分子量可控聚乳酸的合成

1、哈尔滨工程大学硕士学位论文分子量可控聚乳酸的合成姓名：刘飞申请学位级别：硕士专业：应用化学指导教师：张春红20090501哈尔滨丁稈大学硕七学位论文摘 要聚乳酸是一种具有良好生物相容性和生物可降解性的新型高分子材 料，在生物医学领域中有广阔的应用前景。在实际应用中，不同分子量的 聚乳酸其性能和用途不同，因此聚乳酸合成过程中的分子量控制具有重要 的意义。本文主要研究以D,J乳酸为原料，通过间接法采用有机催化剂合成分 子量可控聚乳酸。包括丙交酯的制备与表征，丙交酯的提纯、丙交酯的活 性开环聚合与分子量控制，聚乳酸的表征与降解性能等研究工作。首先以D, L乳酸为原料，通过脱水环化合成丙交酯，研究了催

2、化剂种 类、反应温度、时间等因素对丙交酯粗产率的彩响。采用红外光谱和核磁 共振氢谱对粗品丙交酯进行表征。研究表明采用氧化锌辛酸亚锡组合催化 剂获得了最高的产率，优化的合成条件为：在1500Pa、85C条件下脱自由 水1.5h,加入氧化锌辛酸亚锡组合催化剂，在1500Pa、1309条件下脱结合 水4h,在500Pa、210*0下蒸憾得到丙交酯。分别以乙酸乙酯和无水乙醇为溶剂，采用重结晶方法提纯合成的丙交 酯。实验结果表明，在两种溶剂中重结晶四次，均可达到聚合制备聚乳酸 的纯度要求。考虑环保和能耗问题，适宜的重结晶溶剂为无水乙醇，重结 晶温度为29。利用有机催化剂1,8二氮杂双坏5.4. 0J-7

3、-十一碳烯(DBU),以异丙醇 为引发剂，实现丙交酯在常温、常压下的活性开环聚合反应，合成了可应 用于生物医学领域的分子量可控的聚乳酸。反应机理为有机催化剂DBU与 引发剂异丙醇通过氢键形成中间体，中间体中呈负电性的氧对丙交酯拨基 中的碳进行亲核进攻，使丙交酯单体通过酰氧縫断裂，进行开环聚合反应。通过红外光谱和核磁共振氢谱对聚乳酸的结构进行了表征。通过调节 丙交酯和异丙醇的摩尔比来调控产品聚乳酸的分子量，凝胶渗透色谱分析 表明该聚合方法能够实现聚乳酸分子量的有效控制，且聚乳酸分子量分布 很窄。通过分析聚合反应时间对聚乳酸产率的影响，确定polylactide-3000, polylactide

4、-5000, polylactide-7000和 poly lactide-10000的适宜聚合反应时间分 别为 20min, 30min, 40min和50miii。热失重分析表明聚乳酸的分子量对聚乳酸的热稳定性有明显影响，分 子量高的聚乳酸具有较好的热稳定性。研究了聚乳酸膜在pH值为7.4的PBS 缓冲液中的降解情况，结果表明聚乳酸的分子量对降解速度有影响，分子 量越大的聚乳酸降解速度越慢。关键词：丙交酯；有机催化剂；聚乳酸；分子量控制；降解哈尔滨匸稈大学硕七学位论文AbstractPolylactide is a new polymer material, bearing wonderf

5、ul biocompatibility and biodegradability, and has a promising application prospect in the biomedical field. In practice, polylactide with different molecular weight has different performance and can be used for different purposes. Therefore, it has great significance to control the molecular weight

6、of polylactide during the synthesis process.In this dissertation, D, L-lactic acid was used to synthesize the molecular weight controlled polylactide through the indirect method using organocatalyst. It consists of synthesis and characterization of lactide, purification of lactide, living ring-openi

7、ng polymerization of lactide, the molecular weight control of polylacide, characterization and degradation of polylactide.First, lactide was prepared via dehydration and cyclization process of D, Llactic acid. The effects of different catalysts, reaction temperature and time on the yield of lactide

8、were investigated. The crude lactide was characterized by FT-IR and NMR. The results indicated that the highest yield was obtained by using zinc oxide-stannous octoate as the catalyst, the optimal synthesis procedure were as follows: dehydration of free water proceeded for 15h at 85C under 1500 Pa,

9、dehydration of bound water proceeded for 4h at 130C under 1500Pa after the zinc oxide-stannous octoate catalyst was added, and crude lactide was obtained by distillation at 210C under 500Pa.The crude lactide was purified via recrystallization by using ethyl acetate and anhydrous ethanol, respectivel

10、y. The results indicted that the purity of lactide was enough for polymerization after recrystallization four times in either solvent. Considering the issues of environmental protection and energy consumption, the optimum solvent was anhydrous ethanol, recrystallization temperature was 2C.Living rin

11、g-opening polymerization of lactide was carried out under normal temperature and pressure by using 1, &diazabicyclo(5. 4.0. )-7-undecene (DBU) as an organocatalyst and isopropanol as an initiator, the molecular weight controlled polylactide which can be applied to the biomedical field was successful

