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聚乳酸的合成及改性研究 摘要 本文首先综述了聚乳酸( p l a ) 的合成研究进展，主要包括聚乳 酸的基本性能、聚乳酸的直接合成研究、聚乳酸的其它合成方法的研 究以及聚乳酸的改性研究；概述了聚乳酸及其共聚物合成反应中使用 的催化体系以及聚乳酸类材料在医学领域和纺织行业的应用。 本文主要进行了直接溶液缩聚和熔融缩聚合成聚乳酸的工艺研 究及聚乙二醇( p e g ) 、2 ，4 - 甲苯二异氰酸酯和羟基磷灰石对聚乳酸的 改性研究。实验结果如下： 采用溶液缩聚法直接合成聚乳酸，探索了催化剂用量、单体浓度、 反应温度及反应时间对聚乳酸分子量的影响。结果表明：选用辛酸亚 锡作为催化剂，用量为0 8 ；甲苯作为溶剂，甲苯与乳酸单体的比 例为2 ：1 ，聚合温度控制在1 7 0 ，反应1 2 h ，可得到粘均分子量为 1 2 3 2 0 的聚乳酸。 采用熔融缩聚法直接合成聚乳酸，探索了催化剂用量、单体浓度、 反应温度及反应时间对聚乳酸分子量的影响。结果表明：选用辛酸亚 锡作为催化剂，用量为1 o ，聚合温度控制在1 6 0 ，0 0 9 m p a 反应 1 0h ，可得到粘均分子量为9 6 8 x 1 0 3 的聚乳酸。 采用熔融共聚法合成聚乳酸一聚乙二醇，探讨了催化剂种类及其 用量、反应温度、反应时间、聚乙二醇的种类及其用量对产物分子量 的影响，并对产物进行了表征。实验结果表明：17 0 ，催化剂辛酸 亚锡用量为o 8 时，乳酸与i p e g ( 4 0 0 ) 共聚1 0 h 可合成粘均分 子量为2 7 9 x1 0 4 的p l a p e g 共聚物。 采用直接熔融缩聚法先合成相对低分子量的聚乳酸，再以2 ，4 - 甲苯二异氰酸酯( t d i ) 作为扩链剂进行扩链反应。研究了反应时间、 温度、催化剂种类和用量及扩链剂用量对聚乳酸分子量的影响，并采 用i r 、d s c 及g p c 对产物进行表征。实验结果表明：在1 7 0 、0 0 9 m p a 条件下，以1 0 的t d i 作为扩链剂进行扩链反应1 5 h ，产物分子量 有明显提高。 以c a ( n 0 3 ) 2 和n h 4 h 2 p 0 4 为前驱物，分别用沉淀法和微乳液法合 成了羟基磷灰石( h a ) ，探讨了反应温度、煅烧温度和溶液的p h 值对 h a 合成的影响。采用扫描电镜、红外光谱对h a 进行了分析。结果 表明：当反应温度为3 0 ，煅烧温度为6 5 0 时，采用沉淀法合成的 h a 含量和纯度均比较高。 以聚乳酸和羟基磷灰石为原料，采用溶液超声分散法合成了不 同比例的聚乳酸羟基磷灰石复合材料。采用扫描电镜、红外光谱对 复合材料的性能进行了分析，用粘度法测定了复合材料的分子量。结 果表明：h a 含量为1 0 时可得到粘均分子量为1 5 9 5 0 的复合材料。 关键词：聚乳酸，溶液缩聚，熔融缩聚，聚乳酸聚乙二醇( p l a p e g ) 共聚物，熔融共聚，2 ，4 甲苯二异氰酸酯( t d i ) ，羟基磷灰石 l l s t u d i e so nt h es y n t h e s i sa n dc h e m i c a l m o d i f i c a t i o no f p o l y l a c t i ca c i d a b s t r a c t t h i st h e s i ss u m m a r i z e st h er e c e n ts t u d i e so nt h es y n t h e s i so f p o l y l a c t i ca c i d ，i n c l u d i n gt h ep r o s p e c t s ，d i r e c ts y n t h e s i sa n dc h e m i c a l m o d i f i c a t i o n t h ec a t a l y s t si nt h es y n t h e s i so fp o l y l a c t i ca c i da n di t s c o p o l y m e r sa n dt h ea p p l i c a t i o no fp o l y l a c t i ca c i da r ea l s od i s c u s s e d t h i st h e s i s p r i m a r i l y s t u d i e dt h e t e c h n o l o g c i a lc o n d i t i o n so f s y n t h e s i z a t i o no fl a c t i d et h r o u g hs o l u t i o np o l y c o n d e n s a t i o na n dm e l t p o l y c o n d e n s a t i o n ，a n dc h e m i c a lm o d i f i c a t i o no fp o l y l a c t i ca c i db y p o l y e t h y l