高，用石油化工原料合成乳酸成本将不断增高，还会给环境带来污染， 7 生物降解材料聚乳酸的合成与改性r t 艺的研究 研以用发酵发生产乳酸可以基本解决上述问题，也符合当前保护环境的基本思。 路。 1 2 2 丙交酯 丙交酯是一种白色吸湿粉末，熔点1 2 5 。丙交酯合成过程中乳酸聚合成低 聚乳酸然后又裂解为丙交酯。 丙交酯是合成聚乳酸的中间体，丙交酯有两个手性碳原子，有四种异构体： l 丙交酯、d 丙交酯、d ，l 丙交酯、m e s o 丙交酯( 如图1 2 ) 。 h 似、h ， 眦入c 1 入妣 o l 丙交酯 o ， h 正一似、h h 令c 1 入绷， o 芦 h r c 尸， 眦二八 o m e s o 丙交酯 d 丙交酯 图l - 2 丙交酯的异构体 由于聚乳酸p l a 是一种未来应用非常重要的可生物降解材料，其良好的生物 相容性和生物可吸收性，已在多方面得到利用，尤其是组织工程支架材料方面得 到了广泛应用【25 1 但由于组织工程对支架材料的强度要求较高，只有高分子量的 p l a 才有实际应用价值。但是以乳酸为原料用一步法制备出的p l a 重均分子量最 高为3 0 万，由于分子量难于进一步提高，且分子量分布较宽，故用一步法生产出 的这种p l a 不能满足在生物医学上的某些重要需要。这是因为，在乳酸缩聚形成 p l a 的过程中，乳酸脱水缩聚与p l a 水解之间的一个平衡反应。当乳酸脱水缩聚 形成p l a ，在p l a 分子量达到一定程度后，由于体系中的粘度不断增大，而体系 中形成的水分却不易除去，于是反应达到平衡，p l a 分子量不再增大，这就是一 步法很难制备出高分子量p l a 的主要原因。制备高分子量p l a 更多是以丙交酯为 原料，在氯化亚锡、辛酸亚锡、乙酸亚锡或烷基铝等催化剂的催化下熔融开环聚 合制得，所得p l a 的分子量可高达1 0 0 万以上。因此，丙交酯作为制备高分子量 8 硕 j 学位论文 p l a 的重要原料，其制备成本的高低、纯度的高低决定了高分子量p l a 的成本和 纯度【2 6 】。 进入2 0 世纪7 0 年代以来，人们在提高丙交酯的产率、纯度，降低丙交酯的成 本方面做了大量的工作，并取得一定的进展。 ( 1 ) 目前最普遍的一种方法就是用乳酸制备丙交酯。一般的步骤，首先是 以乳酸为原料，z n o 、s n c l 2 或s n o c t 2 等为催化剂，在低于1 6 0 、减压条件下乳 酸脱水先形成p l a 低聚物( p l a0 1 i g o m e r s ) ( 分子量一般小于2 0 0 0 ) ，缩聚生成的水 在减压下除去，以打破反映体系的平衡，使反应有利于缩聚继续进行；然后在较 高温度( 2 0 0 2 8 0 ) 、一定压力下使p l a 的低聚物解聚，生成丙交酯粗品；最 后用重结晶方法提纯粗品得丙交酯的纯品。但是p l a 低聚物解聚的温度在2 0 0 以上，在解聚过程中因氧化和其它副反应发生，使生成的产物变色和碳化，大大 影响了丙交酯的产率和纯度。 为克服产物的变色和碳化以提高丙交酯产率和纯度，广西大学的苏涛和李曹 文等【27 1 ，以及0 k u y a m a 、o g a k i u c hi 和k a w a m o t o 等【2 8 】对上述方法进行了改进，他 们在减压的同时向反应器中通入气化溶剂如气化甲苯、蒸汽，b h a t i a 等向反应器 中通入n 2 【2 引，企图借助这些快速流动的“惰性气体”( 不与反应混合物反应的气 体) 迅速将生成的丙交酯带出反应器，以减少丙交酯在高温反应器中的停留时间， 从而减少副反应的发生，同时，由于反应器中的氧气几乎全被这些气体取代，从 而避免了因氧化引起的变色和碳化，这在较大程度上提高了丙交酯的产率和纯 度，但由于整个反应系统是密闭的，“惰性气体 不易从产物中除去并回收利用， 而且以气化溶剂或蒸汽为“惰性气体”时，丙交酯中会残留较多的溶剂或水，这 使丙交酯的精制变得更复杂。而重庆大学的王远亮等【3 0 】从优化脱水时间、脱水温 度、解聚时间、解聚温度入手研究制得了产率达到4 5 3 、纯度为9 9 5 2 的高纯 度丙交酯，并提出了向反应体系中加入比丙交酯沸点低且可互溶的“惰性溶剂”， 使丙交酯随较低沸点的溶剂一起被蒸出，同时再向反应体系中加入高沸点惰性溶 剂，避免反应体系粘稠而导致高温炭化的思路。 ( 2 ) 丙交酯的另外一种制备方法是h i r o s h i 及h a n g 等【3 1 】以2 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 mp a 下制 备丙交酯。