（生物医学工程专业论文）聚羟基丁酸酯基纤维改性及酶降解动力学研究.pdf

示：t 一水解时间( m i n ) ； e o 卜一溶菌酶的初始浓度( m g m 1 ) 。 通过酶浓度与降解速度闻的关系，验证了f r e u n d l i c h 笱温效应公式中对n 值的预测，从而也证明了v = k k l e l “用予对不可溶底物酶降解过程的正确性。 关键词：聚羟鏊丁酸酯，聚乳酸，共糨改性，象永性，降解 i l a b s t r a c t t h eu s eo fb i o d e g r a d a b l ep o l y e s t e ra st r a n s p l a n tb r a c k e t ，w h i c hr e p r e s e n t a t i o ni s p o l y ( 1 a c t i d e ) ，h a sr a p i d l yb e c o m eaf a s c i n a t i n gf i e l do fr e s e a r c hi nt i s s u ee n g i n e e r i n g p o l y ( l l a c t i d e ) a n dp o l y ( b - h y d r o x y b u t y r a t e ) p o s s e s se x c e l l e n tp r o p e r t i e s ，s u c h a s g 文撼b i o c o m p a t i b i l i t y , b i o d e n ”a d a b i l i t ya n d m e c h a n i c a ls t r e n g t h ，w h i c hs u g g e s ts t r o n g a p p l i c a t i o np o t e n t i a l si n t i s s u ee n g i n e e r i n g i nt h i s p a p e r , p o l y ( l l a c t i d e ) a n d p o l y ( $ 一h y d r o x y b u t y r a t e ) w e r e b l e n d e da n ds p u n ，a t t e m p t i n gt o i m p r o v e t h e h y d r o p h i l i c i t y ，h i g hc r y s t a l l i z a t i o na n d s l o wd e g r a d a t i o n t h em a t e r i a l sb r i t t l e n e s sa n d d e g r a d a b i l i t yw e r ei m p r o v e db ya d j u s t i n g t h er a t eo fb l e n d i n g ，i na d d i t i o n ，t h e h y d r o p h i l i c i t yo ff i b e rw a sd e s i g n e db yb l e n d i n gb i o c o m p a t i b l ep o l y m e r ，s u c ha s p o l y ( e t h y l e n eo x i d e ) a n dp o l y ( l l a c t i d e c o a m i n o p h e n 0 1 ) ，t h ei n f l u e n c ef a c t o r so n d e g r a d a b l ev e l o c i t ya n d t h ef i b e r se n z y m ed e g r a d a t i o nk i n e t i c sw e r ea l s os t u d i e d t h ec o m p a t i b i l i t yo fb l e n d i n gw a si n v e s t i g a t e db yt e s t i n gg l a s st e m p e r a t u r e ， w h i c ha c c o r d e dw i t ht h ef o xe q u a i o n t h et o p * q u a l i t yf i b e rc a nb ep r o d u c e du n d e rt h e c o n d i t i o na s ：s p i n n i n gf l u i dc o n c e n t r a t i o n6 。a p p a r e n tv i s c o s i t y7 4 0m p a s 。s p i n n i n g d i et e m p e r a t u r e2 5 。c ，t h eh e a ta i rt e m p e r a t u r e5 0 。c 5 5 。