（材料物理与化学专业论文）聚（dl）乳酸等通道转角挤压增强与降解性能研究.pdf

摘要 聚乳酸具有良好的生物相容性、生物降解性能，是一种有广泛应用前景的生物医用 高分子材料。通常，采用常规加工方法成型的聚( d ，l ) 乳酸，其机械性能不能满足临床 上的使用要求。本研究采用等通道转角挤压技术对聚( d ，t , - ) - 孚l 酸进行自增强研究，并测 试其增强后的降解性能。 在玻璃化转变温度t g 以上进行试验，对聚( d ，t , - ) - 孚l 酸进行三次等通道转角挤压增强。 采用电子万能试验机、d t a 、t g a 、s e m 等仪器对聚( d ，t , - ) - 孚l 酸进行性能测试和结构的 表征。将挤压前后的聚( d ，l ) 乳酸进行体外降解和热降解试验，分析试样降解性能的变 化。 结果表明：在近t g 处( t g 以上) 等通道转角挤压聚( d ，l - ) - 孚l 酸，其抗拉强度、弯 曲强度显著提高。随着挤压温度的提高，强度逐渐增大，当温度为7 5 时，强度达到最 大值：随着挤压次数的增加，力学强度逐渐增大。7 5 时试样挤压三次，其抗拉强度和 弯曲强度分别达到6 1 2 5 m p a 和1 8 2 m p a ，比压制试样分别提高了1 9 3 3 7 和9 7 8 3 。 对聚( d ，l ) 乳酸纵向分裂面进行s e m 分析，发现沿纵向方向形成了纤维结构，表明聚 ( d ，l ) 乳酸毛坯在等通道转角挤压中形成了较大的取向形变。对聚( d ，i ，) 乳酸进行d t a 分析发现，材料热性能稳定性提高。随着挤压次数的增加，样品的t g 和分解温度提高。 其中7 5 时挤压三次的样品，其t g 由5 7 提高到6 5 ，提高幅度最大。聚( d ，l - ) - 孚l 酸 的热失重温度在2 0 0 - - 3 0 之间。随着转角挤压次数的增加，聚( d ，t , - ) - 孚l 酸的热失重 开始温度逐渐增高，具有更高的热稳定性。体外降解试验中，聚乳酸首先发生分子量的 降解，降解形成的产物被包埋在聚乳酸试样中，还不能溶于外界的媒介，所以重量的损 失滞后于分子量的降解。随着降解的进一步进行，低聚物继续降解，产生相对较大的重 量损失。弯曲强度的衰减几乎与分子量的降解呈线性关系。对比等通道转角挤压前后的 试样，挤压次数的增加可以延缓聚( d ，l - ) - 孚l 酸的降解时间。 关键词：聚( d ，i 广) 乳酸；等通道转角挤压；增强；体外降解 a b s t r a c t p o l y ( 1 a c t i ca c i d ) ，a b i o m e d i c a l m a t e r i a l ，w i t h e x c e l l e n t b i o c o m p a t i b i l i t y a n d b i o d e g r d a b i l i t y , h a sab r i g h ta p p l i c a t i o nf u t u r e n o r m a l l y , p o l y ( d ，l - l a c t i d e ) i sm o u l d e db y c o m m o np r o c e s s i n gm e t h o d ，w h o s em e c h a n i c a la b i l i t yc a nn o ts a t i s f yt h ec l i n i cd e m a n d s o h e r ew ew i l lt a k et h ew a yo ft h ee q u a lc h a n n e la n g u l a re x t r u s i o n ( e c h o ) t op r o c e s s p o l y ( d ，l - l a c t i d e ) t oi m p r o v e i t sp r o p e r t i e s d e g r a d a t i o np r o p e r t i e sa r et e s t e db ye c a e t h ee x p e r i m e n to fm o u l d i n gp o l y ( d ，l - l a c t i d e ) i su n d e r t a k e ni nt h em e t h o do fe c a ei n t h r e et i m e sa b o v et ga n dt h et e s t so fp r o p e r t i e sa n ds t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c ss h o u l db eu s e d t h ea p p a r a t u s ，s u c ha se l e c t r o n i cm e c h a n i cm a c h i n e ，d t a , t g aa n ds e m p o l y ( d ，l - l a c t i d e ) i st e s t e di nv i t r