李倫，鄭紅娟

(河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001)

聚乳酸(PLA)因其具有可降解性、良好的生物相容性和力學(xué)性能及易于加工等特性被認(rèn)為是最具發(fā)展前景的生物降解材料之一。PLA廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)療器械、紡織工業(yè)、包裝行業(yè)等領(lǐng)域，其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用尤為受到科研工作者的青睞。PLA現(xiàn)已廣泛用于可吸收手術(shù)縫合線[1]、眼科植入材料[2]以及其它纖維編織物或膜材料[3]做成的人體組織修補(bǔ)材料，也可用于甲殼晶須增強(qiáng)的硬組織修復(fù)材料[4]，牙科修復(fù)材料，骨膜生長隔離膜，與β-磷酸三鈣、羥基磷灰石纖維或碳纖維復(fù)合制成接骨板，人造皮膚，注射或定位置入藥物的緩釋載體[5–9]，生物降解纖維，有優(yōu)良抑菌及抗霉特性的生物可降解塑料等。PLA新產(chǎn)品及新的應(yīng)用領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)，國內(nèi)外有關(guān)項(xiàng)目及投入呈上升趨勢，但因PLA具有親水性差、韌性差、分子極性大、加工性能差、價(jià)格昂貴、降解周期不可控等缺點(diǎn)，使單一PLA已無法滿足各領(lǐng)域的應(yīng)用條件，需要采用多種方法對PLA進(jìn)行改性。

單純的PLA生物醫(yī)用材料具有以下缺陷：(1) PLA主鏈中酯鍵的大量存在增加了聚合物表面的疏水性，增加了其生物排異性；(2) PLA具有在體內(nèi)的降解速率及周期不可控、降解顆粒雜質(zhì)及降解不完全等現(xiàn)象，PLA屬于體型降解，降解時(shí)因生成乳酸導(dǎo)致自催化降解效應(yīng)，從而使得材料內(nèi)部產(chǎn)生跨塌性降解，造成其降解和吸收速率難以控制；(3) PLA的體內(nèi)降解造成的局部pH值降低易引起非特異性炎癥(如局部疼痛)等癥狀。另外，PLA作修復(fù)硬組織的組織工程材料與細(xì)胞支架(要求其具有一定強(qiáng)度，以保證機(jī)體組織器官承受來自內(nèi)、外部的應(yīng)力)時(shí)，需要滿足強(qiáng)度、模量、韌性、彈性等力學(xué)性能方面的要求。針對以上缺陷和要求，需要對醫(yī)用PLA采用不同的改性方法，以滿足PLA在醫(yī)用領(lǐng)域的需要。

1 化學(xué)改性方法

1.1 與小分子共聚改性

己內(nèi)酯因具有良好的生物可降解性、生物相容性及較好的力學(xué)性能常被用于改性PLA。ε-己內(nèi)酯與PLA共聚可有效改善PLA降解性能[10]。楊剛等[11]將聚(乳酸–己內(nèi)酯)[P(LLA–CL)]共聚物與纖維蛋白原共混紡絲制得P(LLA–CL)／纖維蛋白原復(fù)合納米纖維膜。該薄膜含纖維蛋白原再生因子，纖維尺度小、孔隙率高、親水性與細(xì)胞相容性好，能夠誘導(dǎo)組織再生與細(xì)胞增殖，在疝修補(bǔ)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

