馬喜峰

（陜西國防工業(yè)職業(yè)技術學院，陜西 西安，710300）

前 言

伴隨高分子材料研究的日益增多，加之人類對環(huán)境問題的日益重視，高分子材料的難降解性所造成的環(huán)境污染問題亟需解決。拓展開發(fā)全新的生物降解高分子材料是解決這一困境的主要方式。聚乳酸（Polylactic acid，PLA）是一種以乳酸（lacticacid，LA）為原料的新型聚酯材料，無色無毒，其熱性能與聚苯乙烯類似，生物相容性良好，能生物分解吸收，最終降解為水和二氧化碳，應用前景廣闊。PLA 由甘蔗、玉米和甘薯等農作物制作而成，淀粉原料糖化后轉變?yōu)槠咸烟?，再由一定菌種發(fā)酵成乳酸，通過化學合成方法制備成聚乳酸，在環(huán)境和水解影響下能分解為H2O 和CO2，在環(huán)境保護中受到密切關注。由于PLA 的生物相容性、生物降解性比較好，所以在醫(yī)療、食品包裝等領域得到廣泛應用。但PLA的熱穩(wěn)定性和機械強度比較差，為了拓展PLA 的用途，滿足個性化的應用需求，需對其進行功能化的改性。高性能PLA 的改性研究同樣受到了學術界的密切關注，同時取得了一定的研究成果。

1 PLA 的合成

PLA 是一種乳酸聚集的合成物，學術界又稱之為“聚丙交酯”。聚乳酸是由單個乳酸分子聚合而構成的，是一個乳酸分子的羥基和另一個乳酸分子的羧基縮水后，實現(xiàn)多個乳酸分子之間的聚集。PLA的原料是玉米或馬鈴薯淀粉，綠色環(huán)保，是一種可再生資源，整個生產過程安全無毒，有助于提高生物分子的降解循環(huán)。PLA 主要是通過“直接縮合法”生成的，即乳酸分子間羧基和羥基發(fā)生直接縮合脫水反應，由于水、雜質和游離乳酸的影響，該反應得出的聚合物子量并不是很高，再加上這種反應對溫度的要求比較高，會造成PLA 消旋和帶色，所以在工業(yè)生產中一般采用丙交酯開環(huán)聚合（ROP）生成聚乳酸。按照反應機理的差異，ROP 主要由配位插入聚合、陽離子聚合、陰離子聚合等組成。近些年來，伴隨綠色合成技術的不斷發(fā)展，學術界越來越關注超臨界二氧化碳和酶催化中聚合的研究。

1.1 陰離子聚合

陰離子引發(fā)劑主要分為堿金屬醇氧化劑、堿金屬，如醇鈉、醇甲和丁基鋰等，丙交酯的酰胺鍵會受到催化劑負離子的影響，出現(xiàn)活性中心內脂負離子，促進丙交酯的鏈增長。該反應速率較快，但有很大的毒副反應，甚至出現(xiàn)消旋情況，在相對高分子質量聚乳酸的合成中并不適用。G.Mcauley[1]等在實驗中對不同的陰離子引發(fā)劑實施了對比，分析冠醚在反應中的效果，結果證明丙交酯容易生成活性中心負離子，這能加速丙交酯單體開環(huán)聚合反應，生成更多的聚合物，在弱堿性材料中適用。

1.2 陽離子聚合

陽離子引發(fā)劑主要分為烷基化試劑（CF3SO3Me）、質子酸（HCL、HBr）、Lewies酸（ALCL3、SnCL4）。Wang.W[2]等從還原質子酸類催化丙交酯ROP 的機理入手，對丙交酯在伯胺、質子酸等條件下的聚合反應實施密切觀察，這說明質子酸作為陽離子催化劑，能作用于不同的酸催化丙交酯聚合反應。

1.3 配位聚合

配位聚合在聚乳酸制備中最為常見，又稱為“齊格勒-納塔聚合”。丙交酯單體和有機金屬催化劑生成配位絡合物，很容易出現(xiàn)相對分子質量高的聚合物，如金屬氧化物、芳基金屬、烷氧基金屬羧酸鹽。配位聚合會產生不同程度的毒性，不利于聚合物的生成。