e n eg l y c o l ，2 , 4 一t o l u y l e n ed i i s o c y a n a t e ( t d i ) a n d h y d r o x y a p a t i t e ( h a ) t h er e s u l t sw e r ea sf o l l o w ： d i r e c t s y n t h e s i s o f p o l y l a c t i c a c i d t h r o u g h s o l u t i o n p o l y c o n d e n s a t i o nw a ss t u d i e d ，a n dt h ei n f l u e n c eo fc a t a l y s t s ，m o n o m e r c o n c e n t r a t i o n ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n dr e a c t i o nt i m eo nm o l e c u l a r w e i g h to fp o l y l a c t i ca c i d t h er e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ：w i t h0 8 c a t a l y s t s n ( o c t ) 2 a t17 0 a n dt o l u e n ea s s o l v e n t ( t o l u e n e l a = 2 ) f o r 12 h ， p o l y l a c t i ca c i d ( m 叩= 12 3 2 0 ) w a so b t a i n e d d i r e c ts y n t h e s i so fp o l y l a c f i ca c i dt h r o u g hm e l tp o l y c o n d e n s a t i o n w a ss t u d i e d ，a n dt h ei n f l u e n c eo fc a t a l y s t s ，m o n o m e rc o n c e n t r a t i o n j r e a c t i o nt e m p e r a t u r ea n dr e a c t i o nt i m eo nm o l e c u l a rw e i g h to fp o l y l a c t i c a c i d t h er e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ：w i t h1 o c a t a l y s ts n ( o c t ) ，a t16 0 ， o 0 9 m p af o r1 0 h ，p o l y l a c t i ca c i d ( m 玎= 9 6 8 1 0 3 ) w a so b t a i n e d p o l y l a c t i ca c i d - p o l y e t h y l e n eg l y c o l ( p l a - - p e g ) w e r es y n t h e s i z e d v i am e l tc o p o l y m e r i z a t i o n t h ei n f l u e n c eo ft h et y p e sa n da m o u n to f c a t a l y s t ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，r e a c t i o nt i m e ，t y p e sa n da m o u n to f p e g o nm o l e c u l a rw e i g h t so fp r o d u c t sw e r ed i s c u s s e d t h e p e r f o r m a n c eo f p r o d u c t sw e r ec h a r a c t e r i z e d t h er e s u l t sw e r ea sf o l l o w ：s t a r t i n gf r o m l a c t i ca c i da n d1 p o l y e t h y l e n eg l y c o l ( p e g ) m 刀= 4 0 0 o 8 s t a n n o u st i n a sc a t a l y s t ，u n d e rt h ec o n d i t i o no f17 0 ，f o r1o h ，p o l y l a c t i ca c i d p o l y e t h y l e n eg l y c o l( m 。