c ，a n dw i n d i n gs p e e d2 84 8 m e t e rp e rm i n u t e + d r a wr a t i o3 ，d r a w i n gt e m p e r a t u r e1 10 ，t e n s i o n s e t t i n g t e m p e r a t u r e9 0 ca n dt h e r m a ls e t t i n gt i m e2 5m i n u t e t h ed e g r a d a b l ep r o p e r t i e so ff i b e rw e r ei n v e s t i g a t e db yt h ew e i g h tl o s s ，t h e d i f f e r e n c eo f m e c h a n i c a lp r o p e r t y ，c r y s t a l l i z a t i o na n da p p e a r a n c e d u r i n g t h e d e g r a d a t i o n w i t hd e g r a d a b l et i m ei n c r e a s i n g ，t h ew e i g h tl o s so ff i b e ri n c r e a s e d ，b u t t h es t r e n g t ha n de l o n g a t i o na tb r e a kb o t hd e c l i n e d t h er u p t u r ei n t e n s i t yd e c r e a s e d s h a r pa f t e r3 0d a y sd e g r a d a t i o n ；t h eo u t c o m ew e r et i t r a t e db ys o d i u mh y d r o x i d e ，w h i c h w a s t a g ew a si n c r e a s e da tf i r s ta n dt h e nd e s c e n d e db e c a u s eo fa c i d i t yo fo l i g o m e r t h e f i b e r st o u g h n e s sa n dh y d r o p h i l i c i t yw a si m p r o v e db yb l e n d i n gp o l y ( e t h y l e n eo x i d e ) t h ea d d i t i o no f p o l y ( l l a c t i d e c o a m i n o p h e n 0 1 ) i m p r o v e df i b e r sm e c h a n i c sp r o p e r t y t h ed e g r a d a t i o nb e h a v i o ro ff i b e rw h i c ht h ec o n t e n to fp o l y ( e t h y l e n eo x i d e ) w a s 5 w ) w e r ei n v e s t i g a t e di nt h ep h o s p h a t es o l u t i o na n dt y s o z y m es o l u t i o nb yt h e w e i g h t l o s sa n dt h ed i f l e r e n c eo ft h ea p p e a r a n c e 。t h ei n f l u e n c e so fs u b s t r a t e c o n c e n t r a t i o na n dr e a c t i o nt i m eo nd e g r a d a b l ev e l o c i t yw e r ea l s os t u d i e d 。t h eg h o s e w a l s e t he x p e r i e n c ef o r n m l aw a sv a l i d a t e d ，a n dt h ee n z y m ed e g r a d a t i o nk i n e t i c so f p o l y ( e t h y l e n eo x i d e ) ( w t 5 ) f i b e r a t3 7 5 。