1.4 酶催化聚合

近年來，酶催化聚合在實驗中得到廣泛應用，這是一種全新的聚合物合成方法。相較于有機合成，酶聚合主要有以下特點：（1）反應環(huán)境溫和；（2）副作用比較?。唬?）催化活性比較高。G.Aad[3]等使用念珠菌脂肪酶（CRL）推動丙交酯開環(huán)聚合反應，具體反應如圖1。PLA 的形成和CRL 活性息息相關，研究結果表明，CRL 活性在90℃、2%的環(huán)境下最高，S 相對分子質量也最高。

圖1 由開環(huán)聚合念珠菌脂肪酶催化合成聚乳酸Fig. 1 Synthesis of polylactic acid catalyzed by candida albicans lipase

1.5 超臨界二氧化碳中聚合

超臨界流體是一種新型溶劑，具有綠色環(huán)保，安全性高的特點，在聚丙交酯和共聚物生成中有明顯優(yōu)勢，其分離簡單、工藝參數(shù)可控、制備環(huán)境溫和，在生物醫(yī)用聚酯的制備中有重要作用。與常規(guī)溶劑相比，超臨界二氧化碳（ScCO2）有以下特點：（1）有良好的碰撞作用和溶解能力，有助于溶劑溶解性的升高；（2）ScCO2的化學性質穩(wěn)定，并不會參加反應。由此可見，酶法聚合在聚合材料生成中尤為重要；（3）臨界條件良好，CO2的臨界壓力大約為7.38MPa，聚合反應的壓力要比臨界壓力要高，聚合反應充分；（4）對產物純化流程進行簡化，ScCO2和其他溶劑相比，在聚合反應結束后并不需要對產物進行沉淀、溶解、過濾等。Yilmaz[4]等對三嵌段共聚物的PLLA 的分散聚合開展了實驗，結果顯示穩(wěn)定劑并不會影響產物的轉化率，添加5%的穩(wěn)定劑能生成良好的粉末產物，穩(wěn)定劑含量的提高會影響產物的形貌。Ferrari 等研究了ScCO2中因2-羥基-甲基丙烯酸乙酯引發(fā)的L-丙交酯催化開環(huán)聚合反應，在一定壓力、溫度條件下實施聚合反應，能有效得出PLA 基聚合物。

聚乳酸有良好的生物相容性和可降解性，且綠色環(huán)保，在各領域得到了廣泛應用。在傳統(tǒng)的合成方法中，可能存在金屬催化劑、有機溶劑等使用問題，在新的合成方法中，通過對其制備工藝進行了改進，旨在改進合成產物的形貌和分子量，從而滿足其個性化的發(fā)展需求。

2 PLA 的結構和性質

2.1 聚乳酸的化學結構

圖2 乳酸結構示意圖Fig. 2 Schematic diagram of lactic acid structure

單體乳酸分為L-乳酸、D-乳酸兩種，如圖2 所示。聚D,L-丙交酯（PDLLA）并沒有結晶度，其屬于不規(guī)則聚合物。聚左旋丙交酯（PLLA）的光學活性良好，熱塑性強，玻璃化轉變溫度為58℃，結晶度良好。左旋丙交酯（L-LA）是一種天然代謝物，無毒，而右旋丙交酯（D-LA）并不會參加到人體的新陳代謝，如果使用過量則會產生中毒的情況。由于PLLA的生物相容性、生物降解性良好，且降解后的物質無毒副作用，PLLA 的性能可以通過分子量等參數(shù)的控制進行調變，在醫(yī)用材料領域得到普遍應用。