od e g r a d a t i o na n dt h e r m a ld e g r a d a t i o ne x p e r i m e n t s t h e nt h e i rd e g r a d a t i o n c h a n g e sw e r ea n a l y s e d t h er e s u l t sa l ea sf o l l o w s t h em e c h a n i c a ls t r e n g t h so fp o l y ( d ，l - l a c t i d e ) a r eo b v i o u s l y i m p r o v e da tt gt h r o u g h o u te c a e t h em e c h a n i cs t r e n g t h so ft h es a m p l e si n c r e a s ew i t ht h e i n c r e a s i n gi ne c a et e m p e r a t u r e t h em e c h a n i cs t r e n g t hr e s e a r c h e dt h eb i g g e s ta t7 5 1 2b y e c a e w i t ht h ei n c r e a s i n go fe x t r u s i o nt i m ei t sm e c h a n i cs t r e n g t hg r a d u a l l ye n h a n c e s w h e n e x t r u d e da t7 5 cf o rt h r e et i m e s ，i t st e n s i l es t r e n g t ha n db e n d i n gs t r e n g t he i t h e rw a s 6 1 2 5 m p aa n d1 8 2 m p a ，c o n t r a s to r i g i n a l s a m p l e t h e m i m p r o v eb y 1 9 3 3 7 a n d 9 7 8 3 u n d e ra n a l y s i so fs e mo ft h el o n g i t u d i n a ls p l i ts u r f a c eo fp o l y ( d ，l - l a c t i d e ) t h er e s u l t i n d i c a t e dt h a tt h es a m p l eo fp o l y ( d ，l - l a c t i d e ) d e f i n i t e l yh a df o r m e di no r i e n t a t i o n u n d e r a n a l y s i so fd t a o fp o l y ( d ，l - l a c t i d e ) w ec o n c l u d et h a tw i t hi n c r e a s i n gt i m eo fe x t r u s i o n s ，t h e t ga n dt h ed e c o m p o u n dt e m p e r a t u r eo ft h es a m p l eh a v ee n h a n c e d d u r i n gt h ee x p e d m e n t ，t h e t go fs a m p l e ，e x t r u d e da t7 5 f o rt h r e et i m e s ，h a si n c r e a s e df r o m7 5 t o6 5 cw h o s es p a n i st h eb i g g e s ti n c r e a s e t h et h e r m og r a v i m e t r i ct e m p e r a t u r eo fp o l y ( d ，l - l a c t i d e ) s h o u l db e b e t w e e n2 0 0 0 c 一3 7 0 w i t ht h ei n c r e a s i n ge x t r u s i o nt i m e st h et e m p e r a t u r eo ft h e r m a l l o s t w e i g h tw a sg r a d u a l l yi n c r e a s e da n dp o l y ( d ，l - l a c t i d e ) t h e r m a ls t a b i l i t yw a si n c r e a s e d i n v i t r od e g r a d a t i o ne x p e r i m e n t s ，a tf i r s tm o l e c u l a rw e i g h tw a sd e g r a d a t e d ，d e g r a d a t