cw a sc o n c l u d e db ym e a n so ft h e e x p e r i m e n td a t a sn o n - l i n e a r i t yc a l c u l a t i o n t h ee q u a t i o nw a s ： p = l n ( ，5 3 9 5 + 9 2 7 7 9 e l o ) i t o 3 9 6 p - d e g r e eo fd e g r a d a t i o n ，t h eq u a n t i t yo fs o d i u mh y d r o x i d et i t r a t i o n ，( u m o l m 1 ) ； t - d e g r a d a b l et i m e ( r a i n ) ； e 0 一t h eo r i g i n a lc o n c e n t r a t i o no fl y s o z y m e ，( m g m 1 ) t h ev a l u eo fnw h i c hw a sf o r e c a s t e di nf r e u n d l i c he q u a lt e m p e r a t u r ee x p r e s s i o n w a sv a l i d a t e db ys t u a y i n gt h er e l a t i o nb e t w e e ne n z y m ec o n c e n t r a t i o na n dd e g r a d a b l e v e l o c i t y t h ea c c u r a c yo ff o r m u l av 2 k k j e “w h i c hw a sa p p l i e dt oe n z y m ed e g r a d a t i o no f n o n d i s s o l v es u b s t r a t ew a st e s t j f l e d k e y w o r d s ：p o l y ( b - h y d r o x y b u t y r a t e ) ，p o l y ( l l a c t i d e ) ，b l e n d i n gm o d i f i c a t i o n ， h y d r o p h i l i c i t y ，d e g r a d a t i o n 两北1 一业人学硕_ _ _ = 学位论文 引言 引言 喹于在修复、爨疆积垮造动物缌织上存在蓑薹大熬虚涮翦景，缀织王程戆磅 究已成为现代生物医用工程技术中最为话跃的研究之。分子生物学、细胞生物 学、零毒料科学，特别是毫分予科学螅发展，为采用聚合物露架誊葶料秘铟毙杂他系 统在体外或体内诱露活细胞的生长分化，构建动物组织提供了十分有效的途径。 组织工程支絮枣窟辩是撂髓与组织活体缁腿结台并能檀入生粒搭救枣孝粒，它是 组织工程化组织的缀基本构架。目前，作为组织工糨细胞支架的生物材料主要有 天然无机材料、天然赢分子材料和合成毫分子毒李料。报道较多匏天然无极毒害料有 羟基磷放石、珊瑚礁和磷酸钙等；天然高分子材料有壳聚糖、海藻酸盐、胶原蛋 白、葡聚糖、透明艨酸、明胶和琼滕等；合成高分子材料有脂肪族聚酯、聚酸爵、 聚麟腈、聚源酸酯和聚醚等。天然无机材料和高分子材料一般都无毒，亲水性、 生物楣容性及细胞索和性也都较好，但由于产地和来源的不同，质擞的重现性差； 此外，天然无机材糊也存在蓿力学性能和加工性能麓、降解速度慢等缺陷。与天 然无机材料嘏类似，天然高分子材料的强度和加工性能也不是很理想，且降解速 瘦秃法调节，都较难适应缁胞支架的使用娶求。而合成高分子材料的最大优点是 品种多、生物降解速度可调节，可选择范围广。此外合成离分子材料还具有力学 往熊和热工褴能比天然材料好、价格便宜、质量的霾现性好、翻予大规模生产的 优点。目前应用最多的合成高分子材料是脂肪族聚酯类生物降解商分子。 本文课题的提出 生物可降解材料是组织工程支架材料中研究较多的一类材料，但至今还没有 一个单一静生物材辩可以满足组织工程对支架材料瀚所有需求，这样就要综合现 有的可用作组织支架的生物材料的优点，将其有机地融合在一起，才能制备出具 有垒物裙容往、有足够酶空间和性能支持、弓| 导并缀织绍魏成长、能支持缀织内 生长和保证体内降解产物无毒等性顾以及满足各种各样组织工程应用实际需要的 合格靛缀织互程支粲。 目前生物降解聚合物作为支架应用于组织工程研究的主要材料是聚乳酸( p l a ) 、黎乙醚酸( p g a ) 、p l a p g a 共蒙凌、p l 剐聚乙二醇( p e g ) 共聚物以及巍聚耱 等。壳聚糖材料机械强度羲，体内吸收较慢；而p l a 降解产物容易产生炎瘢反应， 降麟錾髂集中释放，会搜培养环境羧瘦过翥。聚羟蕊丁酸蘸( p h b ) 作为静新鍪 的生物医用材料，县有良好的生物相容性和生物降解性，可在人体内自然降解， 堕：! ! ；些盔耋堡兰丝! 堕圣：，。二! ! ：垦 其最终降解产物为3 一羟基丁酸，在人体血液中是一种普通的代谢物，不会给人体 带来任何毒性作用，还具有压电性、无刺激性、无免疫原性、无热原反应等特点。 p h b 的这些性质使其成为生物医学应用性研究领域中的一种新的支架材料，但是 p h b 材料本身也存在些不足，如其结晶度高、材料的疏水性较强、不利于细胞 的粘附、在体内降解速度较慢等，这些缺点制约t p h b 作为生物材料在组织工程 及其它方面的应用。本课题p 三i p h b 的生物医学工程材料特性为基础，针对其亲水 性不好、结晶度高、降解速度慢等不足进行改性研究。