= 2 7 9 10 4 ) w e r eo b t a i n e d p o l y l a c t i ca c i dw i t hl o wm o l e c u l a rw e i g h tw e r ep r e p a r e db yt h e i i i d i r e c tm e l tp 0 1 y c o n d e n s a t i o n ，t h e n2 , 4 一t o l u y l e n ed i i s o c y a n a t e ( t d i ) w a s u s e da sc h a i ne x t e n d e rt oi m p r o v et h em o l e c u l a rw e i g h t t h ei n f l u e n c e o nm o l e c u l a rw e i g h to fr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，t i m e ，t h ek i n do fc a t a l y s t s w e r es t u d i e d t h ep r o d u c t sw e r ec h a r a c t e r i z e db vi r d s ca n dg p c t h e r e s u l t si n d i c a t e st h a tt h em o l e c u l a rw e i g h tw a si n c r e a s e dc l e a r l yu n d e rt h e c o n d i t i o no f17 0 ，o 0 9 m p a ，1o t d ia sc h a i ne x t e n d e rf o r1 5 h h y d r o x y a p a t i t e ( h a ) w e r es y n t h e s i z e db yd e p o s i t m e t h o da n d m i c o e m u l s i o nm e t h o df r o mc a ( n 0 3 ) 2a n dn h 4 h 2 p 0 4 t h ei n f l u e n c eo n s y n t h e s i so fh a o fr e a c t i o nt e m p e r a t u r e ，c a l c i n a t i o n st e m p e r a t u r ea n dp h v a l u eo fs o l u t i o nw e r es t u d i e d t h ep r o d u c t sw e r ec h a r a c t e r i z e db ys e m a n di r t h er e s u l t ss h o w e dt h a t h i g hq u a l i t y h ap o w d e rw e r e s y n t h e s i z e db yd e p o s i t m e t h o du n d e rt h ec o n d i t i o no fr e a c t i o n t e m p e r a t u r e30 a n dc a l c i n a t i o nt e m p e r a t u r e6 5 0 p o l y l a c t i d e a n d h y d r o x y a p a t i t e w e r eu s e dt o p r e p a r e p o l y l a c t i d e h y d r o x y a p a t i t ec o m p o s i t e s b a s e do ns o l u t i o n u l t r a s o n i c d i s p e r s i o nm e t h o d t h ep r o d u c t sw e r ec h a r a c t e r i z e db ys e ma n di r ，a n d t h em o l e c u l a rw e i g h tw a sd e t e r m i n e db yv i s c o s i m e t r y t h er e s u l t s s h o w e dt h a tc o m p o s i t e s = 15 9 5 0 ) w e r eo b t a i n e dw h e nh ac o n t e n tw a s 10 k e yw o r d s ： p 0 1 y c o n d e n s a t i o n c o p o l y m e r i z a t i o n ， p o l y l a c t i c a c i d ， s o l u t i o n p o l y c o n d e n s a t i o n ， m e l t ，p o l y l a c t i c a c i d p o l y e t h y l e n eg l y c o l ， m e l t 2 ，4 - t o l u y l e n ed i i s o c y a n a t e ，h y d r o x y a p a t i t e i v 符号说明 l a p l a p e g p l a p e g h a t d i m t l m n m w i r g p c d s c h 乳酸 聚乳酸 聚乙二醇 聚乳酸一聚乙二醇 羟基磷灰石 2 ，4 一甲苯二异氰酸酯 粘均分子量 数均分子量 重均分子量 红外光谱 凝胶渗透色谱法 示差扫描量热法 时间 v 聚乳酸的合成及改性研究 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。 