12、ly synthesized. The reaction mechanism is that an intermediate is formed via hydrogen bond between DBU and isopropanol, the electronegative oxygen of the intermediate has a nucleophilic effect on the carbon of carbonyl group in lactide molecule so that the ring-opening polymerization of lactide is p

13、erformed through the cracking of acyloxy bond.The polylactide was characterized by FT-IR and !H NMR. The molecular weight of polylactide was adjusted by adjusting the mol ratio of lactide and isopropanol, GPC analyses indicated that the molecular weight of polylactide could be effectively controlled

14、 and nanow polydispersity was obtained. The effects of polymerization time on the yield of polylactide were investigated, the optimum polymerization time of polylactide-3000, polylactide-5000, polylactide-7000 and polylactide-10000 was 20min, 30min, 40min and 50min, respectively.Analysis by TGA show

15、ed the molecular weight of polylactide has an obvious effect on its thermostability, and the polylactide with higher molecular weight has better thermostability. The degradation processes of polylactide pellicles in the PBS fluid of pH=74 were investigated. The results showed that the molecular weig

16、ht of polylactide has an effect on the degradation rate, and the polylactide with higher molecular weight has a slower degradation rate.Keywords: lactide; organocatalyst; polylactide; molecular weight control; degradation哈尔滨丁程大学硕士学位论文哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献

17、的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。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结果由本人承担。作者（签字）：& 日期： 上町年5月件日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印.缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论

18、文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（P在授予学位后即可在授予学位12个月后解密 后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：&导师（签字）：张g卜日期：2时年6月件日吗、年5月？日第1章绪论1.1课题研究背景随着医药和环保领域的需求，对生物降解材料的开发和研究越来越引起 人们的重视。所谓的生物降解材料是指在细菌、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酶解的高分子材料 一般来说，生物降解高分子指的是在生物或生物化学作

19、用过程中或生物环境 中可以发生降解的高分子。近年来，随着生物医用高分子的生物降解髙分子 材料的研究不断深入，人们对生物降解高分子材料的认识也逐步加深，应用 日益广泛，已涉及到食品包装、农用薄膜和医用材料等领域。常用的生物降 解材料有聚乙醇酸(PGA)、聚乳酸(PLA)和聚一己内酯(PCL)等，其中 被称为“绿色塑料”的聚乳酸最受重视【戮聚乳酸是一种新型的、环保的热塑性聚合物，其优点是具有良好的生物 相容性和生物降解性切。因其具有无毒、无积蓄、降解产物可参与人体新陈 代谢等优点，经美国食品和药品管理局批准，被广泛用于药物缓释胶囊、外 科手术缝合线、骨科内固定材料及作为通用高分子材料使用等“忙它在

20、自 然界中微生物、水、酸、碱等的作用下能完全分解，最终产物是C02和h2o(1ij2i, 中间产物乳酸也是体内正常糖代谢的产物，不会在重要器官聚集而产生不良 反应，而且对环境也无污染。随着人们环保和生态环境意识的增强，聚乳酸 的开发和利用越来越受到重视。聚乳酸的合成方法主要有直接聚合法、开坏聚合法、共聚法和扩链聚合 法等W目前采用较多的是丙交酯开环聚合法,国内大部分釆用锡盐类催化 剂如辛酸亚锡等作为丙交酯开环聚合的催化剂，但由于它们有细胞毒性，且会 有金属残留对生物体有害，合成的聚乳酸不适合用于医用材料。同时，聚合 反应过程需要在加热和减压条件下进行，反应时间长，而且产物聚乳酸的分 子量难以得

21、到有效控制。所以寻找不含锡的生物安全性高的催化剂、探索能 哈尔滨工稈大学硕七学位论文有效控制分子量且操作工艺简单的合成方法，是药用聚乳酸合成领域急待解 决的问题。1.2乳酸和聚乳酸的概述1.2.1原料单体和聚乳酸的结构与性质1.2.1.1 乳酸OHC严 H0IICOHD乳酸乳酸，又名丙醇酸或疑基丙酸，分子内有一个不对称的碳原子，根据光 学活性不同分为左旋光性乳酸(J乳酸)和右旋光性乳酸(D乳酸)【“】，其 结构式如图1.1所示。等量的J乳酸和D乳酸混合而成的D, L乳酸为外消旋乳 酸，不具有旋光性，因此，有3种不同旋光性的乳酸。天然存在于人体肌 肉组织内的为右旋及外消旋体，左旋体为哺乳动物的代

