生物可降解材料聚乳酸的制备改性及应用演示教学

1、生物可降解材料聚乳 酸的制备改性及应用精品资料仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢 精品资料仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢 生物可降解材料聚乳酸的制备改性及应用摘要：聚乳酸（PLQ是人工合成的可生物降解的的热塑性脂肪族聚酯，其具有良好的机械 性能、热塑性、生物相容性和生物降解性等，广泛应用于可控释材料、生物医用材料、组 织工程材料、合成纤维等领域。本文主要介绍了聚乳酸的合成、改性及其在各个领域的应 用。关键词：聚乳酸；生物降解；合成；应用随着大量高分子材料在各个领域的应用，废弃高分子材料对环境的污染有着日益加剧 的趋势。处理高分子材料的一些老套方法如焚烧、掩埋、熔融共混挤出

2、法、回收利用等都 存在缺陷并有一定的局限性，给环境带来严重的负荷，因此开发环境可接受的降解性高分 子材料是解决环境污染的重要途径。而乳酸主要来源于自然界十分丰富的可再生植物资源 如玉米淀粉、甜菜糖等的发酵。聚乳酸（polylactide简称PLA）在自然环境中可被水解或微 生物降解为无公害的最终产物 CO2和H2O,对其进行堆肥或焚烧处理也不会带来新的环境 污染1。此外聚乳酸及其共聚物是一种具有优良的生物相容性的合成高分子材料。它具有 无毒、无刺激性、强度高、可塑性强、易加工成型等特点，因而被认为是最有前途的生物 可降解高分子材料2o利用其可降解性，也可用作生物医用材料如组织支架、外科手术缝

3、合线、专业包装、外科固定等。1生物降解机理3，4生物降解是指高分子材料通过溶剂化作用、简单水解或酶反应，以及其他有机体转化为相对简单的中间产物或小分子的过程。高分子材料的生物降解过程可分为4个阶段：水合作用、强度损失、物质整体化丧失和质量损失。微生物首先向体外分泌水解酶，与可生 物降解材料表面结合，通过水解切断这些材料表面的高分子链，生成低相对分子质量的化 合物（有机酸、糖等），然后，降解的生成物被微生物摄入体内，合成为微生物体物或转化 为微生物活动能量，在耗氧条件下转化为 CO2,完成生物降解的全过程。材料的结构是决 定其是否可生物降解的根本因素。合成高分子多为憎水性的，一般不能生物降解，只

4、有能 保持一定湿度的材料才有可能生物降解。含有亲水性基团的高分子可保持一定的湿度，宜 生物降解，同时含有亲水和憎水基的聚合物生物降解性好。一般分子量大的材料较分子量 小的更难生物降解；脂肪族聚合物比相应的芳香族聚合物容易生物降解；支化和交联会降 低材料的生物降解性。另外，材料表面的特性对生物降解也有影响，粗糙表面材料比光滑 表面材料更易降解。影响可生物降解性的化学因素主要有高分子的亲水性、构型、形态结 构、链段的活动性、分子量、高聚物的组成以及上述因素之间的相互关系等。高分子的亲 水性越强越易水解，水解酶对酯键、酰胺键和氨基甲酸酯都有较强的作用；无定型态的高 聚物比结晶状态容易水解；分子链段越

5、柔顺，玻璃化温度越低，越有利于降解；链段活动 性越大，自由体积越大，越容易受到酶的进攻，也就越容易降解；可降解性随着分子量增 大而降低；高聚物的组成，如共混、共聚等也影响着高分子的可降解性。一般情况下只有 极性高分子才能与酶相吸附并能很好亲和，因此高分子具有极性是生物降解的必要条件。具有生物降解性（包括水解）的分子化学结构有：脂肪族酯键、吹键、脂肪族醴键、亚甲 基、氨基、酰氨基、烯氨基、芳香族偶氮基、月尿基、氨基甲酸乙酯等。2聚乳酸的基本性质聚乳酸是以微生物的发酵产物L-乳酸为单体聚合成的一类聚合物，可以分为聚左旋乳 酸（PLLA）、聚右旋乳酸（PDLA和聚消旋乳酸（PDLLA）三种。具体性能