具体来讲，论文的研究内 容分为以下几个部分： 1 以p h b 为第一组分，聚乳酸( p l l a ) 为第二组分，通过p h b 与p l l a 溶液共 混，来研究第二组分的加入对共混材料性能的影响； 2 研究聚羟基丁酸酯和聚乳酸共混物的干法纺丝工艺，优化工艺参数，并对 组分含量不同的纤维从力学性能的变化、外观形貌、结晶度等方面进行降解性能 的比较； 3 对p h b p l l a 纤维通过加入第三组分聚氧乙烯或聚乳酸一氨基酸共聚物进 行亲水性能的设计； 4 对p h b 基材判的生物降解性进行体外模拟体内降解实验，其中包括对p h b p l la 、p h b p l l a p e o 、p h b p l l a 聚乳酸一氨基酸共聚物共混体系的研究，同 时对不同形貌的p h b 材料如无孔膜、多i l 膜和纤维进行了模拟体内降解实验，通 过这些实验希望能更多了解影响p h b 降解的因素，以期达到对降解速度进行人为 控制： 5 研究溶菌酶对p h b 基纤维降解反应的促进作用，探讨底物浓度、反应时间、 酶液浓度对降解速度的影响，并验证实验结果与g h o s e w a l s e t h 经验方程的符合程 度。 西北：i ：业大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 。1 生物降解材料的发展背景和概况 高分子材料作为一种新型材料以其综合性能优异、价格低廉、易成型加工等 特性，已广泛进入国民经济各部门以及人民生活等各个领域，获得了愈来愈广泛 的应用，不仅弥补了部分传统材料质和量的不足，而且已成为某些部门技术进步 不可缺少的材料，对于人类文明的发展有着非常重要的作用。虽然高分子材料在 今后发展中仍将继续起到非常有效的经济发展平台作用，但是高分子材料废弃物 常被随意丢弃而散落在庭院、街巷、铁道两侧、江河湖泊及旅游景点等自然环境 中，对市容景观、生态环境造成了负面影响，甚至危害禽畜和野生动物生命等， 从而对国民经济和工农业生产带来巨大危害，被形象地比喻为“白色污染”，由 此给人们带来极大困扰，并引发了新的环境问题。近十多年来，欧美日等发达国 家地区相继制订了一些有关法规，对那些用后不易回收利用，不易处理以及在自 然环境中较难降解或在废弃处理过程中会产生有害物质的高分子材料和制品，特 别是一次性高分子材料制品，局部禁用、限用、强制收集、规定回收目标及回收 利用比例，以及收取污染费或课以高税等。 另一方面，地球上的石油资源也越来越少，目前地球上探明的石油资源仅够 使用5 0 年，这也迫使人类寻找和发展新的能源和材料。而且随着人们环保意识的 不断增强，也促使了增强产品环保质量的新材料和新工艺的研究。人们希望找到 一种具有实用性的可再生的高分子材料来代替现在使用的由石油资源得到的高分 子材料，希望材料能从土壤中来再返回到土壤中去，在土壤中降解后生成二氧化 碳、水和有机肥料，不对土壤造成任何影晌。因此发展生物可降解材料不仅是从 根本上解决由废弃高分子材料带来的环境问题，如白色污染的一个有效方法，而 且也是解决地球石油资源短缺问题，保护生态环境，保证可持续发展的一个必要 手段。 按照图际标准化机构( i s o ) 和荚国材料实验协会的定义，生物可降解材料是指 一种可以通过自然界的微生物，如细菌、真菌和藻类的生命活动降解的材料。可 降解高分子材料是指该材料在特定的环境条件下能够在化学结构上产生重要的变 化，在规定的时期内，用高分子材料使用的标准化测试方法能够检测到变化时一 些特性的损失。 弧北i ：业火学硕十学位论文 第一章绪论 1 1 1 生物可降解高分子材料的种类 生物降解材料按其生物降解过程大致可分为两类。一类为完仝生物降解材料， 如天然高分子纤维素、人工合成的聚己内酯等，其分解作用主要来自：由于微生 物的迅速增长导致塑料结构的物理性崩溃；由于微生物的生化作用、酶催化或 酸碱催化下的各种水解：其他各种因素造成的自由基连锁式降解。另一类为生 物崩解性材料，如淀粉和聚乙烯的掺混物，其分解作用主要由于添加荆被破坏并 削弱了聚合物链，使聚合物分子量降解到微生物能够消化的程度，最后分解为二氧 化碳和水 ”。 按来源可分为化学合成型、天然高分子型、掺混型、微生物合成型、转基因 生物生产型等。化学合成型生物降解高分子材料，大多是在分子结构中引入酯摹 结构的脂肪族聚酯而成。在自然界中，其酯基易被微生物或酶分解。较成熟的有 聚乳酸( p l a ) 、聚己r a 酯( p c l ) 等。其物理机械性能可采用共聚法改性，乙烯与其 他单体共聚制成的生物降解高分子材料，具有良好的生物降解性和优良的力学性 能，是一种有潜力的降解性高分子材料。天然高分子型生物降解材料是利用淀粉、 纤维素、木质素等可再生的天然资源制备而成。国内外对这类材料的应用研究较 多，同本以纤维素衍生物和脱乙酰基多糖复合，采用流延法制得薄膜，强度与聚 乙烯相近，2 个月即可完全降解；我国对以淀粉为原料，添加极少量增塑剂等助剂 制成的热塑性塑料进行了研究，其降解性能非常好，通过控制配方，可达到3 个月、 半年及一年的不同降解速度。 掺混型生物降解材料是将两种或两种以上的高分子物共混复合而成。其中至 少有一种组分是生物可降解的。选用的生物降解组分以淀粉居多。淀粉掺混型生 物降解高分子材料可分为三种类型：淀粉填充型、淀粉基质型、生物降解高分子 共混型。有研究认为，淀粉填充型生物降解材料的降解速度是随淀粉含量的提高而 加快( 淀粉含量为2 0 4 0 ) 。