22、谢产物。L 乳酸图1.1乳酸光学异构结构式L乳酸为无色澄清粘性液体，水溶液显酸性反应。与水、乙醇或乙醛 能任意混合，但不溶于氯仿。因其左旋的特征，具有很好的生物相融性， 能与哺乳动物相融，可直接参与人体代谢、无任何副作用，被广泛应用于 食品、医药等领域。D乳酸为无色或微黄色澄清粘性液体、微酸味，有吸湿性，水溶液显 酸性反应，与水、乙醇或乙瞇能任意混合，在氯仿中不溶。D,乳酸，无色或淡黄色液体，无臭，有吸湿性，有酸味，相对密度 1.2492 (15*0,熔点 18*C,沸点 122C (2000Pa), 82-85*C (667-133Pa), 折射率1.4392,不溶于三氯化碳、二硫化碳、石油

23、醯、溶于水、乙醇和丙Ho1.2.1.2丙交酯丙交酯又名3, 6二甲基4二氧杂坏己烷2,5二酮，是乳酸分子间脱 水缩聚得到的低聚物在髙温下的裂解形式。纯品丙交酯是白色透明针状晶 体，易吸水并水解，易溶于酮类和乙酸乙酯。由于有两种不同光学活性的乳酸存在，其缩聚环化产物丙交酯相应有 四种光学异构体，即由2个J乳酸分子脱水形成的丙交酯为J丙交酯；由 2个D乳酸分子脱水形成的丙交酯为D丙交酯；由1个。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, 0丙交酯(meso-D,。丙交酯) 【”口；等量的L丙交酯和D丙交酯结晶时形成外消旋D, L丙交酯。其结构 式如图1.2所示：L丙交酯D 丙交酯图1

24、.2丙交酯光学异构体结构式丙交酯的四种光学异构体中，只有。丙交酯和D 丙交酯具有光学活性。 不同光学性质的丙交酯开环聚合得到的聚乳酸具有不同的序列结构。聚Lr 乳酸和聚D乳酸具有光学活性，聚合物链排列比较规整，有较高的结晶度 和机械强度。聚D,L乳酸是内消旋聚合物，分子排列无规则，呈非晶态， 结晶度和机械强度较差。1.2.1.3聚乳酸聚乳酸(PLA)也称聚丙交酯，属于聚酯家族，其结构式如图1.3所示:图1.3聚乳酸的结构式由于丙交酯有2个不对称碳原子，3种立体异构体，开环聚合得到的聚 乳酸具有三种基本立体异构体同：聚d-乳酸(PDLA)、聚L乳酸(PLLA)、 聚D,0乳酸(PDLLA)。由于

25、聚乳酸的光学活性不同，使其在聚集态的微观 结构上存在显著差异，从而导致其降解速率、力学强度、硬度、加工性能 等方面存在很多差异。各种不同旋光性的聚乳酸的基本性质1切见表1.1。表1.1聚乳酸的基本性质I切性能PDLAPLLAPDLLA溶解性均可溶于乙鼠、氯仿、二氯甲烷等，但PDLLA溶解性更好，均不溶于脂肪婭、乙醇、甲醇等.固体结构结晶性半结晶性无定形熔点(r180170-180玻璃化温度CC)55-6050-60热分解温度CC)200200185-200拉伸率(%)20-3020-30断裂强度(MPa)40-5050-60水解性(月)444-62-3同其它聚合物一样，聚乳酸的性能依赖于其受热

26、历史、分子量和分子 量分布以及纯度等因素，因制备的方法不同，要严格控制这些参数是困难 的，这就是不同文献中聚乳酸存在性能参数矛盾的原因纲。聚乳酸作为一种聚酯，其最重要的特性就是它降解性I2b22,o对于聚乳 酸的降解，可分为简单水解(酸碱催化)降解和酶催化水解降解。从物理 角度来看，分为均相降解和非均相降解，均相降解是指降解发生在聚合物 的表面和内部，而非均相降解则指降解反应发生在聚合物表面。从化学角 度来看，又存在三种降解机制心刑：(1) 疏水性的聚合物通过主链上不稳定键的水解变成低相对分子质量、 水溶性分子和单体。(2) 不溶于水的聚合物通过侧链基团的水解、离子化或质子化，变成水 溶性聚合

27、物。(3) 不溶于水的聚合物水解掉不稳定的交联链变成可溶于水的线型高分 子。聚乳酸的主要降解方式为本体侵蚀，.即以第一种降解机制为主(幻，根本 原因是聚乳酸分子链上C0键的水解而成低聚物，然后在酶的作用下进一步 降解为水和二氧化碳【均。聚乳酸的降解首先是非晶区的水解，导致力学性能 降低，其次是晶区的水解，水解反应会因竣基的存在而加快刃。内部降解的 速度要比表面的快，因为在内部存在着自催化作用【的。在降解开始的时候， 基质中酯键的水解是各向同性的，在降解过程中聚乳酸类聚合物的端竣基(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，端竣基抵增加, 降解速率加快。水解到一定程度后，在酶的