i o np r o d u c t s w h i c he m b e d d e di nt h es a m p l ec a nn o td i s s o l v ei nt h eo u t s i d em e d i a s ow e i g h tl o s sl a g g e d b e h i n dm o l e c u l a rw e i g h td e g r a d a t i o n w i t ht h ef u r t h e rd e g r a d a t i o n ，o l i g o m e rc o n t i n u e dt o d e g r a d a t i o na n dw e i g h tl o s sw a sl a r g e r c h a n g eo fb e n d i n gs t r e n g t hh a dl i n e rr e l a t i o nw i t h m o l e c u l a rw e i g h td e g r a d a t i o n t h et i m eo fp o l y ( d ，l - l a c t i d e ) d e g r a d a t i o nw i l lb el o n g e r k e yw o r d s ：p o l y ( d ，l - l a c t i d e ) ，e q u a lc h a n n e la n g u l a re x t r u s i o n ( e c a e ) ，r e i n f o r c e m e n t ， v i t r od e g r a d a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津理工大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：2 拗签字日期：硼矿年3 月；日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 墨盗墨墨盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗墨三盘堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：王积 签字日期：2 0 0 了年3 月3 日 ， 刀甲f 月 ，磊件耨上 导 签 第一章绪论 1 1 生物降解高分子材料 1 1 1 生物材料概述 第一章绪论 按照第六届国际生物材料年会对生物材料的定义：生物材料是一种植入生物体活系 统内或与活系统相结合而设计的物质，它与生物体不起药理反应。生物材料一般是指生 物医学材料，是一类可对机体组织进行修复、替代、再生，具有特殊功能的材料。所以 也称生物医用材料( b i o m e d i c a lm a t e r i a l s ) 。生物材料的研究与开发，对于人类的健康、 生活、国家的经济前途以及社会的和谐发展具有重要的意义。现代医学的发展也日趋依 赖于医用装置和治疗手段的进步，也日趋具有“工程学”的色彩。生物材料是生命科学和 材料科学的交叉边缘学科1 1 j ，成为现代医学和材料的重要领域之一，反映了新材料发展 的时代要求，具有重大的社会效益和显著的经济效益。 生物材料包含的范围相当广泛，主要包括： ( 1 ) 硬组织的置换材料之一，长骨组织的修补，包括脊柱的固定等。 ( 2 ) 硬组织的置换材料之二，牙齿与关节，包括膝盖与散骨。 ( 3 ) 软组织的置换材料之一，不与血液接触的置入材料缝合线，人造皮肤与面部整 容等。 ( 4 ) 软组织的置换材料之二，与血液接触的置入材料，包括人工心瓣与人工心脏等。 除了上述的内容之外，还应包括近年来发展的生物活性高分子材料以及体外辅助高 分子材料，前面所述的都是生物惰性材料。本文所要研究的是生物活性高分子材料 ( b i o a c t i v ep o l y m e r ) 。即关于可降解的生物材料的研究与改性。 1 1 2 生物降解高分子材料 生物降解高分子材料( b i o d e g r a d a b l ep o l y m e r ) 是指能在生物体内被水解或酶解成为 能够被生物体所吸收的无毒小分子的物质。医用生物高分子材料，也称生物可吸收性 高分子材料( b i o a b s o r b a b l ep o l y m e r ) ，从生物降解的角度来说也叫生物可蚀性高分子材料 ( b i o e r o d a b l ep o l y m e r ) 。根据某些生物可降解高分子材料的降解产物在体内滞留时间长， 难以从体内排泄或代谢掉的特点，可将生物可降解高分子材料和生物可吸收高分子材料 加以区分。1 9 8 7 年，生物材料的定义一书把“生物降解 定义为“特定的生物活动 引起的材料逐渐被破坏 。以后，文献中把可降解材料定义为“在生物体内逐渐被破坏 最后完全消失的材料 1 2 j 。 