2.2 聚乳酸的基本性質

PLA 是一種可再生的熱塑性聚酯，生物降解性、生物相容性良好，普遍應用到生物醫(yī)學方面，具體如下：（1）生態(tài)優(yōu)越性：PLA 主要以由玉米、小麥、大米等為原料生成的，在生物降解方面極具優(yōu)越性，這使PLA 成為新型的生物聚合物。（2）生物降解良好：聚乳酸由大量酯鍵組成，其分子鏈主鏈剛性較大，側鏈帶有甲基等特點。所以，PLA 在自然條件下比較穩(wěn)定，但是在高濕度、高溫度的環(huán)境下，很容易被分解成CO2和H2O，這主要分為簡單水解和催化水解兩種形式。降解速度在材料應用中十分重要，PLA 能通過主鏈酯基進行水解降解。（3）疏水性：PLA 中的酯鍵直接影響到細胞的親和力，能通過乳酸和其他親水聚合物和單體的共聚提高其親水性能，因此其在醫(yī)學領域得到了廣泛應用。這種材料在與人體接觸后，不會產生毒副作用，其降解產物也不會影響到組織愈合。經過幾十年的應用和發(fā)展，彰顯了其良好的生物相容性。

3 PLA 的改性

3.1 親水改性

聚乳酸在生物醫(yī)學、食品包裝領域中得到了廣泛應用，因此要對其疏水性進行適當改進?；赑LA的壬基苯氧基丙烷磺酸鈉（ABPs），能讓其和配體生物分子相結合，對特定細胞進行靶向作用，提高和活細胞的生物相容性，還能借助羧基（-COOH）、羥基（-OH）和氨基（-NH2），和靶向生物分子實施生物共軛，確保對特定細胞的靶向作用。通過親水性單體和疏水聚乳酸（PLA）實施可控自由基聚合（CRP），能制備含親水性丙烯酸酯的聚乳酸基ABPs。例如，聚乳酸能提高載藥納米粒子（NPs）的循環(huán)時間，降低單核吞噬細胞系統(tǒng)（MPS）的攝取量，在一定程度上提高了體內的藥物利用率。相較于傳統(tǒng)的自由基聚合方法，CRP 能實現(xiàn)少量自由基和絕大多數(shù)休眠種間實施快速動態(tài)平衡，因此共聚物相對分子質量均衡分布，該方法能應用在各種鏈結構（梯度、超支化、嵌段）的共聚物。ATRP（原子轉移自由基聚合）在親水性聚合物和聚乳酸（PLA）的擴鏈方面受到了密切關注，所以其在合成可控聚乳酸（PLA）的ABPs中適用性良好。為了提高PLA 基NPs 的循環(huán)時間，必須要提高其親水性，疏水核可以攜帶多種親水性納米粒子和疏水藥物，從而確保NPs 的生物相容性和水溶性。

3.2 pH 響應改性

近年來，聚合物-藥物pH 響應系統(tǒng)受到的關注度越來越高，疏水生物活性藥劑能借助pH 響應鏈段增加自身的靶向性。聚合物載體在水溶性的提高方面有積極影響，增加藥物在體內的停留時間。伴隨聚合物分子量的提高，其滯留效應（ERP）提高，有助于藥物在實體腫瘤中的積累。在這個系統(tǒng)中，藥物分子能借助共價方式在聚合骨架上鏈接、化學鍵鏈接系統(tǒng)有很高的緩釋性，有助于提高其藥物利用率。Firizal[5]等借助酸不穩(wěn)定腙鍵合法合成了pH 響應的多西紫杉醇（DTX）鏈接聚PLA-聚乙二醇（PEG）膠束藥物制劑。在這個過程中，葉酸和PLA-PEG 鏈段的結合能有效提高DTX 的靶向傳送效果。通過pH 響應的方式釋放DTX，最大限度降低納米共軛物的藥物細胞毒性，安全無害，能作為靶向傳遞抗癌藥物的重要媒介。

3.3 分枝結構改性

聚合物結構的改變會使其性能改變，有學者提出了接枝、支化、樹枝狀、交聯(lián)和星行狀等多種支化分子結構。與線性PLLA 相比，星形PLLA 的溶液黏度比較低，在藥物輸送環(huán)節(jié)不會在血液中停留，能最大限度提高生物利用率。與線性聚酯相比，星形聚酯的鏈端更多，分散性和溶解性良好，這些優(yōu)勢使得星形PLLA 在臨床上得到廣泛使用。S.Peter[6]等通過研究兩親性星形支化兩性離子的共聚物，說明這類分子有良好的腫瘤靶向傳遞性。