但这类生物降解材料的降解部分主要是淀粉，大部 分聚烯烃无法降解，只是崩裂成粉术残留在自然环境中，仍会污染环境。以淀粉为 主要原料( 大于7 0 ) 的淀粉基质型降解材料具有优良的生物降解性。生物降解高分 予共混型材料则既可达到互相改性的目的，又可降低成本。微生物合成型生物降解 材料是微生物通过生命活动合成的。这类高分子材料可以完全降解。主要包括微 生物聚酯和微生物多糖。目前可供用于合成微生物聚酯的细菌约有8 0 多种。某些 微生物多糖具有良好的物理力学性能和生物降解性，其中一部分适宜于工业化生 产，已应用于食品及医疗等。据报道口i ，有人利用生物技术从一种细菌中获取合成 高分子的基团，转入大肠杆菌中获得工程大肠杆菌。这种工程大肠杆菌在l m 3 反应 器的底物中发酵4 2 h ，i j 生成8 0 k g 以p _ 的生物降解高分子材料。美国还有利用转基 4 疆北工业大学硕十学何论文 第一章绪论 因植物开发生物降解高分子材料的研究。 1 1 2 高分子生物降解的机理 理想的生物降解高分子材料是一种具有优良的使用性能、废弃后可被环境微 生物完全分解、最终被无机化而成为自然界中碳元素循环的个组成部分的高分 子材料。根据高分子的性质和所处的环境条件，高分子生物降解有两种不同的机 理。第一种是生物或非生物水解而后发生生物同化吸收，称为水解一生物降解。这 是杂链高分子如纤维素、淀粉及脂肪族聚酯生物降解的主要过程。通常过氧化反 应对这类高分子降解发挥辅助作用光氧化反应可加速水解一生物降解。水解生 物降解高分子适用于生物医用材料、化妆晶及个人卫生用品的处理而不适用于农 用薄膜或包装薄膜的降解。第二种机理是过氧化反应而后伴随小分子产物的生物 同化吸收，称为氧化一生物降解，这种机理尤其适用于碳链高分子。非生物过氧化 反应及随后的生物降解反应可通过所用的合适抗氧剂得到严格控制。 1 1 3 高分子生物降解性的影响因素 生物降解高分子在制造和使用过程中应保持稳定，而在废弃后适宜的时间内 迅速生物降解，需兼备良好的生物降解性、物理机械性能、可加工性，及其他根 据特定需要应满足的性能( 如生物相容性等) 。而影响其生物降解性的因素是人们 关注的焦点之一。 ( 1 ) 均聚物的生物降解性 聚合物结构对聚合物的生物降解性影响很大，包括化学结构、物理结构、表 面结构等。其他影响降解速度的因素有温度、酶、p h 值、微生物、电磁、超声波 及y 射线辐射等外部环境【3 1 。高分子链的化学结构。如脂肪族的聚酯可生物降解， 而芳香族的聚酯难以生物降解。高分子链的结构决定的分子状态。如结晶度、 分子取向等；高分子的表面形态及表面处理。如聚己内酯聚碳酸酯共混物表面 经等离子体表面处理可以提高生物降解性；外界条件，包括降解时间、反应温度、 酶的种类和酶溶液的浓度等。如聚己内酯在脂肪酶a k 中的生物降解在3 0 时很 小，而在5 0 。c 时达到最大值；纤维素酶对壳聚糖的降解效果明显优于木酶所产的 壳聚糖酶及中性蛋白酶和胰酶混合酶，控制酶解条件，可以获得不同聚合度的壳 低聚糖【4 j 。尽管目前还难以判断高分子材料可生物降解的具体条件，人们还是归纳 出一些有利于生物降解的基本的结构特点：易吸附水，含有对特定酶敏感的化学 基团，低结晶度，低分子量，高分子结构的最大线性化，较大的比表面积等。 ( 2 ) 共聚物的生物降解性 曲，i lr 业大学硕十学位论文第一章绪论 聚己内酯是一种可降解高分子，但是由于它的结晶度高，降解速度慢，所以 可通过共聚改善其降解性能与力学性能。其降解性可通过在分子链上引入聚乙二 醇或聚乳酸链而提高，原因在于降低了结晶度。若将聚己内酯、聚乳酸和聚乙二 醇共聚制得三嵌段共聚物，可获得兼备降解性、生物相容性和亲水性的环境友好 材料，其降解性可通过调节各组分的比例或聚乳酸、聚乙二醇链段分子量来控制。 类似地，可通过改变共聚物中乳酸和乙醇酸的比例来控制共聚物的结晶度、强度 和降解速率”1 。 ( 3 ) 共混物的生物降解性 对聚己内酯、聚碳酸酯共混物以不同配比经熔融挤出制得片材的生物降解行 为进行研究，结果表明，可生物降解的聚己内酯与难以生物降解的聚碳酸酯共混 后，降解性明显降低。聚己内酯与聚碳酸酯有良好的相容性，f 是这种良好的相 容性阻止了酶对共混物中聚己内酯的生物降解作用。聚己内酯、聚碳酸酯共混物 的密度较二组分密度按配比的简单加和值高，原因在于两组分强烈相互作用而导 致共混物形成紧密堆砌的结构，这样聚己内酯分散在与聚碳酸酯形成的共混高分 子网络结构中，阻止了生物降解反应的进行，即使聚碳酸酯在共混物中质量分数 仅为1 0 ，这种抑制作用也很明显。该共混物的酶生物降解性可通过表面02 + 等离 子体氧化处理而提高。 k i t a g a w a 等【6j 通过纤维素羰基和壳聚糖氨基之间的氢键作用制备可生物降解 复合物，其生物降解可通过调节制备中的热处理温度、纤维素中羰基的数量来控 制。纤维素中的羰基可与壳聚糖的氨基形成交联点，较高温度下热处理由于形成 较多的交联点而使生物降解的速率减慢。 低密度聚乙烯和淀粉共混物已用于包装和农用地膜，但是淀粉含量较低。增 加淀粉含量会导致抗张强度和断裂伸长率下降，难以吹模。这是由于低密度聚乙 烯和淀粉的极性相差大，相互粘接性差。为了提高共混物中淀粉的含量，可对淀 粉用疏水添加剂进行表面处理或加入界面增容剂。