乙二醇、1，2-丁二醇、二乙醇胺、羥基酸等作為常見的雙官能團(tuán)有機(jī)小分子常被用于直接共聚改性PLA。其中結(jié)構(gòu)最為簡單的羥基乙酸與乳酸共聚得到的聚(乳酸–羥基乙酸) (PLGA)有效提高了PLA的降解性能，是良好的細(xì)胞支架材料[12]。劉亞珍等[13]采用復(fù)乳溶劑揮發(fā)法，使用PLGA將萬古霉素包載成微球，并通過正交設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)優(yōu)化與選擇了制備工藝。結(jié)果表明，最佳工藝條件下藥物可隨微球降解而緩慢平穩(wěn)釋放，從而實(shí)現(xiàn)靶向治療，達(dá)到局部抑菌與抗感染的效果。劉垚杉等[14]通過復(fù)乳–溶劑揮發(fā)法合成了絲素改性PLGA多孔微球，其可作為細(xì)胞培養(yǎng)的三維載體。結(jié)果表明，改性后的PLGA多孔微球在修復(fù)牙骨槽缺損方面展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。多種實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，羥基乙酸等雙官能團(tuán)有機(jī)小分子與PLA共聚可增加PLA酯鍵數(shù)量，從而較好地改善PLA的降解性能。

季戊四醇、羥脯氨酸等多官能團(tuán)小分子可與PLA共聚從而改變PLA親水性、生物相容性等性能。羥脯氨酸作為一種三官能團(tuán)單體具有較好的生物相容性與親水性。何靜[15]為提高PLA的親水性和降解性，采用溶液–熔融聚合的方法，通過將丙交酯與氨基酸單體羥脯氨酸共聚得到丙交酯–羥脯氨酸共聚物，從而在PLA表面引入了親水活性官能團(tuán)。PLA可與β-羥基丙氨酸、氨基乙酸等共聚得到兩者的共聚物，從而有效地降低PLA結(jié)晶度，使高分子鏈由結(jié)晶態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o定型態(tài)，從而提高了其降解速率，較好地縮短了作為藥物緩釋材料的降解周期，減少了人體內(nèi)微晶殘留，避免了炎癥及其它并發(fā)癥的產(chǎn)生。

1.2 嵌段共聚改性

納米尺度下可生物降解的嵌段聚合物自組裝膠束在藥物緩釋中的靶向傳遞與釋放展現(xiàn)出良好的前景。Long Lixia 等[16]結(jié)合開環(huán)聚合、原子轉(zhuǎn)移自由基聚合和點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)，通過“先臂后核”方法合成了星型支鏈PLA與聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰膽堿)嵌段共聚物(PLA-b-PMPC3)3。自組裝星型接枝共聚物膠束平均直徑約為64.5 nm，展現(xiàn)出超親水表面與約為12.7°的超低表面水接觸角，有效地抑制了血清蛋白的粘附。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與PLA–聚乙二醇(PEG)共聚物(PLA–PEG)的藥物載體相比，星形支鏈共聚物(PLAb-PMPC3)3是一種具有良好應(yīng)用前景的靜脈遞送載體材料。Liu Mingjing等[17]為提高PLA材料的結(jié)晶度、力學(xué)性能和流變性能，在材料界面處引入PLA與聚己內(nèi)酯(PCL)的長鏈支鏈嵌段共聚物(LB–PCLA)，而后將PLA與LB–PCLA共混。結(jié)果表明，由于LB–PCLA的支鏈結(jié)構(gòu)，PLA和PCL相之間的界面明顯相容。與純PLA和PLA／PCL共混物相比，共聚后的聚合物相形態(tài)對共混物的結(jié)晶度、結(jié)晶速率和韌性的提高起著重要作用。M. D. Deokar 等[18]通過L-丙交酯和ε-己內(nèi)酯的可控開環(huán)聚合，合成了一系列不同臂數(shù)且分散度較低的星形無規(guī)和嵌段共聚物，在不降低PLA剛度的情況下，使聚合物玻璃化轉(zhuǎn)變溫度降低且韌性得到提高。

嵌段共聚可較好地改善PLA降解周期，提高聚合物韌性、彈性、柔性等性能。通過嵌段共聚引入柔性鏈段可破壞規(guī)整度，降低分子鏈的結(jié)晶度，達(dá)到改善聚合物性能的目的。