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责任由本人承担。 论文作者签名：边选鱼 日 期：2 q q 墨生三月 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解陕西科技大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或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；本人授权陕西科技大学可以将本 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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。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。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 7 论文作者签名： 札导师签名：笔骘缈 期：必 聚乳酸的合成及改性研究 1 绪论 1 1 生物降解高分子材料概述 1 1 1 生物降解高分子材料的定义 生物可降解高分子材料按美国a s t m ( a m e r i c a ns o c i e t yf o rt e s t i n ga n d m a t e r i a l s ) 定义是指在细菌、真菌、藻类等自然界存在的微生物作用下能发生 化学，生物或物理作用而降解或分解的高分子材料t 】。它主要有两方面的用途： ( 1 ) 利用其生物可降解性，解决环境污染问题，以保证人类生存环境的可持 续发展； ( 2 ) 利用其可降解性，用作生物医用材料。这类材料可在生物体内分解，参 与人体的新陈代谢，并最终排出体外。 1 1 2 生物降解高分子材料的发展 早期的降解高分子，大多是在聚烯烃( 主要是p e ) 、脂肪族聚酯中混入少 量的淀粉以作为填充剂。但随着进一步的研究，人们对这种所谓降解高分子的 降解性产生了怀疑，材料中的淀粉成分被分解以后留下的聚合物碎片无法继续 降解，对环境仍有负荷，因此人们纷纷将注意力投向完全生物降解高分子的开 发研究1 2 。相比而言，天然高分子材料降解后几乎不留痕迹，最终降解产物无 毒无害，不会对环境产生二次污染。因此，基于天然高分子的开发研究得到飞 速发展，近年来在生物降解塑料部分替代通用塑料研究方面取得进展，在环保 材料和包装容器材料得到广泛应用，此外还在生物功能材料、生物医用材料等 具有独特应用。 1 1 3 生物降解高分子材料的分类 生物降解材料包括天然树脂和合成树脂。天然可降解材料是由可再生资源 人工合成制得的一种可降解高分材料，不可再生合成可降解塑料是以化工产品 为基础制得的。运用生物化工技术，国内外生产生物降解材料的技术已经趋向 成熟，推出了多种产品，主要包括淀粉类以及聚酯类，其中聚酯类包括聚乳酸、 聚羟基脂肪酸酯、聚己内酯和聚丁二酸丁二醇酯等。芳香族聚酯有很好的材料 性能，但很难被微生物降解，对于脂肪族聚酯来说，其通常是由二醇和二羟基 通过缩聚反应而成，可以在土壤和水中完全生物降解，但是提高其物理机械性 能和降低成本成为当务之急。 1 1 4 生物降解高分子材料的展望 生物降解高分子材料在制备和加工上存在的问题使其价格高昂，但是为了 最大限度地保护资源和环境，留给后代一个健康的生存空间，生物降解高分子 陕两科技大学硕+ 学位论文 材料的发展前景不会因暂时的价格障碍而停滞，相反这正说明我们还有很多问 题需要好好研究，我们才刚刚开始。 生物降解高分子材料的用途并不仅仅在于需求量大，而且在很多需求量不 大，性能远比价格更重要的领域也有广泛的应用，如医药食品工业、旋光异构 化学物质的基质材料，甚至可以用于光电器械。相信随着技术的进步，公众环 保意识的进一步增强，生物降解高分子材料的应用必将越来越广泛。 1 2 聚乳酸概述 乳酸( l a c t i ca c i d ) 是一种天然形成，具有广泛用途的有机酸，同时也是一 种可通过发酵或化学合成的方法制备的重要的化工产品。它存在于很多天然或 微生物发酵制品中，是大多数活生物体中基本的新陈代谢媒介。目前，乳酸主 要应用于食品工业中的酸味剂和防腐剂以及医药工业中的外用杀菌剂和内服 药品。由于具有广阔的应用前景，近年来乳酸及其聚合物慢慢浮出水面并日益 受到国内外的关注【】。 纯的无水乳酸为白色结晶固体，熔点是5 2 7 5 2 8 ，熔点较低。乳酸是 最简单的羟基酸之一，具有光学活性，但其很多物理性质都不受光学组成的影 口向。 0 ho h l ，c o o hh o o c 、，i h 。