6、见表1。其中， 常用易得的是PLLA和PDLLA。PLLA是半结晶性相当硬的材料。PLLA和PDLA的外消旋体 是结晶性的，相反PDLLA是无定形的透明的材料60聚乳酸的熔点较高，其物理性质介于 PET （聚对苯二甲酸类塑料）ffiPA-6 （尼龙塑料）之间，结晶度大、透明度极好，有良好的抗 溶剂性、防潮、耐油脂、透气性，还具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性。聚乳酸的热稳定性好，适用于吹塑、吸塑、挤出纺丝、注塑和发泡等多种加工方法，可加工成薄膜、 包装袋、包装盒、一次性快餐盒、饮料用瓶以及医用材料，使得其在服装、包装、玩具和 医疗卫生等领域拥有广泛的应用前景。表1聚乳酸的基本性能性能?DLA?

7、LLAPDLLA语解性均可需于二嘿烷、氢像二氯甲烷等，PDLLA溶解住最好.不溶幅肪琼,乙餐、甲符等固体结构结晶性结晶性无定监性燧点汽18930坡璃化濡嗖汽-鸵热分解温度/C出215HR心伸军典20 -3020-50断裂强度危10一5力5.QFJ0水解性生理款水中|-6| 62-3的强度减华时间用）3聚乳酸的合成方法PLA 一般可以通过乳酸的直接缩聚 也可以由内交酯经阴离子型 阳离子型和配位型的开环聚合制得。一般来说 乳酸直接聚合或丙交酯（lactide简称LA）的阴离子开环聚合所得到的PLA分子量较低因此 要合成高分子量 高转化率的PLA需要采用阳离子型或配位型开环 聚合。3.1乳酸直接缩聚

8、乳酸的直接缩聚由于存在着乳酸、水、聚酯及丙交酯的平衡，不易得到高分子量的聚 合物。在脱水剂的存在下，乳酸分子中的羟基和竣基受热脱水，直接缩聚合成低聚物，加 入催化剂，继续升温，低相对分子质量的聚乳酸聚合成更高相对分子量的聚乳酸。它主要 有溶液缩聚法、熔融缩聚（本体聚合）法、熔融 -固相缩聚法和反应挤出聚合法等。n HO CH-COOH Zn + I Cf H-C十 110HITPI HCH?CH.O图】乳峻直接聚合直接缩聚法生产工艺简单 但一般只能得到分子量小于1万的PLA当缩聚温度低于120 时加入脱水剂ZnO可以加快缩聚速度Ajioka等口利用一步法制备出重均分子量达 30万的 PLA但难

9、于进一步提高分子量 且分子量分布较宽 其性能不能满足生物医学上的某些需要。 3.2丙交酯的开环聚合目前研究合成聚乳酸的最多方法是内交酯的开环聚合，其开环聚合的机理有阳离子聚 合、阴离子聚合、配位聚合3种网。阴离子开环聚合1990年 Kricheldorf H. R. 9以 BzOKPhOK tBuOK 和 BuLi 为催化剂对 L-LA 实施开环聚 合。发现只有当引发剂的碱性较大时如tBuOK和BuLi才可能使L-LA发生开环聚合，得到的聚合物分子量也较低,并且在聚合过程中发生聚合物部分消旋化的现象。Kricheldorf等10报道了 BuMgCl Bu2Mg Mg(Oet)2等对内酯的开环聚

10、合，Mg有一定的络合能力，反应 活性有所提高，但缺点是反应时间过长。他使用格氏试剂BuMgCl催化LA聚合发现有部分消旋现象得到产物的分子量低。推断该引发过程伴随有部分阴离子聚合机理，出现离域 阴离子。阳离子型开环聚合阴离子开环聚合反应是以催化剂亲核进攻丙交酯的好基，酰氧键断裂后生成的。这 类反应一般以强碱为催化剂，如 Na2CO3、KOH、ROLi、ROK等。现以ROLi为例，反应 为 11:L-丙交酯阴离子开环聚合经常伴有消旋现象，这是由于内交酯环上的叔碳原子脱质子 所致。这类催化剂反应速度快、活性高，可进行本体或溶液聚合，但副反应极为明显，不 利于制备高分子量的聚合物。配位插入开环聚合配