1.3 接枝改性

接枝改性是將極性基團(tuán)引入PLA主分子鏈或在PLA表面引入功能性側(cè)基從而得到高性能PLA的改性方式，分為本體接枝改性與表面接枝改性。

(1)本體接枝改性。

本體接枝改性包含多種實(shí)施方法如自由基鏈轉(zhuǎn)移法、等離子接枝法、輻射接枝法、與大分子直接接枝法等。

自由基鏈轉(zhuǎn)移法是通過自由基在引發(fā)劑作用下高溫分解，釋放出的自由基向高分子主鏈轉(zhuǎn)移，在主鏈產(chǎn)生多個(gè)聚合活性位點(diǎn)的方法。多個(gè)活性位點(diǎn)可為后續(xù)進(jìn)一步聚合并產(chǎn)生支鏈打下基礎(chǔ)。

等離子體接枝是運(yùn)用正負(fù)帶電粒子組成的導(dǎo)電氣體對高分子材料進(jìn)行等離子表面處理的方法，分為氣相法、脫氣液相法、常壓液相法與同時(shí)輻照法。處理后的高分子材料表面產(chǎn)生大量活性自由基，進(jìn)而可與含不飽和鍵的單體接枝共聚。李立華等[19]將PLA與水溶性高分子聚乙烯吡咯烷酮(PVP)接枝共聚以提高PLA親水性。制備接枝共聚物時(shí)采用了低溫等離子技術(shù)，由氣相法與常壓液相法制得。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，接枝后的材料表面粗糙度增加，利于細(xì)胞粘附，親水性也有所提高。

輻射接枝法是一種通過多種放射性射線的輻射照射使聚合物骨架在無引發(fā)劑的作用下誘發(fā)產(chǎn)生多個(gè)活性位點(diǎn)，進(jìn)而引發(fā)大分子長出支鏈的一種接枝改性方法。

PLA可通過與多種大分子直接共聚達(dá)到不同的改性目的，用于共聚的大分子多半含有羥基，可以與乳酸羧基反應(yīng)。PEG是常被用來改性PLA的大分子物質(zhì)。大分子直接接枝可較好地改善PLA的性能，使PLA滿足多種性能要求。孫超等[20]通過將大分子聚合物單甲氧基聚乙二醇與PLA共聚制得了多孔單甲氧基聚乙二醇–PLA共聚物微球，并通過在不同種類有機(jī)溶劑中溶脹來控制其孔徑大小。結(jié)果表明，共聚物微球在模擬體液中充分降解時(shí)間縮短為30 d，具有很好的生物可降解性。Niu Xufeng等[21]以不同的乳酸和殼聚糖質(zhì)量比合成了一系列殼聚糖與PLA的接枝共聚物，該接枝共聚物在水體系中自組裝成納米級膠束狀核–殼結(jié)構(gòu)，并通過靜電反應(yīng)與三聚磷酸鈉相互作用交聯(lián)成微球。疏水生物分子香豆素-6或氟辛諾內(nèi)酯(FA)被包裹在膠束的疏水核中，而親水生物分子牛血清白蛋白或骨形態(tài)發(fā)生蛋白2 (BMP–2)被包裹在親水殼和膠束之間的間隙中。疏水和親水生物分子都以獨(dú)特的和可調(diào)節(jié)的釋放模式輸送。FA和BMP–2在輸送的同時(shí)可以抑制炎癥的發(fā)生，顯著增強(qiáng)礦化組織再生。該結(jié)果也證明了該種新型給藥系統(tǒng)提供多種治療方法和實(shí)現(xiàn)協(xié)同效應(yīng)的潛力。