生物降解高分子材料可分为三大类1 3 - 7 1 ：1 、天然高分子，即自然界大量存在的高分 子，如纤维素、淀粉、木质素、甲壳素、壳聚糖等生物体本身的主要活性成分；2 、微 第一章绪论 生物合成的高分子，如p h b v ：3 、合成高分子，即通过各种人工物理化学方法合成的生 物降解高分子，主要指脂肪族聚酯。 1 1 3 医用生物降解材料的发展 生物降解材料是近4 0 年迅速发展的新兴材料，首先从可吸收缝合线开始i 引。第一个 合成的可吸收缝合线是美国d a v i s & g e c k 公司在1 9 7 0 年以“d e x o n 商品名上市的聚羟基 乙酸( p g a ) 缝线。可降解的内植骨科固定装置与可吸收缝合线几乎是同时发展起来的。 6 0 年代初，开始应用植入体内的固定装置进行复杂的外科手术，辅助机体自我修复i 们。 不锈钢具有优良的力学性能，是当时主要的内植固定材料。但是不锈钢的强度和韧性远 大于人体骨，而且力学性能不能随骨愈合过程动态地变化，出现了医学上的“应力遮蔽一 现象，导致骨折部位的骨质疏松和自身骨退化。1 9 7 1 年，开始用可降解高分子材料做内 植的骨固定夹板。随着自体骨的愈合，可降解夹板的强度不断减弱，克服了应力遮蔽。 提高了自身骨修复效果。目前已有数种用降解材料制成的内植骨固定装置在临床使用。 近十多年，随着药物控释和组织工程技术的发展，可降解材料得到了迅速的发展，其应 用范围涉及到几乎所有非永久性的植入装置。 与非降解材料相比，降解材料要受到更严格的限制。理想的可降解生物材料应具有 多种综合性能：( 1 ) 具有生物相容性和生物安全性，聚合物及降解产物均无毒；( 2 ) 具有 需要的生物功能，如降解速度符合治疗要求；( 3 ) 力学性能、物理化学性能和生物性能可 调控，能通过调控分子结构达到指定的性能，不需要添加剂和辅料；( 4 ) 具有可加工性， 可通过常规的加工方法制得需要的装置；( 5 ) 原料来源和价格具有商品化的可行性。 近年来医用生物降解材料受到越来越广泛的关注，具有良好的应用前景。生物可降 解材料的研究有两大发展趋势： ( 1 ) 进一步改善已经用于临床的材料结构，以适应更多的应用需要，例如随着药 物控释和组织工程的发展，需要使已有的生物材料( 如聚乳酸和聚羟基乙酸) 具有反应活 性和亲水性，使力学性能满足临床需求，使生物降解性能更实用化； ( 2 ) 设计和合成具有特殊功能的材料是生物降解材料今后研究发展的另一大趋势。 低模量、高柔顺性、高强度的可降解纤维材料目前仍是空白。这类材料研究成功后可用 于制作高柔韧性单丝手术缝线，也可用于制备高柔软性导管。这将极大推动外科手术的 进步和医用纤维产业的发展。作为可吸收缝线，目前已有的产品在体内维持有效强度的 时间都不够长，不能够用于缝合愈合周期较长的部位；降解速度慢的聚合物虽然能维持 长时间强度，但是伤口愈合后缝线长时间不能吸收，容易留下斑痕。因此合成在体内能 保持较长时间强度并在伤口愈合后短时间内吸收的缝线材料，也是一个新的研究课题。 此外，耐辐射聚合物对于可降解材料的产业化具有重要战略意义，它将决定未来的植入 医用装置商业化前景。 1 2 聚乳酸的研究现状 随着医用生物材料受到越来越广泛的关注，作为医用生物材料新材料一生物可降解 第一章绪论 材料因其优异性能受到更为广泛的重视及临床运用。为了满足许多学者的研究及医疗上 的临床运用，越来越多的生物降解材料出现。 8 0 年代以来，虽然已经有几十种聚合物被提出作为可降解的生物材料，但迄今只有 几种被医药管理部门批准用于临床。已商品化的合成可降解生物材料包括聚羟基乙酸、 聚乳酸、聚二氧杂环已酮( p d s ) 和三亚甲基碳酸酯( t m c ) 等。聚乳酸作为一种典型的合 成生物材料，以其优越的生物相容性，良好的生物力学性能和适当的降解速度被认为是 最有发展前景的医用生物降解材料之【n 1 5 l 。 1 2 1 聚乳酸的结构特点 聚乳酸，也称聚丙交酯，是一种具有生物可降解的高分子聚酯材料，对人体无毒、 无刺激、生物相容性好。聚乳酸是以微生物发酵产物一乳酸为单体进行化学合成的，由 于乳酸是手性分子，以两种立体异构形式存如图1 1 ： h 姜 啪氓、i i i 一、 - c h c 、 图1 1 乳酸分子的两种立体异构形式 f i g 1 - 1t w ok i n d so fi s o m e ro fl a c t i ca c i d 乳酸有d - ( + ) 和l 广( ) 两种旋光异构体，等量的d ( + ) 和l - ( ) 两种异构体混合而成的 d ，l 乳酸不具有旋光性，因此有3 种不同旋光性的乳酸。丙交酯从旋光性看有4 种：( 1 ) 两个l 广乳酸分子脱水形成的丙交酯称为l l 丙交酯( 或简称为l 丙交酯) ；( 2 ) 两个d 乳酸 分子脱水形成的丙交酯称为d ，d 丙交酯( 或简称为d 丙交酯) ；( 3 ) 一个l 乳酸分子和一个 d 乳酸分子脱水形成的丙交酯称为内消旋d ，i 广丙交酯( 又称m e s o 丙交酯) ；( 4 ) 等量的l 和d 丙交酯混合，形成外消旋d ，l 丙交酯( 以下简称d ，l 丙交酯) 。