28、作用下新陈代谢，使降解过程得 以完成。聚合物在体内的降解过程称为溶蚀过程，是由不溶于水的固体变成水溶 性物质。聚乳酸及共聚物的体外降解可认为主要是酯键的酸碱水解所致。在 酸碱水解初期，聚合物酯键水解断裂是随意的，链的分子被酸碱水解的位点 多，故分子量下降快，但是短链分子仍有一定的聚合度，且粘附在一起，重 量丧失不明显。当分子量小到可溶于水的极限值时，整体结构即发生变形和 失重，样品开始溶解，生成可溶的降解产物。对于聚左旋乳酸来说，甲基处于全同立构状态可以结晶，降解速度很 慢，在体内完全降解吸收时间可达2-8年;而聚混旋乳酸为非结晶性高分子， 其无定形区域增加了水的吸收，降解速度快。聚乳酸降解是

29、一个复杂的过 5哈尔滨T程大学硕七学位论文程，降解速率不仅与聚合物的化学结构、相对分子质量及其分布、形态结 构和尺寸有关，而且依赖于水解环境。聚乳酸的另一特性是它是一种热力学不稳定材料，在高温下其分子量 会发生显著降低(如通过酯交换反应)o实验显示聚混旋乳酸在热降解时， 分子量下降迅速，因此，可以判断聚混旋乳酸的热降解属无规降解过程。 它有两个破坏阶段:第一个是在低温区(160300C),表现为聚合物的粘均 分子量急剧下降，该过程的主要产物是低聚物。第二个过程是在高温区 (3CXKXTC),此时，低聚物继续裂解为单体，单体分解直至挥发，质量 开始迅速下降。通过溶解沉淀抽提的纯化方法和封端拜基都

30、可以提高其热 力学稳定性旳。此外，聚乳酸还具有良好的生物降解性、生物相容性和生物可吸收性。 在生物体内其先转变成生物体本身存在的乳酸，可参与新陈代谢作用，在 自然界和生物体中都可以最终转化成为二氧化碳和水，对人体无毒无害， 对环境无污染。1.2.2聚乳酸的合成方法目前，聚乳酸最主要的两种聚合方法旳是：直接聚合法和开环聚合 法。直接聚合法生产工艺简单、价廉，不需要分离反应的中间体，但分子 量较低，且分子量分布较广，其性能不能满足生物医学上的某些需要。一 直以来，人们更为关注的是丙交酯的开环聚合【均，这种聚合方法较易实现, 且可制备物理机械性能好的聚乳酸，但该法生产成本较直接聚合要高。 1.2.2

31、.1直接聚合法聚乳酸的直接聚合是典型的缩聚反应。利用乳酸的活性，通过加热， 乳酸分子间发生脱水缩合反应，得到一定分子量的聚乳酸。其聚合反应过 稈如图1.4所示：ch3 0I IIn HOCHCOH图1.4直接缩聚制备聚乳酸的反应方程式直接缩聚法在体系中存在着游离酸、水、聚酯及丙交酯的平衡，反应 副产品在粘性熔融物中难以去除，很难保证反应向正反应方向进行，故一 般不易得到高相对分子质量的聚合物1判。(1) 乳酸溶液聚合溶液缩聚是指在缩聚反应体系中使用一种不参与聚合反应，但能够溶 解聚合物的高沸点有机溶剂卩习，如联苯瞇，在一定温度和真空度下让其与 单体乳酸、水进行共沸回流，回流液经过除水后返回到反

32、应容器中，逐渐 将反应体系中所含的微量水分带出，推动反应向聚合方向进行，从而获得 一定分子质量的聚乳酸。由于本聚合方法对脱水控制的要求较高，目前仅 日本有相对分子质量数十万的报道，国内该方面的研究水平仍有待提高 35旳O溶液聚合的特点是反应温度始终处于体系的共沸点下，易于控制，可 避免由于升温和局部过热而带来的聚合物降解，缺点是聚合过程中要使用 有机溶剂，聚合结束后要涉及到有机溶剂的回收和分离的问题，使得过程 更复杂了，增加了投资成本。同时由于使用的是高沸点的有机溶剂给聚乳 酸的纯化带来困难，特别是残留的高沸点溶剂气味，甚至会影响聚乳酸的 应用B叫(2) 乳酸熔融聚合乳酸的熔融聚合是以乳酸为原

33、料，直接加热进行缩聚反应，反应过程 中反应体系处于熔融状态，生成的低沸物、水等依靠真空排除。与溶液聚 合相比，得到的产物纯净，而且不需要分离介质，减少了很多后处理工序, 但是产物相对分子质量不高，因为随着反应的进行，体系的粘度越来越大, 小分子难以排出，平衡难以向聚合方向移动，通过该法得到的聚乳酸难以 达到实用的要求。为了提高聚乳酸产物的分子量，在熔融缩聚合法的基础上又开发了扩 链反应和固相聚合。扩链反应是通过扩链剂的活性基团与聚酯的端缸基反 应来提高聚酯的相对分子质量。扩链剂主要是一些具有双官能的高活性小 分子化合物。Woo等卩刃采用己二乙鼠酸酯（HDI）作为扩链剂，使聚乳酸的 增长至了 7