c h 3邺l h 图1 1 乳酸的两种立体异构形式 f i g1 1t w os t e r e o m e r so fl a 乳酸又名丙醇酸，学名a 一羟基丙酸，分子式为c 2 h 5 0 h c o o h 相对分子量 为9 0 0 8 ，相对密度在2 0 下为1 2 0 6g c m 一。乳酸有一个不对称的手性碳原子， 具有旋光性；乳酸易与水互溶；乳酸浓度达到6 0 以上时，具有很高的吸湿性； 主要的羟基反应包括氧化、缩聚、取代等。乳酸以两种立体异构形式存在( 图 1 1 ) ：l 一乳酸为右旋性，d 一乳酸为左旋性。 1 2 1 聚乳酸的物理及化学性质 聚乳酸( p l a ) 为浅黄色或透明的物质；玻璃化温度为5 0 6 0 。c ；熔点 17 0 18 0 ；密度约1 2 5 9 c m ；不溶于水、乙醇、甲醇等；易水解成乳酸。其 基本性质如下表【5 】： 2 聚乳酸的合成及改性研究 聚乳酸有三种立体构型：聚右旋乳酸( p d l a ) ，聚左旋乳酸( p l l a ) 和聚消 旋乳酸( p d l l a ) 。p d l a 和p l l a 是两种具有光学活性的有规立体构型聚合物， 2 5 时比旋光度分别为+ 15 7 0 ，一15 7 0 。t g 、t m 分别为5 8 和215 ，熔融或 溶液中均可结晶、结晶度可达6 0 左右。p d l l a 是无定形非晶态材料，t g 为5 8 ，无熔融温度。结晶性对p l a 材料力学性能和降解性能( 包括降解速率、 力学强度衰减) 的影响很大。p l a 脆性高、冲击强度差。无定形的p d l l a 的力 学强度明显低于p l l a ，用增强工艺制备的p l l a ，p d l l a 棒材的最大弯曲强 度分别是2 7 0m p a 和14 0m p a ，p l l a 几乎是后者的2 倍。结晶使降解速度变 慢，p d l l a 材料在生理盐水中降解，分子量半衰期一般3 10 周，p l l a 至少 为2 0 周，分子量增大，p l a 的力学强度提高，作为成型制品使用的聚合物分 子量至少要达到10 万。p l a 材料的一个突出优点是能用多种方式进行加工， 如挤出、纺丝、双轴拉伸、加工过程中分子定向不仅会大大增加力学强度，同 时使降解时间变慢。 1 2 2 聚乳酸的结构 丙交酯为乳酸的二聚体，由于丙交酯有2 个不对称的手性碳原子，3 种立 体异构体，开环聚合得到的聚乳酸也有不同的结构，其通式如下： 9c h 39c h 3 手芑一拉o 一邑一占生。斗 、 占山 。n hh 3 陕两科技大学硕士学位论文 由各种催化剂催化丙交酯开环聚合而成的聚乳酸结构如图1 2 【6 ，】： 奠一t 。夺。也 一l 。夺。小 篁三瑟_ 夺 疋叠三_ f 。 o f 。 疋 o 0 _ 斗谁 图i 2 丙交酯开环聚合而成的聚乳酸结构 f i g1 2t h es t r u c t u r eo fp l af r o mt h er i n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o no fl a c t i d e 由此可见：丙交酯在一定条件下开环聚合，可得到全规、间规、杂规及不 规则的聚乳酸。 1 3 聚乳酸的合成 由乳酸合成聚乳酸主要有两条途径：开环聚合法和直接缩聚法。 1 3 1 开环聚合法 开环聚合法是先将乳酸缩聚为低聚物，低聚物在高温、高真空等条件下发 生分子内酯交换反应，解聚为乳酸的环状二聚体一丙交酯。丙交酯经过精制提 纯后，由引发剂催化开环得到高分子量的聚合物，辛酸亚锡、氧化锌等许多化 合物都可以催化这个开环过程。 4 v 特 影：三： 文三 q 恺 影：i i i 。卜一 占：一 r 。稍 o n q眇i。 。卜c 0 ，： 专：一 9 慷 影：兰： 。奎： ：一 聚乳酸的合成及改性研究 一p o 一十雕一。一。歹一十占c h h 二亘一。t c h r l a c t i ca c i d o l i g o m e r c h 3 l a c t i d e p o l y ( 1 a c t i ca c i d ) 图1 3丙交酯开环聚合 f i g1 3r i n g - o p e n i n gp o l y m e r i z a t i o no fl a c t i d e 此方法中要求高纯度的丙交酯，通常采用重结晶法制备。该方法路线长、 工艺复杂，导致聚乳酸的价格高，难以与通用塑料竞争。 1 3 2 直接缩聚 乳酸同时具有一o h 和一c o o h ，是可以直接缩聚的。p l a 直接缩聚原理如 下： c h 39,c；h39 n h 旷c h c o h = h o _ e c h c c l 二kh + ( n 一1 ) h 2 0 直接合成法要获得高分子量的聚合物必须注意以下三个问题：动力学问 题、水的有效脱出、抑制解聚。关于水的有效排除，我们通过使用沸点与水相 近的有机溶剂( 能与水形成低沸点的共沸物) ，在常压下反应带走聚合产生的小 分子，使平衡向着生成聚乳酸的方向移动。 为了提高反应程度以及提高聚乳酸的分子量，一般可采用延长反应时间， 提高反应温度( 限制在分解温度之下) ，尽量排除生成的低分子物质，使用良 性催化剂和活性单体等方法。 