对该体系最有效的界面增容剂 是乙烯一丙烯酸共聚物。这是由于这种共聚物的羧基能和淀粉形成v 形的络合物， 从而可以增大淀粉含量。但是只有当这种增溶剂的使用量较大时才能保持良好的 机械性能，且增容剂的加入降低了淀粉的降解性。同时，聚乙烯一乙烯醇共聚物的 羟基也能和淀粉形成类似的络合物，这样可增加淀粉的含量。这种共聚物的加入 还可改善塑化淀粉的加工性能。 1 1 4 生物降解材料的应用 生物降解材料广泛应用于各行各业，可以部分代替通用塑料。使用量最大的 是环保材料、包装材料以及医用材料。 6 两北j ：业人学硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 生物医疗工程领域的应用 微胶囊药物释放体系 微胶囊技术是2 0 世纪5 0 年代开始并发展起来的，至 6 0 年代，人们对微胶囊技术在医学领域的应用进行了广泛的研究【7 “】。早期大多集 中在具有生物相容性的非生物降解型高分子，如硅橡胶、丙烯酸类聚合物。1 9 7 0 年，y o l l e s 等率先将p l a 用作药物长效缓释制剂载体，由此开始了生物降解型高分 子微胶囊药物释放体系的研究。生物可降解的脂肪族聚酯类高分子由于其分子量 可控制在相当宽的范围内而受到重视。主要有聚乙交酯( p g a ) 、聚乳酸( p l a ) 、 聚e 一己内酯( p c l ) 等。不同的聚酯降解速度不同，而同种聚酯亦会由于构型的不 同而具有不同的降解速度。根据药物的性质、释放要求可制成特定的药物埋植制 剂，如层状微粒、微球( 1 1 0 0 u m ) 、纳米微球( 0 o l l u m ) 。微球制剂可靶向体内 不同的器官和组织，使药物有效地靶向控释，拓宽了给药途径，减少了给药次数 和给药量，提高了药物的生物利用度，最大程度地减少了药物对全身特别是肝、 肾的毒副作用。 骨科内固定材料生物可降解高聚物用作骨科内固定材料，如骨夹板、骨螺 钉等，可避免长期以来国内外一直采用不锈钢金属材料作骨折内固定材料所造成 的骨质疏松和愈合后需二次手术的缺陷。作为内固定材料，不仅需要满足生物的 相容性、可降解性、可吸收性，还要求有足够的初始力学强度和适当的强度衰减。 作为支撑骨架，降解后期的力学强度要维持到骨折愈台。目前研究最多的用于骨 折内固定器材的生物可降解高聚物有p l l a ( 左旋聚乳酸) 、p g a ( 聚羟基乙酸) 、 p c l ( 聚一己内酯) 及它们的共聚物或复合材料【9 。，概括起来有两方面的进展：( 1 ) 生物可降解高聚物有望作为骨折内固定材料。近年来的临床研究表明，手术一段 时间后，会出现延期的炎症反应，可能是由于降解速度较慢，长期存在的未降解 部分产生了副作用所致。因此，如何根据个体的差异，有效地控制降解速度，仍 然是有待研究的重要课题；( 2 ) 材料强度的研究取得了骄人的进展。首先，高分子 量生物可降解高分子合成获得了重大突破，其次，利用p g a 纤维、p l a 纤维、 碳纤维、氢氧化铝、羟基磷灰石、磷酸钙等增强生物可降解高分子材料取得了良 好的效果，研究结果表明，植入的复合材料的力学性能以及降解速度依赖于增强 材料的组成、纤维增强材料的取向、所用聚合物的种类及聚合物与增强材料之间 的界面结合。 组织修复材料可降解高分子材料作为支撑材料，在其上移植器官组织的生 长细胞，使其形成自然组织，这就是组织修复工程。作为支架材料的聚合物应当 是无毒的，有合适的生物降解性和良好的生物相容性，且与某些具体细胞有一定 的相互作用的能力。这些生物材料制成的支架在结构e 还应满足以下几点：( 1 ) 为细胞生长和输送营养所必须的孔结构；( 2 ) 为支持细胞生长所必须的足够的机械 强度和几何形状；( 3 ) 从基体中控释对组织生成有益的组织诱导因子、生长因子等。 7 ! ! ! 塑；些盔耋堡主兰堡篁兰 一：茎= 兰兰! ：坠 目前，已在肝细胞组织、皮肤细胞组织、软骨细胞组织、血管、视网膜色素上皮( r p e ) 细胞组织的修复等方面进行了一一些研究。2 1 ，通常的做法是在坏死或受损的器官 上真接用已植入器官、组织生长细胞的可降解高分子基材来修复或取代，如烧伤 的皮肤，也可在体外培养一段时问后再植入器官。 手术缝合线生物可降解高分子材料作为外科手术缝合线，由于其生物降 解性，在伤口愈合后可自动降解并吸收，无需二次手术，这就要求聚合物具有较 高的初始强度，同时能有效地控制聚合物降解速度，随着伤口的愈合，缝合线可 缓慢降解。近年来，主要在以下几个方面取得了一些进展【i 刘：( 1 ) 手术线强度有了 较大的提高。这主要归功于高分子量可降解聚合物的合成及缝合线加工工艺的改 进；( 2 ) 缝合线的多功能化。在缝合线中掺入非甾体抗炎药来抑制局部炎症及排异 反应，在缝合线中加入增塑剂增加了缝合线的韧性，调节了聚合物的降解速度； ( 3 ) 临床应用取得了成功。 ( 2 ) 农业用途 理想的农用材料是能与其他生物降解材料协同作用转化为提高土质的材料， 生物降解材料在农业上主要用作农用地膜和农作物生长容器。 传统的薄膜在帮助农作物生长，增加农作物产量方面发挥了重大的作用，但 致命的缺点是使用后的处理十分困难。