它的反应原理如下： 9 生物降解材料聚乳酸的合成与改性t 艺的研究 2c h 三一一h 太，+ 躯x2c h 妃丑o a h j c 弋h i + 2 a x 卢_ o o 三丞一h 正? c 0 ，一： ( c h 3 c h o ) 丞h 正弋夕1 ：1 1 3 + b x 2 芦飞 x ：c l ，br ，i ，最常用的是c l ； a ：l i ，n a ，k ，r u ，c e ，最常用是n a ； b ：m g ，c a ，s r ，b a ，最常用是c a 。 这一反应过程的特点是反应速度快，反应时间一般不超过2 h 。这种方法最大 的缺点是未反应的卤代丙酸盐不易从产品中完全除去，产率一般为3 5 左右，产 品纯度可达9 8 。 此外，o h a r a 及k a w a m o t o 等【3 2 3 3 】用乳酸铵为原料，加热同时脱氨和脱水制各 丙交酯。这种方法有两种不同的反应机理：一是两分子乳酸铵同时脱氨、脱水形 成丙交酯： h p 一3 2 n h 水印+ h 3 叱 曰 c h 3 h 3 c 另一种是乳酸铵脱氨、脱水形成低聚物，低聚物再解聚形成丙交酯： h p 3 睾叶岫“ 10 h 2 0 h0rh01 h 9 一c o c h 3 ；= 州。一苞一e + o 一芒一6 + o h l - n h 3 i l l 1 c h a亡h 。亡h 。 1 l 口 h 3 叱 l o 硕十学位论文 ：还有c o z a c h 及v a n 等【3 4 】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。 目前大多数丙交酯的合成方法研究中，基本上都集中在合成工艺的改进和原 料的改变上。但从现有的工艺条件和改变原料的效果来看，不管是减压分离丙交 酯、借助气体分离丙交酯还是改变原料制备丙交酯，其丙交酯的合成温度都在 2 0 0 2 8 0 之间，因此在这样高的温度条件下，像氧化、焦化以及丙交酯的聚 合等副反应都是不可避免的，这样就回造成p l a 的低产率、高能耗、高成本的局 面。如果我们以后要想改变这一现状，只能另辟途径，比如寻找新的催化剂。为 此，研制一些高活性、能使脱水反应和解聚成环反应在比较温和的反应条件下同 时完成的新型催化剂将是将是今后合成丙交酯有效途径，这对于全面推广生物可 吸收p l a 制品在生物医学和环境保护等方面的应用将有重要的作用。 1 2 3 聚乳酸 聚乳酸( p l a ) 也称聚丙交脂，属于聚酯家族。单个的乳酸分子中有一个羟 基和一个羧基，多个乳酸分子在一起，o h 与别的分子的。c o o h 脱水缩合，c o o h 与别的分子的o h 脱水缩合，就这样，它们受拉手形成了聚合物，叫做聚乳酸。 由于在丙交酯的结构中含有2 个不对称的手性碳原子，它能构成3 种立体异构体， 所以它开环聚合得到的聚乳酸也有不同的结构，其通式可如下表示。 + 垦一贮。一童一羊兰o 手年瞿一占= o 一旦一占二o il ，n h 但是，聚乳酸是丙交酯在各种催化剂催化作用下开环聚合而成的，它的结构 较复杂，呈全规、间规、杂规及不规则的分子链状，结构如下： x 一斗书 麓x 一心小 篡o 疆：菌：一、，奄。奄量备 篁：r + 疆如。奄书辽小 篡x一奄。糙氐 文乙疆x 弋。晒心。熬5 虽然在4 0 多年前，人们发现了高分子量的聚乳酸，但这种高分子量聚合物易 生物降解材料聚乳酸的合成与改性t 艺的研究 水解和热解，把它的作为结构材料使用价值不大。直到了l9 6 6 年k u a l k a r n i 等【3 5 1 提出聚乳酸能够在体内降解，从此，聚乳酸的合成及应用得到了广泛的研究。 目前，聚乳酸的合成方法主要有以下几种： ( 1 ) 丙交酯开环聚合法即乳酸单体首先聚合成低分子量的聚乳酸，聚乳酸 再进一步裂解环化成丙交酯，丙交酯然后进行开环聚合最终得到聚乳酸。开环聚 合所用的催化剂不同，聚合机理也不同。目前主要有阳离子聚合、阴离子聚合和 配位聚合三种聚合方式。 ( 2 ) 直接缩聚法是在脱水剂存在的情况下，乳酸分子中的羟基和羧基受热 脱水，直接缩聚合成低聚物，然后加入催化剂，继续给反应体系升温，低相对分 子质量的聚乳酸就聚合成更高相对分子量的聚乳酸。这种方法主要包括溶液缩聚 法、熔融缩聚( 本体聚合) 法、熔融固相缩聚法和反应挤出聚合法等。 溶液缩聚法即采用一种高沸点的溶剂和乳酸、水进行共沸，高沸点溶剂 脱水后再回流到溶液中，将反应中的水带出反应体系，促进反应向正反应方向进 行，以合成聚乳酸。该方法虽然可以合成高分子量的聚乳酸，但是高沸点溶剂的 引入反应，会带来更多的副产物使最终产品的最后纯化比较困难，从而提高了生 产成本仍然。 熔融缩聚法即以乳酸单体为原料，直接缩聚合成聚乳酸。该方法工艺路 线简单，操作简单，要求高真空或者氮气保护。但是产物的分子量不高，主要是 因为反应后期由于体系的粘度较大，小分子水难以除去，因此有待于进一步完善。 2 0 0 0 年日本学者【3 6 l 合成m w 超过1 0 万的p l l a 。熔融聚合比溶液聚合操作简单，免 去了高沸点溶剂的提纯