1 4 聚乳酸的改性 1 4 1 共聚法改性 随着聚乳酸应用领域的不断扩展，单纯的均聚物已不能满足人们的需要， 特别是在高分子药物控制释放体系中，要求对于不同的药物有不同的降解速 度，同时对于抗冲击强度、亲水性有更高的要求。这使得人们开始将乳酸与其 它单体共聚改性，以调节共聚物的分子量、共聚单体数目和种类来控制降解速 度并改善结晶度、亲水性等。由于在乳酸分子中含有羟基和羧基，生成的聚乳 酸含有端羟基和端羧基，所以常见的聚乳酸共聚物是聚酯一聚酯共聚物、聚酯一 聚醚共聚物以及乳酸和有机酸、酸酐等反应生成的共聚物。 陕两科技大学硕十学位论文 1 4 1 1 线型结构的共聚物 聚酯一聚酯共聚物是目前聚乳酸共聚物中最多的一种。人们将多种酯类和 丙交酯共聚制得了不同用途的产物，其中涉及的机理主要是将共聚单体制成环 状化合物，再开环聚合生成不同单体间的交替共聚物。m i l l e r 等【8 】研究发现用 乙醇酸生成乙交酯( g l y e o l i d e ，g a ) 再和乳酸开环聚合，能使降解速率比均聚物 提高10 倍以上，并且可以通过改变组分的配比来调节共聚物的降解速度。沈 正荣等【9 】合成了d ，l 一3 一甲基一乙交酯，并用辛酸亚锡为催化剂进行开环聚合， 生成了p l a 和p g a 的交替共聚物，该共聚物结构规整，组成固定，改善了p g a 均聚物不溶于一般有机溶剂的缺点。 武汉大学的范昌烈等【1 0 】将乳酸与磷酸酯共聚作为缓释药材料和药物载体， 由于人的体内含磷酸酯和聚磷酸酯，所以该材料具有良好的生物相容性，同时 还被赋于了类似天然物质的性质。它是以共聚物为高分子药物载体、5 一氟尿嘧 啶( 5 - f u ) 为药物模型，经大分子反应得侧链含5 一f u 的乳酸一磷酸酯共聚物。 聚醚一聚酯共聚物也是比较常见的聚乳酸共聚物。由于聚乳酸是疏水性材 料，而且不够柔软，缺乏弹性，在作为某些医用材料时往往不能满足要求，因 此人们将可水溶性的醚段和聚乳酸结合在一起生成了聚醚一聚酯共聚物，克服 了这一缺点。文献报道中通常将聚乳酸作为硬段和作为软段的乙二醇或丙三醇 结合在一起】。b a z i l e 等 1 2 1 用单甲氧基聚乙二醇醚的钠盐作引发剂引发l a 开 环聚合制得聚醚一聚酯双嵌段共聚物。邓先模等分别用氧化亚锡i t 3 、烷基铝复 合催化剂】、大分子引发剂【”】制得了聚乙二醇与己内酯或l a 嵌段或多嵌段共 聚物。并发现可以通过调节疏水和亲水链段的组成来控制降解速度、亲疏水性 以及相对分子量等。邓先模制得的聚乙二醇( p e g ) 和l a 开环聚合生成的 p e g p l a 共聚物，具有亲水性和柔软性，可用作药物控释体系中的表面活性 剂、微球表面修饰剂，。除了生成聚酯一聚酯和聚酯一聚醚共聚物之外，聚乳酸 还可与酸酐、葡萄糖、淀粉等共聚。曹雪波【- ，】等将马来酸酐( m a d ) 作为改性单 体和聚乳酸共聚。马来酸酐是一种可在人体内正常代谢的多官能团物质，改性 的过程是将马来酸酐的双键和聚乳酸适当地交联，从而使聚乳酸的性能发生较 大的变化，酸酐键可增强亲水性而交联可增强力学性能。曹雪波等i t 7 研究了随 马来酸酐和聚乳酸质量比的不同，材料性质所发生的变化。发现聚乳酸和马来 酸酐质量比大于1o 时，材料仍较好地保持着弹性体的性质，压缩模量也得到 了提高，特别是在质量比等于10 时，压缩模量提高得更明显。 聚乳酸材料被引入药物控释体系后，为改善其性能，如亲水、疏水性，人 们常用乙二醇与其共聚，但聚乙二醇本身不能在人体内降解。葡萄糖是组成壳 6 聚乳酸的合成及改性研究 多糖等的一种单糖，其寡糖己作为保健品供应。张国栋i ts 等以1 ，4 ，6 位羟基被 保护了的葡萄糖衍生物苄基一2 一乙酰氨基一4 ，6 一o 一亚苄基一2 一脱氧一吡喃葡萄 糖苷( b g d ) 和辛酸亚锡组成引发体系对l a 引发聚合，从而生成两端有葡萄糖 衍生物b g d 封端的聚乳酸，并对其化学结构进行了表征。邵琼芳d g 等根据甲 基硅油无毒、生物相容性好以及能促进药物吸收与释放等特点，将含氢硅油与 丙交酯在辛酸亚锡催化下共聚反应，以得到新型生物降解材料用于缓释药物的 外包裹材料和其它医用材料。 1 4 1 2 接枝共聚物 淀粉和淀粉衍生物的脂肪族聚酯接枝共聚物是一类可完全生物降解的高 分子材料。对于这类聚合物材料的合成、性质和应用进行研究，对解决废弃塑 料对自然环境的污染具有重要的现实意义。由英才【：o 】等以淀粉为接枝骨架，d ， l 一丙交酯为接枝单体，在无水l i c l 存在下，合成了淀粉一d ，l 一丙交酯接枝共 聚物。降解实验表明，该接枝共聚物能够被酸碱及微生物完全降解，防水实验 表明，该接枝共聚物具有优良的防水性能。一般为了改善聚乳酸的亲水性，常 用亲水性的低聚物或单体如聚乙二醇( p e g ) 、甲基丙烯酸羟乙酯( h e m a ) 、氨基 酸和多糖类等与聚乳酸共聚。而罗丙红1 2 1 1 等根据乙烯基吡咯烷酮( p v p ) 亲水性、 血液相容性和生物相容性均较好的特点，以过氧化二苯甲酰为催化剂，四氢呋 喃为溶剂，将p v p 直接在聚乳酸上接枝共聚，在p l l a 上引入了亲水性的p v p 支链。测试结果表明，摩尔接枝率为1 6 时，亲水性有所改善。 