聚(3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯)研究进展

郭 静，张 欣，胡成女

(大连工业大学化工与材料学院，辽宁大连116034)

聚(3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯)研究进展

郭 静，张 欣，胡成女

(大连工业大学化工与材料学院，辽宁大连116034)

介绍了生物可降解材料聚(3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯)(P(3HB-co-4HB))的性能及特点;综述了针对P(3HB-co-4HB)加工温度窄、脆性大、成本高等缺点而进行的增塑改性、扩链改性、共混改性的技术进展以及P(3HB-co-4HB)纺丝成纤技术;阐述了利用P(3HB-co-4HB)可塑性、生物降解性和生物相容性等在医疗领域的应用情况及发展前景;指出P(3HB-co-4HB)的研究将集中在其材料加工流动性、结晶性能的改善及其纤维加工技术与纤维表面整理技术等方面。

聚(3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯) 成纤 生物可降解材料 改性 相容性 应用

传统化学纤维的原料大都来源于石油等不可再生的自然资源，且使用后的废弃物也给环境带来很大的污染，因此，生物可降解的高分子材料已成为研究的热点。聚羟基脂肪酸酯(PHA)是一种线性饱和聚酯，其纤维废弃物可被自然环境完全吸收。聚(3-羟基丁酸酯-co-4-羟基丁酸酯)(P(3HB-co-4HB))是PHA家族中最新一代生物可降解材料，它可由多种微生物细菌合成，例如贪铜菌属［1］等一步培养生成、真氧产碱杆菌［2］内积累合成。并可被多种聚3-羟基丁酸酯(PHB)解聚酶和脂肪酶降解，具有较好的生物降解性和生物相容性［3－4］。PHB由于强度和硬度较高，表现为脆性，若引入4-羟基丁酸酯(4HB)单体和控制4HB含量来改善其韧性，便可以制备从弹性体到刚性材料的不同特性产品［5］，有广阔的市场应用空间。

1 P(3HB-co-4HB)的特点

PHA目前商业化的有4代［6］，依次为:PHB、聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基戊酸酯)(PHBV)、聚(3-羟基丁酸酯-co-3-羟基己酸酯)(PHBHHX)、P(3HB-co-4HB)。作者所述的第四代PHA为最新一代生物可降解PHA类材料［7］。

P(3HB-co-4HB)是无味微黄色颗粒或白色粉末状固体，制品的透明性与高密度聚乙烯(HDPE)半透明相似，P(3HB-co-4HB)不常溶于水，其吸水率小于0.4% ，成型收缩率一般为1% ～2.5%，具有可燃性［6］。

P(3HB-co-4HB)是由单体3HB和单体4HB的共聚物。单体3HB脆性大，赋予了P(3HB-co-4HB)刚性;单体4HB有类似橡胶的性质，赋予了P(3HB-co-4HB)良好的韧性，随4HB含量的升高，PHA的热稳定性能得到相应的提高。P(3HB-co-4HB)有多个熔点，并随4HB含量的增加而降低，其热稳定性几乎不受4HB含量的影响［8］。

2 P(3HB-co-4HB)的性能

目前，P(3HB-co-4HB)的性能研究主要集中在生物降解性能、结晶性能、热降解性能3个方面。这些研究得到的规律为P(3HB-co-4HB)的应用开发奠定了一定理论基础。

2.1 生物降解性的研究

王好盛［4］等采用溶剂涂抹法制备不同3HB/4HB共混比的共聚酯生物可降解膜，经过土壤和脂肪酶降解实验发现:4HB的含量对土壤降解过程比对脂肪酶降解过程有较大影响，4HB含量对薄膜表面腐蚀形貌有很大影响;差示扫描量热(DSC)结果表明，表面无定形态首先被腐蚀，结晶态随后被腐蚀。Koffi L.Dagnon 等［9］以 P(3HB-co-4HB)涂层牛皮纸为试样，土壤埋藏实验后，通过试样对照得出，试样的硬挺度均受到不同程度的减小，生物聚酯的结晶也受到很大影响，涂膜后的纯生物聚酯在土壤中降解的质量损失增大。