11、位插入开环聚合反应一般认为是单体上的氧原子与催化剂金属的空轨道配位络合， 单体再在金属-碳或金属-烷氧链上进行插入和增长120催化剂主要为过渡金属有机化合物 和氧化物。这类反应的催化剂种类很多如烷基金属和烷基金属化合物。如AL(Oi2Pr)3,Sn(Oct)2、烷基稀土配位化合物、BuSnOMe、吓咻铝等。其中Sn(Oct)2已成为最常用、最有 效的催化剂，具催化剂机理为：吓咻铝作为配位开环聚合的一种催化剂，其引发聚合得到的聚合物的分子量分布非常窄。而且这种催化剂有很好的立构选择性。但是这类催化剂的活性不高。Kricheldorf等用MgBu2和格氏试剂作为引发体系，发现在有冠醴作溶剂时它们能

12、非常有效地催化L-丙交酯开环聚合得到分子量高达100万的聚合物，但这类催化剂对实验条件要求非常高。由此可 以看出配位插入开环聚合在合成聚乳酸中发挥的重要作用。4聚乳酸的改性化学改性共聚改性共聚改性是通过调节LA与其他单体的比例来改变聚合物的性能，或由其他单体向PLA提供特殊功能基团，以此来改善 PLA的亲水性、结晶性等性能。宋谋道等13采用PEG 精品资料仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢 精品资料仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢 精品资料仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢 与内交醋共聚，制得高分子质量的 PLA-PEG PLA嵌段共聚物。当PEG含量达到一定 程

13、度（如质量分数达到7.7%）后，共聚物出现了屈服拉伸，克服了 PLA的脆性。这种脆性 向韧性的转变说明，用PEG改性的PLA是一种综合性能可调控的生物降解材料。Yoshikuni Teramoto等14用几种方法合成了纤维素双乙酸醋与 PLA接枝共聚物。DSC （差 示扫描量热仪）测试结果表明，改性后的共聚物均只具有单一的玻璃化转变温度，而且玻璃 化转变温度有很大程度的降低，共聚物的摩尔乳酸基取代系数（ MS）变大。当MS升高到 14以上时，PLA侧链具有可结晶性。且共聚物的可拉伸性随着 PLA含量提高有很大的提 高，当MS14时，最大断裂伸长达到2000%。表面改性Ainingzhu等15通

14、过壳聚糖上的自由氨基与4 一叠氮苯甲酸上的梭基进行反应，将 4-叠 氮苯甲酸固定在壳聚糖上。利用 4-叠氮苯甲酸的光敏性，采用紫外光照射涂抹在PLA薄膜表面的壳聚糖，叠氮基团光解，从而将 PLA和壳聚糖共价连接起来。改性后壳聚糖上的轻 基和氨基又可以引人其他的官能团，从而可以对PLA进行进一步的改性，如肝磷脂进一步改性后可在PLA表面形成聚合（高分子）电解质，能防止血小板附着在聚合物表面上，同时 还加强了细胞的附着力。物理改性共混改性共混改性是将两种或两种以上的聚合物进行混合，通过聚合物各组分性能的复合来达 到改性的目的。共混物除具有各组分固有的优良性能外，还由于组分间某种协同效应而呈 现新的