如图1 2 所示： s ；戈 c 0 d e - ，c 摹父 l - n 挛酯d 一丙变酯 m e s o - 丙交酯 d ，l 丙交酯 图1 - 24 种不同旋光性丙交酯 f i g 1 - 2f o u rk i n d so fo p t i c a la c t i v i t yo fl a c t i d e 第一章绪论 四种丙交酯都可以单独聚合，也可以共聚。其中p d 蝴p l l a 是两种有规立构聚合 物，具有光学活性，聚合物链排列比较规整，有比较高的结晶度和机械强度，适合于需 要高机械强度和韧性的地方，比如缝合线、肘钉和矫形器件等。p d l l a 无光学活性，呈 非晶态，适用于作药物载体和松质骨固定材料，m e s o p l a 属内消旋，它是丙交酯中最 易水解、最难结晶的一种，最难提纯和保存。几种聚乳酸的基本性能如表1 1 所示： 表1 1 聚乳酸的基本性能【1 q 性能 p d l ap l l ap d l l a 溶解性可溶于二烷、氯仿、二氯甲烷等，但p d l l a 溶解性更好， 均不溶于脂肪烃、乙醇、甲醇等。 固体结构结晶性结晶性无定性 熔点 1 8 0 1 7 0 1 7 5 玻璃化温度 5 5 6 05 0 6 0 热分解温度 2 0 02 0 0 1 8 5 2 0 0 拉伸率 2 0 3 02 0 3 0 断裂强度u d 4 0 5 05 0 6 o 1 2 2 聚乳酸的发展 聚乳酸的研究和开发可追溯至j j l 9 3 2 年，美国著名的高分子化学家w h c a r o t h e r s 曾 对聚乳酸的合成做过报道，但他所得到的聚合物分子量低，机械性能差，实际用途不大。 1 9 4 4 年，f i l a c h i e n e 在h o v e y ，h o d g i n s 及b e g j i 研究的基础上，对当时聚乳酸的聚合方法进 行了系统的探索，但得到的聚合物分子量仍较低。 1 9 5 4 年，美国d u p o n t 公司采用不同于前人的聚合方法一间接方法制备出高分子量的 聚乳酸即制备丙交酯，除去副产物水，然后由丙交酯开环聚合得到聚乳酸。由于当时人 们对其性能认识尚不充分，聚乳酸未能进入实用阶段。1 9 6 2 年，美国c y a n a m i d 公司发现 用聚乳酸制作成的手术缝合线可被机体吸收，克服了以往用多肽制各的缝合线所具有的 过敏性，其降解产物乳酸、c 0 2 和水均是无害的天然小分子。1 9 6 6 年，k u l k a r n i 等l r 7 j 报 道了可生物降解的聚左旋乳酸( p 缝合线的合成。上述研究表明聚乳酸具有良好的生 物相容性及可生物降解性。 7 0 年代，聚乳酸在人体内的降解性和分解产物的高度安全性得到确认。1 9 7 1 年，聚 乳酸作为可吸收外科手术缝合线和可降解的体内植入材料及支撑材料等而受到人们的 重视。c u t r i g h t l l 8 】等也陆续进行了可吸收性生物材料在骨折内固定的动物试验研究，发 现材料机械强度不够，应用受到了限制。1 9 7 0 年，y o l l e s 等【1 9 j 报道了聚乳酸可广泛用作 体系药物控释体系的载体。 第一章绪论 1 9 8 7 年，k e n s l a g 等【2 0 1 采用四苯基锡为催化剂，制备出高分子量的p u a ，其力学 性能有了很大改善，聚乳酸作为骨折固定材料的研究开始显示出广阔的前景。 9 0 年代以来，由于环保的意识越来越强，人们对可降解材料，特别是可生物降解的 聚乳酸越来越重视，人们将注意力集中在聚乳酸的性能及合成技术和工艺改进方面，着 重进行改性及加工工艺的改进，这一时期的研究十分活跃，并取得了一定的成果。 目前，我国对聚乳酸的研究和开发尚处于实验室阶段，虽已取得一定的进展，但距 工业化生产还有很大的距离。而国外多家公司长期致力于这一领域的研究和生产，部分 产品已商业化，主要生产国家有日本、美国、德国。 1 2 3 聚乳酸在医学领域的应用及发展方向 聚乳酸是一种具有良好生物降解性和生物相溶性的合成高分子材料，在生物医学中 有着广泛的应用： ( 1 ) 骨科固定及组织修复 以聚乳酸为主体开发具有高强度的骨科固定材料在七十年代就己开始。1 9 7 1 年， k u l k a r n i 1 7 】等人将聚( d ，l ) 乳酸制成柱状固定装置，用于狗下颌骨固定。o u t r i g h t l l 8 】等也 相继进行了可吸收性生物材料骨固定的动物实验研究。但均因其强度不够，应用受到限 制。 在骨科固定方面，长期以来，骨固定材料采用金属材料制成，如：金属骨板和螺钉。 其缺点明显：如腐蚀作用、致敏作用( 皮炎、过敏性休克等) 、存在应力屏蔽而导致愈合 延迟以及需要进行二次手术取出植入物等。无疑增加了患者的痛苦。h a n sp i s t n e r 等对 聚乳酸在体内的长期植入作了研究，发现非晶态聚乳酸的降解速度和生物力学行为可以 符合可生物降解骨接合装置的需要。但是由于聚乳酸的绝对力学强度不够高，所以还不 适用于负荷较大的骨折内固定。r r m b o s 等对高分子量聚乳酸在骨折固定方面的长期 降解行为和组织反应作了研究，认为聚乳酸更适用于负荷较小的颌面部骨折部位的固 定，聚乳酸接骨板及螺丝固定颧骨骨折认为是有效的。对于骨骼的治愈，聚乳酸较长的 降解时间显得并不重要，因为，如果当骨骼愈合时聚乳酸能够很快消失，情况将会更为 理想。 ( 2 ) 手术缝合线 聚乳酸及其共聚物用作手术缝合线，由于其具有生物降解性，在伤口愈合后可被降 解吸收，无需拆线。1 9 7 5 年，p l g a ( l a g a ：9 0 1 作为手术缝合线投放市场，立即受 到医务工作者的好评。当p l a 纤维用作外科缝线时，局部炎症及异物排斥反应会随时 间而消失，并可以在缝线中掺入抗炎药物来进行抑制。另外，在缝合部位的各种大细胞 反应，如纤维细胞，组织细胞，原生细胞，毛细血管等组织反应，也会随着时间而逐渐 减弱。 ( 3 ) 药物控制释放体系 药物控制释放就是将药物包裹在材料中使药物通过扩散等方式在一定时间内以某 一速率扩散到环境中。 聚乳酸及其共聚物作为缓释药物的载体有两种情形：一是使用其作为药物胶囊，抑 第一章绪论 制药物吞噬细菌的作用，让药物定量持续释放，保持血药浓度相对平衡，减小药物对肠 胃等内脏器官的刺激和毒副作用；另一种是作为囊膜材料用于药物酶制剂、生物制品微 珠、微球的微型包覆膜，以每一粒珠的微型包覆形成更有效的控制药物剂量的平稳释放。 ( 4 ) 组织工程支架 组织工程是生物领域中迅速发展的新方向，其研究核心是应用生物学和工程学的原 理和方法研制具有生物活性的人工替代物来恢复、维持或提高组织和器官的功能。聚乳 酸作为组织工程支架材料，在早期通过在材料上培养组织细胞、并逐渐生长成组织器官， 与此同时，聚乳酸缓慢降解并最终消失，目前包括软骨、皮肤、神经、血管和肝、腱的 研究已经取得可喜的进展。 聚乳酸作为可降解生物材料，是当前生物医学工程领域中最为关注的课题之一。特 别是聚( d ，l - ) - 孚l 酸( p o l y d l - l a c t i ca c i d ) 以其优越的生物相容性，良好的生物力学性能和适 当的降解速度被认为是最有发展前景的生物医用材料【2 卜2 5 1 。其中，聚( d ，l - ) 乎l 酸作为骨 支架和骨替代生物医用材料时，它可在骨缺损期暂时替代骨组织，支持周围软组织。在 这个过程中，p d l l a 逐渐降解、吸收，同时机械强度下降，骨支撑功能逐渐减弱。目前， 国内外有p d l l a 应用于骨折内固定系统治疗犬下颌骨骨折报道1 2 6 1 ，以及p d l l a 螺钉用 于骨折内固定的临床病例 2 7 - 2 8 等，表明p d l l a 材料有广泛的医用前景。但p d l l a 植入 体内，机械强度不高、韧性差、强度衰减较快是其主要问题，仅可能作为轻质骨的骨折 内固定材料使用。 为了克服聚乳酸性脆、力学强度较低等缺陷，使其更好地满足某些医学领域的应用 要求，可以通过改性来改变可降解高分子材料的结构与性能。近期许多文献报道采用不 同的改性工艺对p d l l a 以及它的复合材料进行增强处理，而且均取得了一定的效果。 1 3 聚乳酸的改性研究 近几年，国内外对聚乳酸的改性研究很多，主要有化学改性、物理改性、制成复合 材料、加工自增强等几种方法。 1 3 1 聚乳酸的化学改性 ( 1 ) 共聚改性 聚乳酸的共聚改性是在聚乳酸主链中引入另一种分子链，使聚乳酸大分子链的规整 度下降、结晶度降低，以提高柔性和弹性。许多医学应用需要亲水性的聚酯材料，而聚 乳酸是亲脂性的。在亲脂性的聚乳酸主链中引入聚乙二醇等亲水性链段形成的共聚物具 有两亲性，可应用于药物控释载体、与血液接触的表面和组织粘合剂、释放亲水性大分 子药物如多肽和蛋白质药物等，使其在血液中的寿命大大延长。常用的改性材料有亲水 性好的聚乙二醇( p e g ) 、聚乙醇酸( p g a ) 及药物通透性好的聚e 一己内酯( p c l ) 等。 聚乳酸通过共聚在力学性能、功能反应性能等方面有很大的提高。 宋谋道1 2 9 j 研究了聚乳酸、聚乙二醇( p e g ) 共聚工艺，以辛酸亚锡为共聚引发剂，聚 合温度1 4 0 ，聚合时间3 0 h ，制得高分子量的p l a p e g p l a 嵌段共聚物。研究发现， 第一章绪论 p e g 的含量对共聚物物理、力学性能的影响很大。随着p e g 含量增加，玻璃化温度降 低，伸长率增加。p l a 与p g a 共聚得到聚乙丙交脂( p g l a ) 。p g l a 是一类具有良好 生物相容性的可降解性材料。赵耀吲刈等用乙交脂( g a ) 和l a 单体以一定摩尔配比 混合，通过共聚反应制得p g l a 。毕纠3 1 l 等成功地合成了乳酸和a 一氨基酸的共聚物， 并将其作为新型组织工程聚合物支架材料使用。 ( 2 ) 交联改性 交联改性是指在交联剂或者辐射作用下，通过加入其他单体与聚乳酸发生交联反应 生成网状聚合物改善其性能。p l a 用作骨固定材料时强度还不够高，适度的交联可以提 高其强度。交联剂通常是多官能团的的酸酐或多异氰酸酯。针对不同的情况，交联方式 及交联程度都会有所不同。 h u b b e l l 3 2 】研究了在辛酸亚锡作用下，双端羟基p e g 引发d l - l a 形成的三嵌段共聚 物再与丙烯酰氯反应来封端制得双功能团的大分子单体。m e t t e r s a t 3 3 1 等制备了聚乳酸 与聚乙二醇共聚物水凝胶，研究表明水凝胶的物理、力学性能在很大程度上依赖于凝胶 的交联密度。