34、6000。国内的封端江等（啊选用芒香族异歓酸酯作为扩链剂，对乳 酸进行扩链，所得聚合物的相对分子质量高达十几万。固相聚合是固态的 低聚物在聚合温度低于熔点而高于其玻璃化转变温度下进行的聚合反应。 该法首先将乳酸熔融聚合得到分子量较低的聚合物，然后低聚物进行固相 聚合。因固相聚合温度低，可明显降低聚乳酸的热降解副反应，并促进残 留乳酸单体转化率的提高，该法有效的提高了聚乳酸的分子量。1.2.2.2开环聚合法目前，丙交酯开环聚合法是制备聚乳酸最常用的方法。该方法制备聚 乳酸一般采用两步法，第一步是由乳酸脱水环化制得丙交酯；第二步是由 精制过的丙交酯开环聚合制备聚乳酸。其反应方程式如图1.5所示：O

35、图15丙交酯开环聚合制备聚乳酸丙交酯开环聚合是迄今为止研究毘充分的一种聚合方法，影响丙交酯 开环聚合的因素很多，如单体纯度、聚合真空度、温度、时间、催化剂等0*】, 其中最关键的是丙交酯的纯度和催化剂。通过丙交酯开环聚合可制备满足 实际应用要求的聚乳酸，且产品具有较好的物理机械性能。但是该法生产 9哈尔滨工稈大学硕七学位论文工艺冗长，工艺复杂，特别在丙交酯精制过程中需要多次重结晶，耗费了 大量的溶剂，降低了产品的收率，导致价格昂贵，限制了聚乳酸的工业化 生产。丙交酯开坏聚合反应所用的催化剂有多种，根据催化剂的种类大致可 将丙交酯开环聚合分为4种阳离子型开环聚合、阴离子型开环聚合、 配位型开环聚

36、合和酶催化开环聚合。(1) 阳离子型开环聚合阳离子型开环聚合的催化剂主要有质子酸，包括竣酸、FSO3Hl46k对 苯甲磺酸等；Lewis酸，包括AlCb、FeCh、ZnCl2 BF3l47)等；此外还有烷 基化试剂如BF3OEt2和醸基化试剂如CH3CO(咲)OCb等也可作为其阳离子 开环聚合的催化剂。阳离子开环聚合的引发机理为阳离子先与单体中氧原 子作用生成翁离子或氧翁离子，经过单分子开环反应生成酰基正离子，并 引发单体进行增长。该类催化剂的缺点是只能进行内酯本体聚合，且产物 分子量不高。(2) 阴离子型开环聚合阴离子开环聚合的引发剂是碱金属化合物，如：醇钠、醇钾、丁基锂 等【创。阴离子型催

37、化剂引发丙交酯的开环聚合机理不完全是阴离子机制， 其开环聚合引发机理为负离子亲核进攻丙交酯的拨基，酰氧键发生断裂， 从而实现丙交酯的开环聚合。该聚合反应的特点是反应速度快，活性高， 可进行溶液和本体聚合，但是同时副反应也比较明显，不易得到高相对分 子量的聚合物。(3) 配位型开环聚合配位开环聚合也称配位-插入聚合，是目前研究最多的一类反应。催化 剂主要为过渡金属的有机化合物和氧化物，研究较多的是有机锡和有机铝 (49,0它的引发机理是单体与引发剂的空轨道形成络合后酰氧键断裂。这类 催化剂的使用不会出现消旋现象，但得到的聚合物的分子量分布较宽。有机锡作为催化剂催化丙交酯开环聚合反应，是目前国内丙

38、交酯开环 #哈尔滨工程大学硕士学位论文聚合最常月的催化剂，该类催化剂具有高效的催化性能，且其中Sn（0ct）2 已经通过了美国食品医药局检验1刈，可作为常用的引发剂，有机铝对内酯 的开环聚合，用带官能基（如烯基等）的有机铝催化剂引发丙交酯开环聚 合得到聚乳酸远鳌聚合物，进而可制备接枝、星形等结构的共聚物。邓先 模等利用丁基铝复合催化剂，催化丙交酯开环聚合已经成功制备了超高 分子量的聚乳酸。近年来，人们也开始了稀土催化剂对丙交酯开环聚合的研究，由于稀 土金属元素具有较强的络合能力，因而引发丙交酯的开环聚合反应也属于 配位开坏聚合，其机理与烷氧基铝的催化机理相似，但反应速度高得多。123聚乳酸的应

39、用聚乳酸是利用有机酸（乳酸）为原料生产的新型聚酯材料，具有良好 的生物可降解性，被材料学界定为新世纪最有发展前途的新型材料。不同 相对分子质量的聚乳酸，其应用范围也存在一定的差异，已根据聚乳酸相 对分子质量的不同，在日常生活领域、农业生产领域、生物医学工程领域 得到了广泛的应用。据专家预测在不久的将来聚乳酸将全面取代聚乙烯、 聚丙烯、聚苯乙烯等材料，应用前景广阔。1.2.3.1日常生活领域聚乳酸作为环保材料而大量应用于日常生活中。由于我们日常生活中 常用的一些高分子材料，如某些塑料和纤维制品，使用后的废弃物往往难 以由生物降解，对坏境造成不同程度的污染，成为世界的一大公害，而聚 乳酸作为具有优