15、效应。淀粉是一种可自然降解的亲水性材料，它与 PLA的共混物可完全生物降解。在淀粉与 PLA共混物中PLA作为连续母相存在，而淀粉则作为填充剂。当淀粉含量超过60%, PLA相变的不连续。PLA与淀粉之间的界面粘合力随着共混物的老化而降低，MDI可以改善这种界面粘合力，从而延缓 PLA/淀粉共混物的老化，延缓机械性能的降低。Kelly S.Anderson等16,则研究了 PLA与LL-DPE熔融共混物，发现半结晶的PIA不用增塑剂，通过共混即 可改善其韧性，而无定形的 PLA,则需要用PLLA、PE嵌段共聚物作增塑剂，才可以通过 共混来改善其韧性。增塑改性增塑改性就是在高聚物中混溶一定量的高

16、沸点、低挥发性的低分子量物质，从而改善 其机械性能与加工性能。复合改性纤维复合改性主要是为了提高材料的机械性能。碳纤维因为其高强度和优良的生物相容性成为很好的PLA增强材料。无机填料掺人PLA中熔融共混制备复合材料，填料的种类 影响复合物的机械性能。掺入子和晶须类填料后复合材料的拉伸模量分别可达3.1-3.7GPa和3.7-4.5GPa,弯曲卞g量为4.1-4.8GPa和4.8-6.1GPa掺人晶须类填料时复合材料的拉伸模 量、拉伸强度以及弯曲模量与填料的体积分数成比例地增长。PLA与无机填料间的表面粘合力比较差，因而无机填料的增强效果也比较差17 o5聚乳酸的应用服装领域中的应用（聚乳酸纤维

17、）聚乳酸纤维（简称PLA纤维），是一种新型的生态环保型纤维，它以谷物、甜菜等为 原料，先将其发酵制得乳酸，然后经缩合、聚合反应制成聚乳酸，再利用耦合剂制成具有 良好机械性能的较高分子量聚乳酸，最后经过化学改质，将其强度、保水性提升并将其纤 维化18。聚乳酸纤维的最大特点是同时具备天然纤维和化学纤维两方面的优点，其强度和聚酯 纤维接近，达6.23cN/dtex;有极好的悬垂性、滑爽性、吸湿透气性、耐晒性、抑菌和防霉 性；具有丝绸般的光泽；回弹性好；有较好的卷曲性和卷曲持久性；耐磨性好；不易变 形，尺寸稳定性好；UV (抗紫外)稳定性好；抗起毛起球；比 PET密度小，所以由其制得 的服装具有质轻、

18、柔软、穿着舒适、干爽之感；可以用分散性染料于100c不加载体染色；成型加工性好；热粘结温度可以控制；其熔融温度为120170C,熔点低(175C)。包装工程中的应用高分子材料在包装行业中的应用越来越多，但是大量废弃的包装材料给环境造成了巨 大污染。只靠消极的减少使用量是不能根本解决问题的，只有采用降解性高分子才是可行 的。目前，各种包装材料是聚乳酸最大、最有潜力的应用市场。聚乳酸阻气阻水性、透明性 及可印刷性良好，且其基本原料乳酸是人体固有的生理物质之一，对人体无毒无害，在食 品包装市场上大有用武之地。生物可降解高分子材料在医学领域中的应用药物控释药物控释是生物可降解材料的重要应用。大部分植入

19、体内的药物控释制剂是用可降解聚合物制成的，已有一些天然的和合成的高分子材料被各国药品管理部门批准为药用辅 料，还有相当数量的控释材料正在研究开发中。聚乳酸及其共聚物被用作一些半衰期短、稳定性差、易降解及毒副作用大的药物控释制剂 的载体，有效地拓宽了给药途径，减少了给药次数和给药量，提高了药物的生物利用度， 最大限度地减少药物对全身特别是肝、肾的毒副作用1920。聚乳酸作为缓释剂的优点有：熔融温度低，且易溶于溶剂中。 聚乳酸水解产物为乳酸，对人体无害。低聚乳酸容易制备。在药物控制释放载体方面需要低相对分子质量的聚乳酸，以期在体内迅速降解21 0为了调节药物的释放速度，宋存先等22用己内酯与丙交酯