d u b o i s 驯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【3 5 】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。z h 柚g y e l i i 刈等利用右旋糖苷衍生物的亲水性和p l a 的疏 水性，在紫外光辐射下交联生成三维网状结构水凝胶。 1 3 2 聚乳酸的物理改性 ( 1 ) 共混改性 聚乳酸的共混是将聚乳酸和另一种高聚物进行一定的混合，以改善材料的脆性，提 高其力学性能。除了具有聚乳酸和高聚物固有的优良性能外，还可能在两种组分间某种 协同效应而呈现新的效应。 聚乳酸与聚乙烯、与热塑性淀粉共混应用较为普遍。葛建华【3 7 】等合成p l a p e 嵌 段共聚物p e b p u a 作为两相增容剂，降低分散相聚乙烯粒径尺寸，提高了形态稳 定性，增加了界面粘接力，共混后得到力学性能较好的共混物。热塑性淀粉( t v s ) 是一种 可生物降解大分子。在价格和耐久性等方面具有勿需质疑的优势【3 8 l 。 ( 2 ) 增塑改性 增塑改性即在高聚物中混溶一定量的高沸点、低挥发性的低分子量物质，从而改善 其机械性能和加工性能。通过研究经增塑后的聚乳酸的玻璃化温度、结晶温度、熔点、 弹性模量、断裂延伸率的变化可知，增塑剂的加入使聚乳酸大分子链的柔性提高，玻璃 化温度降低非常明显，其弹性模量下降，断裂伸长率提高，即在一定程度上韧性增加。 通过比较其变形量和弹性能可知，这些增塑剂可以改善聚乳酸的柔韧性、耐冲击性能。 目前，广泛研究用生物相容性增塑剂例如柠檬酸酯醚、葡萄糖单醚、部分脂肪酸醚、 低聚物聚乙二醇( p e g ) 、低聚物聚乳酸( p l a ) 、丙三醇来提高聚乳酸的柔韧性和抗冲击性 制3 9 1 。m a s s i m ob a i a r d o 【加l 等分别采用乙烯基三正定基柠檬酸脂( a t b c ) 和p e g 来增塑 p l a ，发现它们均有效地降低p l a 的玻璃化转变温度。李丽1 4 1 】等用小分子柠檬酸三丁 酯对聚d ，l 广丙交酯外增塑。研究结果表明，柠檬酸三丁酯具有较好的增塑作用，材料的 第一章绪论 韧性有较大的改善。 1 3 3 聚乳酸的复合改性 将聚乳酸与其它材料复合可克服聚乳酸的脆性，达到增强的目的，满足用作骨折内 固定物的用途。 ( 1 ) 聚乳酸与纤维复合 将聚乳酸基体与聚乳酸纤维通过纤维集束模压成型得到聚乳酸自增强材料；用碳纤 维增强1 4 2 】p u a 复合材料，其初始弯曲强度高达4 1 2 m p a ，模量达1 2 4 g p a ，具有相当的 承载能力；o k s m a n l 4 3 j 等用天然亚麻纤维增强p l a ，与传统用聚丙烯亚麻复合材料相比， 其制备方法类似，但复合物强度大大优于p p 亚麻复合材料；石宗利等先制得可任意调 控降解速率且具有良好力学性能、相容性能和毒理学性能的聚磷酸钙( c a l c i u m p o l y p h o s p h a t cc p p ) 纤维，然后以该纤维为增强材料研制出c p p p u a 软骨组织工程三 维连通微孔支架复合材料。 ( 2 ) 聚乳酸与羟基磷灰石复合 羟基磷灰石( m 心) 是人体骨骼的基本成分，与胶原蛋白和细胞紧密结合，连接软硬 组织，并引导骨的生长，但制成的多孔状羟基磷灰石的力学性质不适合用于骨移植，而 h a p 和p l a 的聚合，可到具有很高压缩强度和拉伸强度的复合材料，两者之间界面存在 化学结合力，在体内降解速度较慢，且具有各向同性的力学性能。将羟基磷灰石加入聚 乳酸的三氯甲烷溶液，在真空条件下挥发溶剂制备出的复合物相对密度增加，压缩强 度为9 2 3 m p a ，压缩模量为2 4 3 g p a ；t o s h i h i r 等通过热压含有聚乳酸和羟磷灰石纤维 ( h a f ) 的混合物制得陶瓷聚合物复合生物材料，加入少量的h a f 可以有效提高弹性模 量。目前，这种复合材料是一重要研究方向。 1 3 4 聚乳酸的加工自增强改性 自增强是指应用特殊的成型方法改变聚合物的聚集态结构，从而使聚合物材料得到 内在增强的效应。将自增强原理用于生物医用材料，通过对生物医用材料自增强处理有 望解决生物医用材料初始机械强度低、韧性差的缺陷。自增强材料内部大分子沿应力方 向有序排列，在化学键能一定的情况下，材料的宏观强度得到大幅度提高，从而提高材 料的强度。 t o r m a l a 4 4 1 最早使用自增强技术( s r 技术) 对p u a 进行加工，使材料强度提高到能 够实用化的水平。s r 4 5 - 4 t i l 技术主要是把纺丝制得的高强度纤维集束或编织以后，再在模 具中热压成型，或与p l a 基体复合热压成型，目前s r 技术制得的p u a 棒材、螺钉的 等弯曲强度在2 0 0 2 5 0 m p a 之间。但其加工工艺复杂，且p l a 对热不稳定，即使在低于 熔融温度下加工也不可避免的发生热解，相对分子质量大幅度下降。s r 技术中，熔融 纺丝、热压两个阶段都须经高温，相对分子质量的下降尤其突出。 挤出成型、热拉伸工艺的加工过程较s r 技术简单。