40、良的可生物降解性和易加工性的高分子材料，其应用越来 越受到人们的重视。在纺织用材料方面，聚乳酸切片经纺丝可以制成长丝、短丝、单丝、 扁平丝52J,并可进一步加工成机织物、针织物、非织造物等产品。由聚乳 酸熔融纺丝制得的纤维具有真丝光泽、柔软的手感以及优良的抗紫外性、 生物可降解性、抗菌性等，应用分散颜料在常压下90C可进行染色，获得 哈尔滨T程大学硕七学位论文各种色泽、耐洗涤防皱等多种性能【呵。在包装行业，聚乳酸作为一种重要原料，具有高透明、高光泽度、良 好的刚性与气味隔绝性及耐油脂性,.可以像聚氯乙烯、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、包装歩、包装盒、食 品容器

41、、一次性快餐盒、饮料用瓶等(列。在降解塑料领域，国际市场相继出现了 5种牌号的聚乳酸树脂。虽然, 现在聚乳酸树脂的价格较高，但多数生产商认为聚乳酸树脂今后完全可以 代替现有的生物降解材料，并对聚烯绘聚合物形成冲击。聚乳酸被产业界定 为新世纪最有发展前途的新型包装材料，是环保包装材料的一颗明星。 1.23.2农业生产领域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 用地膜卩久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 乳酸的应用将越來越广

42、，越来越好。1.23.3生物医学工程领域随着人类对医用高分子材料要求的日益苛刻，不但要求材料具有良好 的理化性能，而且要求与人体组织有良好的相容性、无毒、合适的生物降 解性，有一定的机械性能和耐久性。聚乳酸作为一种新型的生物可降解材 料，完全符合医用高分子材料的要求，在生物医学工程领域得到了广泛的 应用。(1)药物控制释放体系药物控制释放体系，即将药理活性分子与天然或合成高分子载体结合 或复合，投施后在不降低原来药效及抑制副作用的情况下，以适当的浓度 和持续时间，导向集积到患者的器官、细胞部位以充分发挥原来的药物疗 效体系。生物可降性高分子用作药物缓释材料，可以克服非降解型缓释材 料释放完毕后

43、载体必须从活体中取出的缺点旳。聚乳酸作为缓释药物的载 11哈尔滨工稈大学硕七学位论文体有两种情形：一是使用其作为药物胶曩，抑制药物吞噬细菌的作用，让 药物定量持续释放以保持血液内药物浓度相对平稳，减小药物用量，同时 降低一些药物集中吸收对肠胃刺激性及毒副作用；二是作为囊膜材料用于 药物酶制剂、生物制品微珠，作为每一粒珠的微型包覆，以利于有效地控 制药物剂量的平稳释放。(2) 骨科固定及组织修复材料组织工程是通过将体外培养的高浓度组织细胞种植在生物支架内，形 成一个生物活性的种植体，当植入病变部位，生物材料被降解吸收时，新 的组织或器官就形成，达到修复或重建缺损的组织或器官，其核心就是构 建种植

44、细胞和生物材料的三维复合材料。聚乳酸因其具有良好的生物相容性和生物可降解性，在组织工程中的 应用极为广泛，在骨组织再生、软骨组织再生、人造皮肤、周围神经修复 等方面均可作为细胞生长载体使用，并取得令人满意的结果【刈。这个领域 包括两个方面【冈，一是要求植入聚合物在创伤愈合过程中缓慢降解，主要 用于骨折内固定材料，如骨夹板、骨螺钉等；另一类要求在相当时间内聚 合物缓慢降解，在初期或一定时间内在材料上培养组织细胞，让其生长成 组织、器官，如软骨、肝、血管、神经和皮肤等。通过大量的临床试验证 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

45、用的步伐。(3) 外科手术缝合线3加】在对人体进行外科手术时，传统的手术缝合线是聚酰技、聚丙烯材质 的，伤口痊愈后此类非降解的缝合线将永久留在人体内，而人体内部组织 会对此缝合线产生排异现象。因而，对新型的可降解的医用手术缝合线的 需求就十分的迫切。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。聚乳酸手术缝合线具有较强 的抗张强度、能有效地控制聚合物的降解速度，随着伤口的愈合，缝线自动 缓慢降解。聚乳酸缝合线一经问世立即受到医生们的青睐，目前国内各大 哈尔滨丁穆大学硕士学位论文医院也在使用从国外进口的聚乳酸缝合线。(4) 眼科植入材料近年来，随着人类工

46、作和学习压力的增加，患有眼科疾病的人越来越 多，尤其是视网膜脱落已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，而将聚乳酸及其共聚物作为眼科材料制成 长效缓释系统就可能成为治疗视网膜脱落的有效方法。1.3合成聚乳酸的分子量控制研究13.1分子量控制的意义聚乳酸是一种典型的合成类生物可降解材料，具有良好的力学性能及易 加工成型的优点【别，目前已在很多领域得到广泛的应用。聚乳酸的相对分子 质量与其力学性能和可塑性有很大的关系，其力学强度随着聚乳酸的相对分 子质量的增大而增大，血其可塑性却随着聚乳酸的相对分子