20、嵌段共聚物制备了 18-甲基快酮、氢 化可的松等药物微球，通过调节聚己内酯多元醇与聚乳酸的比例改变药物的释放速度。骨折内固定装置众所周知，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，由于其应力 遮挡保护易形成骨质疏松，且愈合后需二次手术。采用生物可降解材料制成的骨夹板在骨 愈合过程中它具有足够的强度和硬度，可支持骨折部位承受正常生理活动的外力，在骨愈 合后夹板开始降解并失去强度，外来的承重力逐渐由夹板转移到自体骨上，使新愈合的自 体骨的功能自然恢复到正常水平；夹板最后从植入部位消失，免去二次手术的麻烦。由纯的PLA制成的骨夹板具初始强度较低，只能用于非承重部位的骨折内固定，通过 和其

21、他医用生物材料的复合，可以改善 PLA的力学性能，例如用聚乙醇酸（PG纤维、碳 纤维、羟基磷灰石等增强PLA,可大幅度提高材料的初始强度，具有相当的承载能力，可 与金属的强度媲美。外科手术缝合线聚乳酸及其共聚物最早在医学上的应用就是外科缝合线，由于聚乳酸的生物降解性， 在伤口愈合后自动降解并吸收，不用拆线，无需第二次手术，同时聚合物具有较强的初始 抗张强度且稳定地维持一段时间，能有效控制聚合物降解速率，随着伤口的愈合，缝线缓 慢降解。商品名为Vicryl的缝合线是由美国Ethico Inc.公司生产的，它是乙交酯与丙交酯的 共聚物。精品资料仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢 #精品资

22、料仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除 谢谢 精品资料仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除谢谢 近年来，研究主要集中在以下几方面：为提高缝合线的机械强度，需合成高分子量 聚乳酸，改进加工工艺。光学活性聚合物的合成，半结晶的聚右旋乳酸、聚左旋乳酸比 无定形聚消旋乳酸具有较高的机械强度、较大的拉伸比率及较低的收缩率，更适合手术缝 合线。缝合线的多功能化。在缝合线中掺入抗炎药来抑制局部炎症及异物排斥反应，在 缝合线中加入增塑剂，如骨胶原、低相对分子质量聚乳酸及其他无机盐增加缝合线的韧性 和调节聚合物的降解速率。参考文献：1 Sinha RS, BousminaM.Biodegradable po

23、lymers and their layered silicate nanocompositesA.In greening the 21st centuryMaterials world, Progress inMaterials Science 2005, 50: 962-10792李孝红，袁明龙，熊成东等.聚乳酸及其共聚物的合成和在生物医学上的应用J.高分子学报，1999, (3) : 24323王建.生物可降解高分子及其应用J.四川纺织工业杂志，2003, (3): 14174刘佳，张薇.新型生物降解材料聚乳酸综述J.贵州化工，2008年6月第33卷第3期5史铁钧，董智贤.聚乳酸的性能、

24、合成方法及应用J.化工新型材料，2000, 29(5) : 1316.李洪权，全大萍，廖凯荣，等.化工新型材料，1999, 1999, 27(8): 3Ajioka M , Enomoto K, Suzuki K, Yamaguchi A., Bull Chem. Soc. Jpn. J, 1995, 68: 21258周晓军.聚乳酸的合成研究D.北京：北京化工大学硕士论文，2007.Kricheldorf H. R. , et al, Makromol. Chem. J, 1990, 191(5): 1057Kricheldorf H. R. , Lee S-R., Polymer J, 1

25、995, 36: 299511魏军.聚L-乳酸的合成研究D.南京：南京工业大学，2005.12王俊凤，张军，张学龙，等.聚乳酸合成的研究进展J.化工时刊，2007, 21(6) : 5156.13程蓉，钱欣.聚乳酸的改性及应用进展.化工进展，2001, 21(11): 824-458Yoshikuni Teramoto YoshiyukiNishi.Cellulosediacetate-graftpoly(lactieacid)s: synthesis Of wide-ranging eompositions and their thermal and meehaniealProPerties.Polymer2003 44(9): 2701 2709AipingZhu , MingZhang, JunWu, etal.Covalent immobilization of chitosan/heparin complex with a photosensitive