1 4 1 3 含有部分交联结构的聚乳酸 以多官能团为引发剂或起始剂可以制备多臂和星形共聚物，常用的交联剂 是多官能度的酸酐或多异氰酸酯。t e v s s i e t 2 2 1 等以含烯基的有机铝化合物间苯三 酚铝盐作为引发剂引发丙交酯开环聚合，制得了三臂共聚物。朱康杰1 2 3 1 等以三 乙醇胺、季戊四醇作为起始剂与丙交酯分别合成了三臂、四臂共聚物。 1 4 2 扩链法改性 在聚乳酸类生物降解材料的扩链法合成中，一般先由丙交酯或乳酸出发合 成预聚体，再用二异氰酸酯等进行扩链。 1 4 2 1 丙交酯开环聚合- - 异氰酸酯扩链法合成 丙交酯开环聚合- - 异氰酸酯扩链法合成聚乳酸衍生物是一个常见的方法， 一般用含有二个羟基以上的化合物使丙交酯开环，合成羟基封端的聚丙交酯预 聚体( 聚丙交酯醇) 后，再使用不同的二异氰酸酯类扩链剂进行扩链，可以合成 医用生物降解材料。其中，较常用的二异氰酸酯有二苯基甲烷二异氰酸酯 ( m d i ) ，4 ，4 一二环己基甲烷异氰酸酯( d e s ) ，2 ，4 一甲苯二异氰酸酯( t d i ) ，异 7 陕两科技大学硕士学位论文 佛尔酮二异氰酸酯( i p d i ) ，六亚甲基二异氰酸酯( h d i ) 和赖氨酸二异氰酸酯 ( l d i ) 等( 见图1 4 ) 。 o c m d i i p d l c o n c oo c d e s n c o o c t d n c o 。c p m 悯。c a 人c 。2 e 。 h d il d i 图1 4 常用二异氰酸酯类扩链剂的结构 f i 9 1 4t h es t r u c t u r eo fd i i s o c y a n a t ec h a i ne x t e n d e r n c o 早在19 8 2 年就有报道【：】，利用二羟基封端聚丙交酯( 聚丙交酯二元醇) 与 m d i 、t d i 、d e s 和h d i 等扩链剂扩链，得到线型的聚乳酸类降解材料，用于 同聚丙交酯类聚合物共混而制备多孔渗水的生物医学材料。1 9 9 4 年，s t o r e y 等 【z s 】报道以三羟甲基丙烷( t m p ) 为引发剂，使d ，l 一丙交酯开环均聚，或使d ，l 一 丙交酯与三亚甲基碳酸酯开环共聚，得到三羟基封端的预聚体( 聚丙交酯三元 醇) ，与t d i 扩链后可以合成无定型的生物降解网状材料。 在国内，吴之中【：s 】通过控制p e g 用量，将丙交酯开环制成p l a p e g 嵌段 预聚体，m d i 扩链后再用t m p 交联，合成出系列聚氨酯型弹性体，用它可以 制得符合要求的可降解尿道支架管用弹性材料。宋谋道等【2 7 】也利用p e g p l a 预聚体，通过与t d i 、t m p 的反应合成了交联弹性体，动物实验表明加工后的 弹性体管材能满足尿道支撑管的要求。2 0 0 0 年，张艳红等【2 8 】报道了乙二醇开环 的低分子量聚d ，l 一丙交酯、聚己内酯齐聚物、t d i 等三者的扩链反应，合成 了具有一定强度和韧性的弹性体，其性能可以满足临床颌骨固定的要求，避免 了在骨科固定材料方面直接使用p l l a 因体内降解缓慢而引起不良反应的缺 陷。 上述二异氰酸酯的扩链产物虽然力学性能、降解性能等符合医用材料的要 求，但是在生理安全方面考虑不足，因为聚乳酸衍生物中的二异氰酸酯扩链部 分，降解时最终产物是二异氰酸酯对应的二胺，或多或少都具有生物毒性，如 用m d i 时生成的4 ，4 一亚甲基二苯胺有毒，在人体内它能导致肝炎【2 9 】。因此， 8 聚乳酸的合成及改性研究 从“绿色化学”的观念【2 】出发，使用安全性高的二异氰酸酯等“绿色试剂” 3 0 1 合成 完全无毒聚乳酸类材料很有必要。 目前，人们使用的二异氰酸酯中，仅l d i 可以称为“绿色试剂”，因为l d i 扩链部分最终的降解产物是乙醇、赖氨酸等，是无毒且生物相容的【，o 】。19 8 8 年， b r u i n 等【】率先报道了“绿色试剂方面的探索，用l d i 扩链了由肌醇、l 一丙 交酯、一已内酯生成的星形预聚体。由于不仅l d i 是“绿色”的，而且肌醇是 人体内广泛分布的一种维生素，l 一乳酸、6 一羟基己酸等是可降解生物医学材料 的合成原料，因此合成的聚乳酸类网状弹性体材料降解后是完全无毒的。荷兰 学者这种设计、合成高分子的绿色化学观念，今天仍值得注意。用丙交酯开环 聚合- - 异氰酸酯扩链法，s t o r e y 等【2 9 】也使用“绿色试剂”l d i 合成了聚乳酸衍 生物。当使用甘油开环的聚d ，l 一丙交酯三元醇预聚体时，可生物吸收的网状 材料是刚性的，水中降解实验表明其6 0 天内质量和物理性质几乎没有变化，适 宜于长期使用；如果用甘油射发d ，l 一丙交酯、一己内酯的混合单体开环，共 聚的预聚体扩链后，聚乳酸衍生物的韧性可以提高。他们( 3 2 1 还利用l d i 与聚d ， l 一丙交酯三元醇的扩链产物为基体，以高结晶性的聚乙醇酸纤维为增强材料， 制备了无毒的、可生物吸收的骨科固定复合材料。由此可见，用丙交酯开环聚 合- - 异氰酸酯扩链法，可以依预聚体羟基封端数的不同而合成线型或网状聚乳 酸材料。