47、质量的增大而下 降。强度大的聚乳酸适合于生产工程塑料和生物医用材料，而可塑性大的聚 乳酸则适合于生产纺织品、纤维制品、农用地膜等日常生活领域及农业生产 领域使用的材料。根拯聚乳酸的这一特性，在聚乳酸的制备过程中，根据需 要，人为的控制一定的分子量，制备出目标分子质量的聚乳酸，进而制备出 相对分子质量的聚乳酸材料，可满足实际生活中不同领域的使用需求。近年来，随着人们对聚乳酸性能研究的不断深入，越来越意识到聚乳酸 是一种具有优良性能的髙分子材料，适合在很多领域应用，其应用范围必将 越来越广泛，而不同领域又需要不同分子质量的聚乳酸材料。作为通用材料 使用时，聚乳酸的分子量100000；用于药物输送系

48、统的聚乳酸，分子量在 400010000之间，因为这种分子量的聚乳酸在体内的降解符合药物释放的需 要因此，聚乳酸合成过程中的分子量控制具有重要的意义。1.3.2合成聚乳酸分子量控制国内研究现状聚乳酸由于其独特的性能，正不断的引起人们对其研究和开发的兴趣。 国内有很多科研人员从事合成聚乳酸的研究，同时也已经有了很多关于合成 聚乳酸的文献报道，但关于合成聚乳酸分子量控制的相关报道却很少。只有 沈之荃等创在1990年用自己开发的稀土化合物.三烷基铝.水组成的配位催化 剂使丙交酯聚合，并能有效控制分子量，得到分子量分布1.5的聚乳酸的报道, 但该类催化剂的制备及纯化比较困难。目前，国内对于合成聚乳酸分

49、子景控制的研究正处在初级阶段，对于该 方面的研究也还很不深入，还有待于进一步研究。1.3.3合成聚乳酸分子量控制国外研究现状从1932年Carothers等人第一次证实了可用丙交酯开环聚合的方法合成 聚乳酸以来，人们一直在从事着丙交酯的开环聚合方面的研究。关于合成聚 乳酸分子量控制的研究，国外已经取得了一定的研究进展，不断有通过使用 不同的催化剂实现聚乳酸分子就可控的文献报道。Connor等人创研究了使用N杂环卡宾为催化剂催化丙交酯开环聚合，能 够很好的控制聚乳酸的分子量，而且得到的聚乳酸分子量分布很窄；Myers 等人网研究了使用磷化氢类催化剂，以苯甲醇为引发剂，合成出分子量分布 很窄的目标

50、分子量的聚乳酸；Lohmeijer等人列研究了使用联、肌类有机催化 剂，以二氯甲烷为溶剂，醇为引发剂，实现了聚乳酸分子量的控制；最近， Bourissou等人使】研究了以二烷基氨基毗碇(DMAP)为催化剂，醇为引发剂， 在室温下反应几小时就能实现很高的单体转化率，同时，在研究中发现聚乳 酸的分子量与单体和引发剂的比例成线性关系，通过控制引发剂的加入量， 可实现对聚乳酸分子量的控制。#哈尔滨T稈大学硕士学位论文1.4本论文的主要研究内容聚乳酸作为一种新型的生物可降解的高分子材料，具有很多优异的性能, 不同分子量的聚乳酸在不同的领域得到广泛使用，但当聚乳酸作为医用材料 使用时，要求其可完全生物降解

51、，对人体没有毒害，因此，制备出一种可广 泛应用于医用材料的聚乳酸，受到人们的广泛瞩目。本文旨在研究使用有机 催化剂，在常温常压下，制备分子量得到有效控制的可用作医用材料的聚乳 酸。主要研究工作包括以下几方面：(1) 以D, J乳酸为原料，脱水环化合成丙交酯。利用红外光谱和核磁共 振氢谱对粗品丙交酯进行表征。对丙交酯合成过程中的工艺参数进行优化， 分析催化剂种类、反应温度、反应时间及真空度对丙交酯产率的影响，确定 合成丙交酯的最佳工艺参数。(2) 采用重结晶法提纯丙交酯。分析乙酸乙酯和无水乙醇两种重结晶溶 剂对丙交酯提纯效果的影响，确定适宜的重结晶溶剂、重结晶温度和重结晶 次数。 采用1,8二氮