(2)表面接枝改性。

表面接枝改性可通過自由基鏈轉(zhuǎn)移法、紫外光氧化接枝法、輻射接枝法等實(shí)施。

Wang Ying等[22]為改善PLA脆性、增強(qiáng)碳納米管與PLA基體的界面相互作用，采用自由基鏈轉(zhuǎn)移法將蠕蟲狀鏈形態(tài)的硅烷偶聯(lián)劑(3-氨基丙基三乙氧基硅烷，KH550)改性碳納米管(HCNT–KH550)化學(xué)接枝到PLA表面上。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)接枝反應(yīng)制備的PLA／HCNT–KH550復(fù)合材料斷裂伸長率和沖擊強(qiáng)度分別比純PLA高205%和30%，PLA分子鏈晶體取向度及其拉伸強(qiáng)度顯著提高，展現(xiàn)出良好的力學(xué)性能。

紫外光氧化接枝是一種通過紫外光照射PLA表面，使得PLA表面的分子鏈上產(chǎn)生自由基，從而為活性單體在PLA表面進(jìn)行接枝聚合提供活性位點(diǎn)的方法，可分為氣相接法與液相接枝法。韓鳳仙等[23]采用紫外光氧化接枝的方法在PLA表面引入羧基以期改善PLA表面親水性、提升材料與成骨細(xì)胞相容性。結(jié)果顯示，光引發(fā)接枝之后的PLA親水性得到提高，表面粗糙度明顯增加。這為PLA后續(xù)的進(jìn)一步修飾和表面引入大分子基團(tuán)提供了活性基團(tuán)和位點(diǎn)，增加了細(xì)胞相容性，可應(yīng)用于促進(jìn)成骨細(xì)胞生長等方面。

Yang Ying等[24]采用輻射接枝法，以膠原蛋白為細(xì)胞外基質(zhì)分子，通過γ輻照接枝左旋PLA (PLLA)作為偶聯(lián)劑，對可生物降解PLLA進(jìn)行表面改性。結(jié)果表明，接枝率隨γ吸收劑含量的增加而增加，γ射線照射可以作為修飾PLLA的有效手段，在組織工程支架中有較為廣闊的應(yīng)用。倪茂君等[25]經(jīng)輻照接枝將N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)接枝到PLLA并將接枝后的聚合物與生物玻璃復(fù)合，通過靜電紡絲得到兩者的復(fù)合納米纖維。結(jié)果表明，改性后材料具有較高的生物相容性和礦化活性，可用于骨修復(fù)領(lǐng)域。

表面接枝法亦可模擬生物大分子功能，通過引入表面活性基團(tuán)對聚合物進(jìn)行表面仿生化改性。表面仿生化改性是比較理想的生物醫(yī)用高分子表面改性的方法，表面仿生化改性可以增強(qiáng)高分子材料與血液的融合程度，充分發(fā)揮高分子材料的作用。亞精胺(SPD)作為一種具有生物活性的天然多胺類物質(zhì)廣泛存在于生物體中。Tang Jing等[26]為改善氟非尼酮(AKF)在抗肺纖維化方面的療效，在PLGA表面引入SPD作為AKF的載體，以SPD和PEG–PLGA為主要組分，通過溶劑蒸發(fā)法制備并功能化SPD–AKF–PLGA納米粒子(SPD–AKF–PLGA NPs)。研究結(jié)果表明，SPD–AKF–PLGA NPs是一種高效的用于治療肺纖維化的納米載藥系統(tǒng)。

侯汝濤[27]為改善PLA親水性差和生物不相容等問題，通過酰胺反應(yīng)在改性后的PLA表面經(jīng)接枝反應(yīng)引入骨生長肽OGP(10–14)，最終制得PLA基骨材料。該骨材料較之前有更好的親水性能、降解性能與細(xì)胞活性，有望應(yīng)用于骨修復(fù)領(lǐng)域。王芳等[28]采用殼聚糖通過靜電吸附法對最佳條件下經(jīng)復(fù)相乳化溶劑法制備的PLGA載藥微球進(jìn)行表面接枝。結(jié)果表明，復(fù)合后的載藥微球緩釋時(shí)間延長，微球初期釋放藥物突釋性得到提高。劉明芳等[29]為縮短PLA降解周期，在PLA手術(shù)縫合線表面引入親水的羥基從而提高其親水性，加快酯鍵水解。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改性后PLA雖然降解周期縮短，但拉伸強(qiáng)度等力學(xué)性能下降。