m a t s u s e l 4 8 1 把挤出、热拉伸两种 方法结合使用制得了高强度棒材。在2 0 0 0 c 挤出成型制得棒材，弯曲、剪切强度分别达 第一章绪论 到1 7 0 m p a 和1 0 8 g p a ；再在1 0 0 下进行拉伸，强度与拉伸比成正比关系，拉伸比2 5 时，弯曲、剪切强度分别提高到2 4 0 m p a 和1 3 g p a | 4 9 1 。 崔宏祥1 5 0 j 等采用的等通道转角挤压增强工艺，较其它方法简单，挤压温度在玻璃化 温度左右，能通过调整加工条件在一定范围内控制材料性能。制备的p d l l a 试样弯曲 强度由8 3 3 m p a 增加到1 7 8 7 m p am p a 。试验显示，随挤压次数增加，材料强韧性提高。 原始试样弯曲断口呈脆性断裂，强韧化挤压后，断口呈典型韧性断裂特征，韧性明显提 高。 1 4 等通道转角挤压技术( e c a e ) 1 4 1e c a e 技术原理 图1 3 是e c a e 技术的原理图。e c a e 挤压模具内有两个截面相等、以一定角度相 交的通道，两通道的内交角为由，外接弧角为1 l r 。挤压时首先将润滑良好的挤压毛坯放入 垂直通道内，然后由上部的挤压凸模向下运动进入凹模通道，继续下压，推动挤压毛坯 向下移动由垂直通道进入转角的第二通道，材料在经过通道转角时产生近似理想的剪切 变形。由于不改变材料的横截面形状和面积，故反复挤压可使各次变形的应变量累积叠加 而得到相当大的总应变量。 p l u n 群 r 图1 - 3 等通道转角挤压原理图 f i g 1 - 3p r i n c i p l ed i a g r a mo fe c a e e c a e 技术事通过简单的剪切变形，产生严重的塑性变形得到大的应变量，从而 提高材料的力学及其它性能。模具的巾角和1 l r 角对单次e c a e 过程得到的应变量具有决 定的作用。由s e g a l 5 1 j 及其合作者对e c a e 的研究得出，一次e c a e 过程中施加于工件 上的压力在不考虑摩擦的情况下可由下式表示： p 。放c o t 至 2 ( 1 1 ) 第一章绪论 其中k 为材料的剪切应力，巾为两通道的内交角，单次剪切应变可由下式表示： 有效应变为 ，2 c o t 嘿+ 争+ 妒c o s c 芝+ 争 ( 1 2 ) 暑。老。万1 卜c 詈+ 争+ 妒c o s 即c 詈+ 纠 m 3 ) 表1 2 显示不同模具转角的单次e c a e 过程对材料的应变量及传统的加工方法得到 相同应变量下的等效截面比和等效截面变化率之间的对应关系。 表1 2 不同转角下材料的对比参数 模具转角 压力与流等效截面 动应力比 应变增量等效面积等效延伸 ( 2 巾)( y )比( e r r ) 变化率 率( e e ) ( p y )( e a r ) 1 5 0 。o 2 7o 3 11 3 73 03 7 1 2 0 。0 5 8o 6 81 9 54 99 5 9 0 。1 0 01 1 53 26 92 2 0 从表1 2 可见，材料在低挤压力下达到大的剪切应变。单次e c a e 过程所得到的应 变，随着巾角的增大而减少。当模具转角为9 0 。时，一次转角挤压后材料应变增量是 1 1 6 ，相当等效截面比为3 2 ，或相当等效截面变化率为6 9 和等效延伸率为2 2 0 ；且 单位挤压力仅为材料的流动应力；与传统挤出相比，等通道转角挤压的挤压力很低。 由于挤压毛坯的横截面积和形状与挤压前基本相同，因此可以实施多次e c a e 过 程，得到大的应变量，满足材料性能的需要。由1 w a h a s h i 5 2 j 等人计算的结果，第n 次所 得到的应变量如下式所示： ”击卜妄+ 争卿c 詈+ 纠 4 ， s t o l y a r o v 等人【5 3 】根据试样在每次放置中旋转的角度不同，对e c a e 定义了四种动 作路径，如图1 4 所示： 第一章绪论 p ( a ) 挤压方式a p p p ( b ) 挤压方式b a p ( c ) 挤压方式b c p ( d ) 挤压方式c 图1 _ 4 挤压加工路线示意图 f i g 1 _ 4t h es k e t c hm a p o fe c a er o u t e s 角 第一章绪论 ( a ) 挤压方式a 为各道次之间试样的挤压方式没有变化，以相同的挤压方向进行下 一次转角挤压。结果多次转角挤压后材料的塑性变形被不断地积累，产生大的剪切应变。 这是因为材料以相同的挤压方向进行多次转角挤压，材料的组织结构发生变化，形成薄 层状的晶粒结构组织，晶粒被细化； ( b ) 挤压方式b a 为试样在每个道次之后以其加载方向为轴交替旋转9 0 。； ( c ) 挤压方式b c 为试样在每个道次之后以其加载方向为轴旋转+ 9 0 。或一9 0 。以 b a 和b c 两种挤压方式交错挤压。结果多次转角挤压后材料以两个正交方向被拉长，大块 材料产生强烈的纤维状组织结构。这种本材料结构通常在传统的拉伸和固态挤压工艺中 出现； ( d ) 挤压方式c 为试样在每个道次之后以其加载方向为轴旋转1 8 0 。，结果奇数次转 角挤压后材料产生塑性变形；而偶数次转角挤压后材料恢复到原始的结构形式。但是经