经过整个农作物生长期的风吹同晒，薄膜 的强度下降并都裂为小碎片残留在土壤中，小碎片会引起土壤板结，阻碍作物根 部发育和对水分的吸收，还会随风飘散，造成环境污染。生物降解农用地膜除具 有传统塑料薄膜的优点外，最重要的是其使用后可以自动降解，不必收集，同时 农肥和水的需求量相应减少，可以进行下一季的耕作，因而既可以减少白色污染， 又可以降低生产成本。 农作物生长容器用于播种和移栽树苗、花卉、蔬菜以及翁景。如果容器不是 生物降解性的，在移栽之前必须除去容器才能使根豕陕速生长，而且裸根容易受 损，很难用机械栽插，而生物降解塑料容器在栽种时保护了根系，成活率高，用 这种方法种植和移栽可以使许多植物降低成本，移栽季节延长，成活率提高。研 究发现，以聚己内酯为主要成分的农作物生长器，在土壤中会发生明显的生物降 解，6 个月后失重4 8 ，一年后失重约9 5 。生物降解材料在农业方面的其他应用 还有草皮种植片、堆肥用袋以及农用药物的控释材料等。 ( 3 ) 包装领域的应用 在包装领域，人们致力于研制可完全生物降解的高分子以取代现在使用的非 生物降解高分子。生物降解包装材料是将可降解的高分子聚合物加入到层压膜中 或直接与层压材料共混成膜。食品包姨材料和容器一般要求能保证食品不腐烂、 隔离氧气且材料无毒。其中最具代表性的是聚羟基丁酸酯( p h b ) 与聚羟基戊酸酯 ( p h v ) 及其共聚物( 商品名b i o p 0 1 ) ，其物性与聚乙烯和聚丙烯相近，且热封性良好， 曲北i ：业人学硕士学位论文 第一章绪论 b i o p o l 用过后可生物降解或被焚烧，两者的耗氧量仅相当于其光合作用放入大气的 氧，处理后产生的c 0 2 即为光合作用摄入的全部c 0 2 量，因此可认为完全进入生物 循环。 生物降解塑料还可用作次性缓冲材料。据报道，同本幸和株式会社开发的 聚乙烯醇淀粉型生物降解塑料是性能较优良的缓冲材料，表观密度比传统的聚苯 乙烯缓冲材料稍高【m 7 1 。 1 2 生物降解纤维的研究进展 可生物降解纤维最初是在2 0 世纪6 0 年代应医用需要( 如可吸收手术缝线) 而发 展起来的。经过4 0 多年的发展，由于其性能缺陷或成本过高，大多数可生物降解 纤维的应用仍局限于医疗和园艺领域，只有少量性能优良、成本较低的可降解纤 维被拓展应用到了服用、渔业、建筑等领域。 可生物降解纤维是由可生物降解聚合物纺制而成的。目前，主要有天然高分 子及其衍生物、微生物合成高分子、化学合成高分子三大类可生物降解聚合物。 国际上己开发了不少这类聚合物的纤维产品，其中，纤维素纤维、甲壳质类纤维、 聚羟基链烷酸酯纤维和聚乳酸纤维是研究的热点。通过复合纺丝和共混纺丝，人 们还开发出了由两种不同聚合物组成的双组分可生物降解纤维。国内在这方面开 展了一些工作，也取得了一定进展，但与美、日等国相比，还存在很大的差距。 1 2 1 纤维素纤维 纤维素是自然界中含量最丰富的有机物，是由b 一1 , 4 葡萄糖单元连接而成的线 性高分子，具有很高的结晶度。采用传统工艺生产的粘胶纤维是一种再生纤维素 纤维，由于结晶度较低，其生物降解性能优于天然纤维素纤维。普通强度的粘胶 纤维主要用于服装和医用纺织品，而高强粘胶纤维则可用作帘子线等。此外，科 研工作者还开发了粘胶纤维新品种，如高保水纤维，可用作卫生材料；三叶形纤 维，可提高服装的保形性；以及抗菌纤维、深色可染纤维等【i8 1 。 2 0 世纪7 0 年代，英国c o u r t a u l d s 公司开发了新型溶剂纺l y o c e l l ，以n 一 甲基吗啉一n 一氧化物( n m m o ) 的浓水溶液为溶剂，以n m m o 的稀水溶液为凝固 剂，采用常规湿纺工艺即可获得该纤维。该工艺中溶剂n m m o 的回收率可达9 9 5 。由于采用了真溶纺丝工艺，l y o c e l l 的平均分子量、取向、结晶及纯度均高 于粘胶纤维，其强度要比粘胶纤维高许多。此外，l y o c e l l 还具有吸收性好、毛细 效应强和易原纤化等特点。目前，该纤维主要被用作服装，但它正在向非服用领 9 衙北】业人学硕+ 学位论文 第一章绪论 域拓展，如它的非织造布制品可用作人造羚羊皮、医用止血球、医用纱布、尿御、 抹郑等 1 9 1 。 1 2 2 醋酸纤维素纤维 醋酸纤维素是木浆或棉浆与乙酸酐发生反应，纤维素上的羟基被酯基取代之 后得到的产物。经用溶剂溶解后，可用常规溶纺工艺生产醋酸纤维素纤维；添加 增塑剂后，也可用常规熔纺工艺生产。醋酸纤维索纤维的生物降解性能，随着其 酯化度( d s ) 的提高而逐渐下降。一般认为，醋酸纤维素的生物降解是首先在脱乙 酰酶的作用下，酯基发生分解，使其酯化度降低；当酯化度降低到某一临界值后， 大分子链在纤维素酶的作用下发生断裂，最终被代射为c 0 2 和h ：o 。用碱液对醋酸 纤维素纤维进行脱乙酰化处理，可以获得降解速度可控的纤维。在中等d s ( 1 5 2 0 ) 的醋酸纤维素纤维中引入催化酯基分解的光氧化活性剂后，可以加速其生物降解 速度。由于醋酸纤维素纤维的生产成本较高，因此它主要被用来制作香烟过滤嘴 和高档服装面料。此外，由l x o c e l l 纤维经化学改性得到的羧甲基纤维素纤维，可 用作治疗慢性伤口的敷料。 1 2 3 甲壳质纤维 甲壳质是由2 一乙酰氨基2 脱氧b d 葡萄糖通过b 1 ，4 苷键连接而成的线性 聚合物，广泛存在于甲壳类动物的甲壳中。