化學(xué)接枝改性大多通過在PLA主鏈的端基接枝其它功能性分子，不僅對主鏈影響小，還可賦予PLA新的性能。該方法在醫(yī)用PLA改性中地位逐漸加強(qiáng)，日益受到人們關(guān)注。

1.4 交聯(lián)改性

在交聯(lián)劑作用下，將帶有目標(biāo)官能團(tuán)的化合物與PLA交聯(lián)得到三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到改善PLA力學(xué)性能、生物相容性的目的。

Yang Senlin[30]為提高PLA的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能，在PLA熔體中加入少量的交聯(lián)劑三烯丙基異氰尿酸酯(TAIC)和過氧化二異丙苯(DCP)，從而得到一系列不同凝膠含量和交聯(lián)密度的交聯(lián)PLA。結(jié)果表明，在較低含量的TAIC或DCP作用下，PLA的熱穩(wěn)定性、拉伸強(qiáng)度和拉伸彈性模量均得到提升。

高俊等[31]將丙烯酸酯封端制備得到的PLA–PEG–PLA三嵌段共聚物作為交聯(lián)劑，在紫外光照射條件下，與NVP經(jīng)光聚合得交聯(lián)共聚物膜。結(jié)果表明，膜的降解性能與親水性能隨NVP含量增加而提高，拉伸強(qiáng)度下降，但斷裂伸長率提高。該交聯(lián)共聚物膜在生物醫(yī)學(xué)及組織工程領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。

2 物理改性方法

通過與無機(jī)填料或其它高聚物共混(機(jī)械、溶液、熔融混合)可達(dá)到改善PLA親水性、韌性等性能的目的。PLA物理改性后的材料可應(yīng)用于醫(yī)療、組織工程、工業(yè)、食品包裝等多個(gè)領(lǐng)域。

2.1 無機(jī)填料改性

無機(jī)填料改性是通過將PLA與無機(jī)填料共混以改善復(fù)合材料性能(如硬度、剛度及沖擊強(qiáng)度等)或通過填料降低成本的一類物理改性方法。

羥基磷灰石(HA)作為一種與人體骨骼礦物元素相似的無機(jī)物，具有良好的骨傳導(dǎo)及骨誘導(dǎo)能力，因此在骨修復(fù)領(lǐng)域受到日益廣泛的關(guān)注。陳佑寧等[32]將微乳液法制得的HA粉末與PLA溶液經(jīng)超聲震蕩共混制備復(fù)合材料，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料體系力學(xué)性能得到較好的改善并可作為人工骨承重材料。周堯等[33]通過在HA表面引入十二烷基醇增加了HA與PLA的界面相容性，相比未改性HA的復(fù)合材料體系，由改性后HA得到的復(fù)合材料體系具有更高的熱穩(wěn)定性，彎曲、沖擊及拉伸強(qiáng)度也得到明顯提高。程利等[34]為改善PLA的力學(xué)性能并解決降解呈酸性等缺陷，將PLA與HA共混，同時(shí)加入硬脂酸作為表面改性劑增強(qiáng)兩者結(jié)合性，得到了力學(xué)性能較高的復(fù)合材料體系。改性后的復(fù)合材料彈性模量與天然骨相近。Qi Ruiling等[35]為改善載藥系統(tǒng)的釋藥速率，將最佳包封率下的載藥多壁碳納米管與PLGA聚合物溶液混合，而后進(jìn)行靜電紡絲，形成載藥納米纖維給藥系統(tǒng)。結(jié)果表明，這種PLA與多壁碳納米管雙容器藥物傳遞系統(tǒng)有利于避免藥物的爆發(fā)性釋放，從而持續(xù)平穩(wěn)地釋放抗腫瘤物質(zhì)，可用于術(shù)后局部化療的治療支架材料。