然而，不足的是扩链剂l d i 的合成路线复杂，使其来源较其他二异氰 酸酯类困难。同时，丙交酯的制备成本高、工艺流程长，也给丙交酯开环聚合 - 异氰酸酯扩链法的应用带来不便。 1 4 2 2 乳酸直接聚合z 异氰酸酯扩链法合成 乳酸直接聚合二异氰酸酯扩链法合成聚乳酸衍生物，即用乳酸单体直接合 成羟基封端的预聚体，再使用各种扩链剂( 如二异氰酸酯类) 进行扩链。乳酸可 以在溶液中( 溶液聚合) 或无溶剂的熔融状态下( 熔融聚合) 直接进行均聚或共聚 得到预聚体。 ( 1 )以聚乳酸均聚物为预聚体的扩链法合成 l9 9 5 年，w o o 等1 3 3 ) 最先报道了乳酸均聚物为预聚体的扩链研究，经熔融聚 合获得的m 矿为1 1 万的p l l a ，采用h d i 为扩链剂在1 6 0 氮气氛下扩链1 0m i n ， 聚乳酸衍生物m 形达到7 6 万，分子量随一n c o 一o h 摩尔比的增加而增大。在国 内，钟伟等【，】报道了熔融聚合生成的p l l a ，以h d i 扩链2 0 m i n ，聚合物m 由1 0 1 万增加到7 2 万；以m d i 扩链1 3 5 ) ，17 5 反应4 0m i n ，m 缈从o 9 8 万增加到5 7 万， 得到具有良好耐热性的生物降解材料。乳酸均聚物也可通过溶液聚合法合成。 钟伟等【3 4 】研究了溶液聚合生成p l l a 的扩链反应，以h d i 扩链，m 从2 6 万增加 9 陕两科技大学硕士学位论文 到14 2 万，发现扩链后的分子量分布也变宽，与乳酸熔融聚合- - 异氰酸酯扩链 法的反应规律一样。2 0 0 1 年，封瑞江等。，也报道了直接聚合聚乳酸的扩链反 应及扩链产物的降解性能，分别用熔融聚合、溶液聚合时分子量最高的聚乳酸 为原料，依次用h d i 、由琥珀酸酐和乙二醇胺自行合成的三官能团异氰酸酯 s d i 、m d i 、t d i 扩链，脂肪族二异氰酸酯( h d i 、s d i ) 扩链效果更明显，特别是 s d i ，m 为2 6 万的溶液聚合聚乳酸扩链后，分子量增加到16 万。 ( 2 ) 以聚乳酸共聚物为预聚体的扩链法合成 以乳酸共聚物为预聚体，h i l t u n e n 等 3 s - 4 5 1 从预聚体的合成到扩链后高分子的 降解等方面，对乳酸熔融共聚- - 异氰酸酯扩链法进行了深入研究。以乳酸与1 ， 4 一丁二醇直接熔融共聚的羟基封端预聚体为原料，用h d i 扩链得到热塑性的 p o l y ( e s t e r u r e t h a n e ) ( p e u ) ，当一o h 一n c o 摩尔比为1 ，反应1 0 0m i n 时，线型 p e u 的m 高达3 9 万，t g 为5 3 7 3 9 1 。 合成预聚体的单体影响着p e u 的性能，如果以扁桃体酸为第三单体合成预 聚体，由于苯环的刚性和空间位阻，扩链后p e u 的t g 显著上升，耐热性也提高， 但分子量增长很慢，且分子量分布变宽，部分产品形成长的支链和交联以致不 溶1 4 0 1 ；如果以一己内酯为第三单体预聚、h d i 扩链，可以合成一类新的可生物 降解的热塑性p e u 弹性体，这些无定形p e u 的t g 随着一己内酯含量的增加而下 降( 5 3 4 5 ) 4 1 1 。不同扩链剂也影响p e u 的性能，以乳酸、丁二醇共聚的预 聚体为原料，使用刚性的脂肪环二异氰酸酯，如i p d i 和d e s 时，分子量低于非 刚性二异氰酸酯h d i 的扩链产物，但t g 提高，且变脆【4 2 】。 最近，封瑞江等1 4 6 一s l 也研究了乳酸熔融共聚- - 异氰酸酯扩链法，通过乳酸 和甘油的直接缩合，合成了一系列不同乳酸甘油( 摩尔比) 的预聚体，h d i 扩链 后得到了可降解交联网络材料。新法由乳酸直接缩聚合成了聚氨酯，反应过程 简单，可以降低传统的丙交酯开环聚合- - 异氰酸酯扩链法的成本。 总之，乳酸直接聚合制备二异氰酸酯扩链的预聚体，比丙交酯开环聚合法 成本低，前者正在逐渐取代后者；而在乳酸直接聚合- - 异氰酸酯扩链法中，预 聚体无论是均聚物还是共聚物，采用熔融聚合法因具有操作方便的优势而被广 泛使用。 1 4 2 3 其他扩链方法合成聚乳酸类生物降解材料 除二异氰酸酯可以对羟基封端的聚合物扩链外，二酰卤也可以扩链。为了 改善聚合物的亲水性，p e n c o 等 4 9 5 0 研究了酰卤扩链的聚乳酸衍生物。使用二醇 ( 如聚乙二醇或双羟基封端的聚一己内酯) 的二氯甲酸酯，与乙醇酸和乳酸共聚 的p l g a 齐聚物反应，可以得到高分子量的多嵌段共聚物。通过改变起始的种 l o 聚乳酸的合成及改性研究 类和长度，以及p l g a 中的单体比，可以合成具有不同亲水性的产物，有利于 适应生物医学领域产品设计的特别需要。 环状含氧化合物也可使聚丙交酯扩链。g r i j p m a 等 s l 】报道，为了寻找骨科 固定材料，使用四官能团的二环二碳酸酯s p i r o b i s d m c ( 图1 5 ) 与聚l 一丙交酯 进行开环聚合，合成了均匀的生物降解p l l a 聚酯网状材料，可作为生物医学 领域的植入材料。由于s p i r o b i s d m c 合成的网状材料与线型p l l a 相比，具有 高拉伸强度和冲击强度，以及较低