聚乳酸的降解机理.ppt

降解机理与代谢途径简述王丽复旦大学 生物可降解材料 聚乳酸 1概述 聚乳酸 PLA 是一种具有优良的生物相容性和可生物降解性的合成高分子材料 PLA这种线型热塑性生物可降解脂肪族聚酯是以玉米 小麦 木薯等一些植物中提取的淀粉为最初原料 经过酶分解得到葡萄糖 再经过乳酸菌发酵后变成乳酸 然后经过化学合成得到高纯度聚乳酸 1概述 聚乳酸 PLA 分子结构式如图 其中的酯键易水解 能在体内或土壤中经微生物的作用降解生成乳酸 代谢最终产物是水和二氧化碳 所以对人体不会产生毒副作用 使用非常安全 因此聚乳酸已经被应用于医学 药学等许多方面 如用作外科手术缝合线 药物控制释放系统等等 1概述 由于乳酸具有旋光性 因此对应的聚乳酸有三种 PDLA PLLA PDLLA 消旋 PLLA和PDLA是部分结晶高分子 力学强度较好 常用作医用缝合线和外科矫形材料 药物控释制剂常采用PLLA和PDLLA 但更多的是使用PDLLA PLLA的降解产物L一乳酸能被人体完全代谢 因而比D PLA更具竞争力 2PLA体内降解 PLA的水解是个复杂的过程 主要包括4个现象 吸水 酯键的断裂 可溶性齐聚物的扩散和碎片的分解 降解的主要方式 本体侵蚀 2PLA的体内降解 PLA材料浸入水性介质中或植人体内后 首先发生材料吸水 水性介质渗入聚合物基质 导致聚合物分子链松弛 酯键开始初步水解 分子量降低 逐渐降解为低聚物 聚乳酸的端羧基 由聚合引入及降解产生 对其水解起催化作用 随着降解的进行 端羧基量增加 降解速率加快 从而产生自催化现象 内部降解快于表面降解 这归因于具端羧基的降解产物滞留于样品内 产生自加速效应 2PLA的体内降解 随着降解进行 材料内部会有越来越多的羧基加速内部材料的降解 进一步增大内外差异 当内部材料完全转变成可溶性齐聚物并溶解在水性介质中时 就会形成表面由没有完全降解的高聚物组成的中空结构 进一步降解才使低聚物水解为小分子 最后溶解在水性介质中 2PLA的体内降解 整个溶蚀过程是由不溶于水的固体变成水溶性物质 宏观上是材料整体结构破坏 体积变小 逐渐变为碎片 最后完全溶解并被人体吸收或排出体外 微观上是聚合物大分子链发生化学分解 如分子量变小 分子链断开和侧链断裂等 变为水溶性的小分子而进入体液 被细胞吞噬并被转化和代谢 3PLA的体外降解 聚乳酸的分解有两个阶段 经水解反应分解之后再靠微生物分解 在自然环境中首先发生水解 通过主链上不稳定的酯键水解而成低聚物 然后 微生物进入组织物内 将其分解成二氧化碳和水 在堆肥的条件下 高温和高湿度 水解反应可轻易完成 分解的速度也较快 在不容易产生水解反应的环境下 分解过程是循序渐进的 3PLA的体外降解 微生物在自然界中普遍存在 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 不同细菌对不同构形的聚乳酸的降解情况是不同的 研究结果表明 镰刀酶念珠菌 青霉菌都可以完全吸收D L乳酸 部分还可以吸收可溶的聚乳酸低聚物 4降解影响因素 1 pH值酸或碱都能催化PLA水解 聚乳酸在碱性条件下降解速率 酸性条件下降解速率 中性条件下降解速率 2020 3 15 13 可编辑 4降解影响因素 2 结晶度降解过程总是从无定形区到结晶区 这是由于结晶区分子链段堆积紧密 水不容易渗透进去 先渗入无定型区 导致酯键的断裂 当大部分无定型区已降解时 才由边缘向结晶区的中心开始降解 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 4降解影响因素 3 分子量及分子量的分布分子量与降解速率成反比 分子量越大 聚合物的结构越紧密 内部的酯键越不容易断裂 而且 分子量越大 经降解所得的链段越长 不易溶于水中 产生的水和氢正离子越少 使pH值下降缓慢 这也是其降解速率比低分子量聚乳酸的低的原因之一 对于平均分子量相同的聚合物来说 分子量分布越宽 降解速率越快 这是因为分子量较小的聚合物先分解后 环境pH值由中性向酸性转变 从而加快了降解速度 4降解影响因素 4 立构规整性的影响 在碱性条件下 降解速率为PDLA PLLA P LDL A PDLLAPDLLA由于甲基处于间同立构或无规立构状态 对水的吸收速度较快 因此降解较快 而对PLLA及PDLA来说水解分为2个阶段 第一阶段 水分子扩散进入无定型区 然后发生水解 第二阶段是晶区的水解 相对来说较为缓慢 4降解影响因素 5 酶聚乳酸主链上含有酯键 可以被酯酶加速降解 如根霉属菌酯肪酶 猪胰腺酯肪酶 猪肝脏的梭基酯酶 5生物体吸收代谢的途径 乳酸 C H O 的消除乳酸大量存在时 会导致人体内环境稳态的丧失 尤其是固有的酸碱平衡将被打破 轻则代谢紊乱 重则危及生命 因此 人体内必须消除乳酸 5生物体吸收代谢的途径 5 1直接氧化分解为CO 和H O在氧气充足的条件下 骨骼肌 心肌或其它组织细胞能摄取血液中的乳酸 在乳酸脱氢酶的作用下 将乳酸转变成丙酮酸 然后进入线粒体被彻底氧化分解 生成 和 通过呼吸道 大小便 汗液排除体外 5生物体吸收代谢的途径 5 2经糖异生途径生成葡萄糖和糖元缺氧时 乳酸大量进入血液 血乳酸的浓度升高 激活肝脏和骨骼肌细胞中的糖异生途径 将大量的乳酸转变成葡萄糖 并且释放入血液 以补充运动时血糖的消耗 在糖异生过程中 要吸收大量的H 因此通过该过程可维护人体内环境的酸碱平衡 使机体内环境重新恢复稳态 5生物体吸收代谢的途径 5 3用于脂肪酸 丙氨酸等物质的合成在肝脏细胞中 乳酸经由丙酮酸 乙酰辅酶A途径转变为脂肪酸 胆固醇 酮体和乙酸等物质 亦可经由丙酮酸 通过氨基转换作用生成丙氨酸 参与蛋白质代谢 5 4随尿液和汗液直接排出此过程消除量极少 仅占总消除量的5 左右 5生物体吸收代谢的途径 L