2.2 有機(jī)共混改性

有機(jī)共混改性是將PLA與天然有機(jī)材料或有機(jī)合成材料共混從而提高材料的物理化學(xué)性能，降低成本，改善加工性能的一類物理改性方法。

趙升云等[36]采用水輔助法將PLLA與聚乙烯醇(PVAL)混合液在玻璃板澆鑄制得PLLA／PVAL復(fù)合多孔膜。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示材料拉伸強(qiáng)度及斷裂伸長率得到顯著提高，為細(xì)胞進(jìn)一步的附著與生長提供了位點(diǎn)，有望在組織工程中作支架材料。楊丹丹等[37]為改善PLA韌性，將合成的一種長鏈支化PCL–PLA與PLA熔融共混從而構(gòu)建了一種具有物理交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的PLA共混物。共混后體系由于鏈纏結(jié)及共結(jié)晶作用使得聚合物表現(xiàn)出較好的拉伸韌性，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料增韌。楊春芳等[38]為改善PLA力學(xué)性能與可紡性，將PLLA與右旋PLA–PEG–右旋PLA熔融共混。結(jié)果表明，共混后的PLLA可紡性得到提高，制得的共混纖維結(jié)晶度及取向度均得到改善。辜婷等[39]為改善PLA力學(xué)性能與熱穩(wěn)定性，以不同含量PCL共混改性PLA／聚丁二酸丁二酯共聚物。結(jié)果表明PCL用量分別為2份和3份時(shí)，拉伸強(qiáng)度和沖擊強(qiáng)度達(dá)最大值。熱塑性聚氨酯(TPU)彈性顆粒在材料受到外力沖擊時(shí)可產(chǎn)生銀紋并消耗大量能量，從而提高材料的抗沖擊性。王永杰[40]為改善熱致型PLA基體形狀記憶聚合物(SMP)韌性，提高記憶性及降低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，將不同比例PLA與TPU共混得到一系列PLA／TPU共混物；為進(jìn)一步增強(qiáng)PLA／TPU界面相容性，向共混物中加入不同比例檸檬酸三丁酯(TBC)。結(jié)果表明，共混及界面改性后的聚合物整體力學(xué)性能及形狀記憶性能得到提高，PLA／TPU／TBC共混物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度低于人體溫度，該共混物在制備形狀回復(fù)的SMP方面展現(xiàn)出良好應(yīng)用前景。

物理改性PLA在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用相比于化學(xué)改性較少，但其對于材料沖擊性能、拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率等力學(xué)性能的提高有著重要的作用。

3 結(jié)語

物理改性相對化學(xué)改性具有操作簡單、成本低廉等優(yōu)勢，可將PLA與一種或多種材料共混以改善材料綜合性能。選擇共混物時(shí)要考慮各組分相容性?；瘜W(xué)改性相對于物理改性成本較高，但材料性能更加穩(wěn)定。大多數(shù)的化學(xué)改性方法對PLA主鏈影響較小，從而在對材料本身性能影響較小的情況下又可賦予其新性能，越來越受到學(xué)者的歡迎。綜合多種化學(xué)改性方法，絕大多數(shù)著眼于PLA可降解材料的親水性改善，旨在提高其生物相容性，改善其降解性能，在醫(yī)學(xué)方面能夠減小其作為醫(yī)用材料時(shí)對人體機(jī)能的不利影響。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，近年來陸續(xù)出現(xiàn)酶催化聚合、超臨界二氧化碳環(huán)境中聚合等綠色合成方法。未來PLA在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用及作為靶向藥物緩釋載體等交叉學(xué)科的研究仍將成為研究熱點(diǎn)。材料成本居高不下制約了PLA的發(fā)展，因此在降低成本的同時(shí)進(jìn)一步改善PLA親水性、降解周期、韌性與其它力學(xué)性能等方面，仍將成為醫(yī)用PLA材料改性的研究重點(diǎn)。