4 PLA 的應用

4.1 工農業(yè)領域

近年來，伴隨白色污染的加劇，在一定程度上影響了農業(yè)用薄膜的制備[7]。PLA 的可降解性良好，特別是在增塑后能提高PLA 的韌性，能取代合成樹脂薄膜，有助于在工農業(yè)領域的推廣。此外，PLA 薄膜有良好的緩釋作用，能有效遏制除草劑的釋放速度，保證農作物的安全。還可以PLA 將加工成汽車行業(yè)的配件工程材料、建筑用繩索、農藥化肥緩釋材料等。尹靜波[8]等用乙酰檸檬酸三正丁酯（ATBC）、檸檬酸三正丁酯（TBC）、檸檬酸三乙酯（TEC）等系列增塑劑對聚乳酸增塑進行改性，實驗證明，隨著增塑劑的含量增高，玻璃化溫度逐漸降低，含量達到一定程度即可滿足室外常溫下塑料薄膜的需求。王玉林[9]等使用溶液澆筑加熱壓的方法，制備碳纖維增強聚乳酸復合材料（CF/PLA）應用于薄膜制作。富露祥[10]等采用機械共混法把PPC（聚丙成碳酸亞丙酯）與PLA 混合起來，制備了完全生物降解塑料PLA/PPC合金。

4.2 生物醫(yī)學領域

當前醫(yī)用高分子材料種類較多，但很難降解，且副作用比較大。PLA 是一種能被降解的材料，力學性能較好，在藥物載體、手術縫合線、植入材料等領域得到廣泛使用。李學兆[11]在聚乳酸羥基乙酸手術縫合線在食道癌切除后消化道重建中的應用研究中，發(fā)現(xiàn)實驗組的吻合口潰瘍發(fā)生率較低，這說明了PLA 有很強的生物降解性，是做手術縫合線的良好材料。孫繼紅[12]通過合成葡萄糖-聚乳酸接枝共聚物，并負載了鹽酸阿霉素制備得載藥納米粒子，發(fā)現(xiàn)有助于藥物在腫瘤細胞中的控釋，說明PLA 在藥物緩釋劑中能發(fā)揮緩釋作用。楊斌[13]等使用冷凍干燥法、乳化-溶劑揮發(fā)法等制備了聚乳酸-羥基乙酸共聚物納米微球用作緩釋劑。郭紅延[14]等把兔牙乳頭細胞接種在人牙型海藻酸鈉-聚乳酸羥基乙酸共聚物中，發(fā)現(xiàn)8w 后，聚乳酸羥基乙酸大部分降解，已接近自然生長的壓根組織，獲得了具有牙本質特性及正常牙根形態(tài)的組織工程牙根，為進一步進行復合牙周膜的功能性牙根的組織工程構建奠定了基礎。

4.3 包裝、紡織領域

以PLA 與有機酸為原料生產的新型聚酯材料被產業(yè)界認定為21 世紀最有發(fā)展前途的環(huán)保包裝材料。馬靚[15]等對PLA 的性能及合成、改性方法等進行了詳細介紹，對PLA 在國內外的工業(yè)化生產狀況及在包裝領域的應用和研究進展進行了系統(tǒng)分析，指明了后續(xù)的研究方向。張新林[16]等在研究中發(fā)現(xiàn)采用離子體提高化學氣相沉積法能提高PLA 的阻隔性。李杰[17]等探討了PLA 在包裝方面的應用優(yōu)勢和前景，并明確了PLA 在包裝領域應用中存在的相關問題。朱蕾[18]等分別使用不同的溶劑，利用靜電紡絲法把PLA 原料分別紡在水刺無紡布、熔噴無紡布上，對其過濾性能進行研究。鄭寧來[19]在研究中發(fā)現(xiàn)基于PLA 的無紡布能當作衛(wèi)生巾的制作材料。

5 結 論

綜上所述，PLA 作為生物醫(yī)用材料和消費品的一種替代品，在當前社會中受到了密切關注。因為它具備良好的生物降解性，成為當前學術界研究的重點，能最大限度減少廢棄物對環(huán)境的危害。PLA本體和表面改性尤為重要，伴隨PLA 合成技術和改性技術的不斷完善和發(fā)展，相信聚乳酸及其產品將越來越多地應用于人類生活的方方面面，并在造福人類中發(fā)揮越來越大的作用。