由于高结晶和氢键的作用，甲壳质的 溶解性能很差，只能被一些强质子酸所溶解。采用混合酸作溶剂，以弱酸、醇、 酮等为凝固剂，通过湿法纺丝可以获得甲壳质纤维，但其纺丝和后处理工艺复杂 而耗时，不适宜工业化大生产【2 。经过研究，人们开发了两种易于将甲壳质加工 成纤维的生产工艺：一种是新溶剂法，用对甲苯磺酸的异丙醇溶液处理甲壳质后， 将其溶解于含有少量氯化锂的二甲基乙酰胺中，形成均匀的溶液，由喷丝板挤出 进入水或甲醇溶液中凝固成纤维【2 】；另一种是间接法，先将甲壳质酰化成易溶于 普通有机溶剂( 丙酮、d m f 、醇等) 中的双丁酰化甲壳质，在采用干湿法将其纺成 纤维后，再用碱液处理纤维使其脱酰化，获得甲壳质纤维。 1 2 4 壳聚糖( 甲壳胺) 纤维 甲壳胺是甲壳质的脱乙酰衍生物，是由d 一胺基葡萄糖和n 乙酰一d 一胺基葡萄糖 经过l ，4 键接而成的线性聚合物。由于脱乙酰甲壳质含有伯氨基，其溶解性能优于 甲壳质，易溶于有机、无机酸水溶液。通常，以醋酸水溶液为溶剂，以碱液为凝 1 0 塑：! 三些盔兰堡主兰堡丝兰 堡= 童丝丝 固剂，采用常规湿法纺丝工艺就可以获得甲壳胺纤维。 甲壳质是自然界中唯一呈碱性的多糖，它和甲壳胺都具有加速骨成形、生物 相容、安全、无毒、易与细胞结合、能被人体吸收等独特性能，甲壳胺还具有杀 菌能力。据有关文献报道，甲壳胺纤维干强最高可达3 0 5 9 d 【2 “。由于生产成本较 高，甲壳质和甲壳胺纤维制品目前主要被用作伤口敷料、人造皮肤、医用纱布、 止血球、牙周片、药物载体，少量用于服用领域，如内衣、口罩的内层、内裤的 里衬、袜子等。 此外，由于甲壳胺易与有毒重金属离子结合，甲壳胺纤维还可用作处理工业 废水的过滤材料，用以回收有用的金属离子。甲壳质和甲壳胺都能在水和酶( 如溶 菌酶、脂肪酶等) 作用下发生水解，最终转化为二氧化碳和水。甲壳胺由于反应活 性高，比甲壳质更易降解。对于甲壳胺来说萁生物降解速率与其脱乙酰度有关， 脱乙酰度越高，降解速率越快。研究表明，水解只会使甲壳胺纤维碎裂，使其机 械性能下降，而其分子量几乎不发生下降；而在酶的作用下，甲壳胺纤维的机械 性能和分子量都会降低b ”。 1 2 5 淀粉 淀粉是由直链淀粉和支链淀粉两种单元结构组成的部分结晶高聚物，直链淀 粉单元的降解性能优于支链淀粉单元。淀粉的热塑性很差而亲水性过强，使其加 工成形变得非常困难，通常需通过合成淀粉的衍生物( 如淀粉醋酸酯) ，或与其它 疏水高聚物共混，来提高其加工性能，进而制成纤维制品，如淀粉基可降解聚合 物m a t e r b i a 军i m a t e r b i z ，分别为淀粉一烯醇共聚物和淀粉一聚己内酯共混物。由它 们制成的纤维经非织造加工后，可用作一次性尿布、卫生材料、一次性医用材料 等。将高取代度的淀粉醋酸酯与纤维素醋酸酯共混纺丝，可以得到性能改善的纤 维。在增塑剂的作用下，聚乙烯和淀粉的混合物由螺杆挤出成形，得到的可降解 纤维可用来制作绳索、线、钓鱼线和渔网等。淀粉和聚乙烯醇( 聚合度为5 0 0 3 5 0 0 ) 的混合物以水为溶剂，经湿法成形后可获得机械性能良好的可降解纤维。 1 2 6 聚羟基链烷酸酯( p h a ) 纤维 p h a 是原核微生物细胞的碳源和能源储存物质，是一种脂肪族的聚酯。当微 生物处于氮或磷不足的不平衡营养环境中，就会大量合成并储存p h a 。聚羟基丁 酸( p h b ) 是p h a 中存在最广、发现最早、研究最为透彻的一种生物聚酯，其性能 和结构与聚丙烯相近。p h b 因高结晶性而呈脆性， 拉伸性能差；同时，它的熔 化温度( 1 8 0 。c ) 与分解温度( 2 0 0 。c ) 接近，造成其加工成形困难。但若采用合适的 两北业夫学硕十学位论文 第一章绪论 纺丝e 艺，由p h b 熔融纺丝可以获得机械性能较好、具有应用可能的p h b 纤维。 如暴网冻胶纺丝，则可获褥强度更藏啦p h b 纾维【2 “。改变发酵条传司以生产出 多种熔点低、质地柔软的p h b 共聚物，如日本m o n s a n t o 公司的生物聚酯b i o p o l 。 b i o p o l 是3 一羟基丁赕( h b ) 墨珏3 一羟基发酸( h v ) 的秃凝共聚粳( p h b v ，含o 3 0 h v ) 。随着h v 含量的增加，共槊物的可加工性能变好，但其耐热性变麓，断 裂伸长增加 2 5 1o h v 含豢为5 1 0 t o o l 的b i o p o l 可熔融船工贼纤维。含8 m o i h v 的p h b v 在1 6 0 。c 下熔融挤出，进入5 0 。c 热水中固化成形后，经1 5 0 。c 预热、在 6 0 。c 下拉伸7 倍和紧张热定型处理，可以得到拉伸强度和结节强度均较高的纤维。 r 本东京大学土肥教授以4 一羟基丁酸和丁酸为底物，经真养产碱菌发酵得到了4 一 羟基丁酸和3 - 羟基丙酸的共浆物，当4 羟基丁酸含量为5 m 0 1 时，该共聚物可熔 融潮工成纤维疆“。嗣丁酸含羹大于5 0 t 0 0 1 的聚3 羟基丁酸，c o 3 。羟基己酸的 无规共聚物制成的纤维和无纺布，可用作卫生巾和尿稚底衬等【2 7 1 。 p h a 具有生物相容牲、光学活