52、杂双环5.4.0-7-十一碳烯(DBU)作为催化，以异丙醇 为引发剂，在常温常压下实现丙交酯的活性开环聚合反应，探讨DBU催化开 环聚合丙交酯的反应机理。利用红外光谱、核磁共振氢谱和凝胶渗透色谱 等分析测试手段对聚乳酸的结构和分子量进行表征。(4) 分析聚乳酸分子量的控制原理，通过调节聚合反应投料时单体和引 发剂的摩尔比(Mo/Io)，实现聚乳酸的分子量的有效控制。(5) 分析反应时间对不同分子量聚乳酸产率的影响，确定不同分子量聚 乳酸适宜的反应时间。探讨不同分子量聚乳酸的热稳定性及在磷酸盐缓冲液 中的加速降解情况。第2章实验部分2.1实验原料及设备2.1.1实验原料表2.1为实验所使用的化学

53、试剂。实验所采用化学试剂均为分析纯。表21化学试剂试剂名称纯度生产厂家D,。乳酸（质量分数85%）分析纯天津市东丽区天大化学试剂厂辛酸亚锡分析纯国药集团化学试剂有限公司氧化锌分析纯天津市科密欧化学试剂氯化钙分析纯北票井氢氧化钙厂出品高真空硅脂分析纯武汉市風心化工厂乙酸乙酯分析纯天津市瑞金特化学品有限公司无水乙醇分析纯天津市东丽区天大化学试剂厂1, &二氮杂双环5.4.0卜7十一分析纯上海浩深贸易有限公司碳烯(DBU)异丙醇分析纯天津市东丽区天大化学试剂厂二氯甲烷分析纯天津市东丽区天大化学试剂厂苯甲酸分析纯天津市化学试剂三厂甲醇分析纯天津市东丽区天大化学试剂厂氢化钙分析纯国药集团化学试剂有限公司

54、氯化钠分析纯天津市东丽区天大化学试剂厂氯化钾分析纯天津市大茂化学试剂厂磷酸氢二钠分析纯天津市风船化学试剂科技有限公司磷酸二氢钾分析纯天津市化学试剂三厂#哈尔滨丁科大学硕十学位论文2.1.2实验设备及仪器实验所用主要设备见表2.2。表2.2实验设备实验仪器型号生产厂家电子分析天平FA2004上海天平仪器厂真空泵2XZ-1上海徳英真空照明设备有限公司循环水式真空泵SH2-D巩义市予华仪器有限责任公司搅拌数显恒温电热套SHT山东郅城科源仪器设备有限公司真空干燥箱BPZ-6033LG上海一恒科学仪器有限公司电热鼓风干燥箱10MAB天津泰斯特仪器有限公司真空表Y-60上海正宝压力表厂磨口玻璃仪器一套济南

55、玻璃仪器厂红外光谱仪FT-IR 360美国NICOLET公司核磁共振光谱仪JNM-A400H日本电子公司玛瑙研钵120mm辽宁省凌源市宋杖子中学玛瑙加工厂电热恒温水浴锅DK-98-1天津市泰斯特夂器有限公司抽滤装置一套一济南玻璃仪器厂恒温磁力搅拌器85-1国华电器有限公司微址计量进样器100/iL上海高鸽工贸有限公司玻璃注射器ImL上海高鸽工贸有限公司凝胶渗透色谱GPC-900日本分光公司热失垂分析仪050美国仪器公司2.2实验方案与工艺2.2.1实验方案本实验采用丙交酯开环聚合法制备聚乳酸，设计实验方案如图2.1所ZJ O图2.1实验方案2.2.2 D, L丙交酯的合成丙交酯的制备分三个阶段

56、进行：2.2.2.1减压脱自由水将50mL乳酸与少量沸石加入到配有温度计的250mL的三口烧瓶中, 19哈尔滨丁稈大学硕士学位论文安装冷凝管、尾接瓶及减压蒸憎装置，以可控温的磁力搅拌电热套为热源, 用配有CaCb干燥系统的油泵减压，在压力为1500Pa,温度为70-90*C时减 压蒸1.5h左右,使原料乳酸中的自由水充分脱出。2.2.22减压脱结合水脱自由水完全后，再加入乳酸脱水缩聚反应的催化剂，0.575g氧化锌 和0.5mL辛酸亚锡，应将氧化锌粉末尽量分散在反应液中，然后逐渐加热 升温至130C左右，逐步减压至1500Pa,反应4h,通过分子间疑基和竣基 的脱水缩聚后，乳酸生成低聚乳酸。2

57、.2.23产品蒸出最后进行低聚乳酸的高温裂解，将水冷凝改为空气冷凝，减压蒸憎收 集丙交酯。裂解温度升温至210-C左右，体系压力保持在500Pa,即可见淡 黄色液体蒸出，接收到的淡黄色液体室温冷却会析出淡黄色晶体，即为合 成的粗品丙交酯。实验装置如图2.2所示。接收瓶图2.2丙交酯合成装置图哈尔滨工稈大学硕士学仗论文A%实际丙交酯产量 理论丙交酯产量其中，丙交酯产率计算公式(21)如下:-_xl00%vnn. xpx85%x-D5 戸90.08x2式中：A 粗丙交酯的产率()；Mg 产物丙交酯的质量(g)；% 原料乳酸的体积(mL)； p 原料乳酸的密度，l194g/mL；144.12 , 90.08丙交酯和乳