2.2 结晶性能

Wen-chuan Hsieh等［10］利用偏光显微镜研究了P(3HB-co-4HB)的结晶行为，测试了不同的温度和不同单体组成对P(3HB-co-4HB)球晶的线性增长速度的影响。郭静等［11］采用偏光显微镜观察P(3HB-co-4HB)的结晶形态，发现P(3HB-co-4HB)的球晶径向生长速度在78℃时达到最大值，分析其原因为晶核生成速率和晶体径向生长速率存在不同的温度依赖性共同作用的结果。Lu Xiuping等［12］利用 DSC、广角 X 射线衍射(WAXD)及偏光显微镜研究了不同4HB含量的P(3HB-co-4HB)的结晶动力学，发现P(3HB-co-4HB)的结晶原理与PHB相似，平衡熔点及结晶速率随4HB质量分数的增加而减小;P(3HB-co-4HB)结晶为带状球晶结构且与结晶温度及4HB的含量有关。

2.3 热性能

张素蕴［8］运用DSC将5种P(3HB-co-4HB)共聚酯以及P(3HB)和P(4HB)进行分析对比，其中P(3HB-co-4HB)的玻璃化转变温度和熔点均低于P(3HB)，说明4HB不利于结晶，4HB的加入使P(3HB)的分子链规整性下降，结晶能力下降，结晶不完善。郭静等［11］对 P(3HB-co-4HB)进行了DSC、热失重(TG)等测试，结果表明，P(3HB-co-4HB)的玻璃化转变温度为－10℃，熔点为 100～120℃，降解温度为205℃。并指出:P(3HB-co-4HB)熔体加工时应在降解温度以下，且适当降低螺杆转速以减小剪切，可避免对材料带来的不稳定性。张竞等［13］利用熔融挤出和注塑的方法制备了P(3HB-co-4HB)和玉米淀粉的共混材料，采用DSC，TG等方法对其熔点、结晶度、热分解温度等进行表征，结果表明，当P(3HB-co-4HB)含量增加，其熔点、结晶度和热分解温度都有不同程度的提高。蓝小平等［14］用双螺杆挤出机制备P(3HB-co-4HB)与聚乳酸(PLA)的共混材料，并利用DSC研究其热性能。得出如下结论:P(3HB-co-4HB)与PLA为部分相容，与 P(3HB-co-4HB)相比，P(3HB-co-4HB)/PLA共混后熔点和结晶温度均有提高，但热焓值降低。

3 P(3HB-co-4HB)的改性

与前三代的PHA类似，P(3HB-co-4HB)也存在生产成本高、可加工温度窗口窄、脆性大等缺点，要在很高的温度和剪切速率下才可以发生降解，限制了其应用。为改变此现状，就要对其进行改性。

3.1 增塑改性

P(3HB-co-4HB)的增塑改性方法主要有内增塑和外增塑，内增塑即提高共聚单元4HB含量，方法复杂而且成本也较高，大多不采用。外增塑是选择适合的增塑剂与P(3HB-co-4HB)共混，这种增塑方法可操作性强，成本也较低。丛川波等［15］用成膜法制备了柠檬酸三乙酯(TEC)、大豆油和甘油三乙酯来增塑P(3HB-co-4HB)，并对共混物进行了热性能和力学性能的研究。结果发现质量分数为5%的TEC对P(3HB-co-4HB)的增塑效果最好，结晶温度下降了2.0℃，结晶焓无明显变化。共混物的拉伸强度和断裂伸长率依次保持在15.8MPa和588%。蓝小平等［14］用双螺杆挤出机制备P(3HB-co-4HB)与PLA共聚物，两者为部分相容，少量PLA不影响共混相容性。研究发现在添加少量PLA时，有利于P(3HB-co-4HB)流动性的提高，加快P(3HB-co-4HB)塑化，当PLA质量分数在10%以上时流动性降低。Guo Jing［16］等研究了 P(3HB-co-4HB)与聚乙二醇10000(PEG10000)通过物理混合改性，并利用毛细管流变仪和TG验证了其流变性能和热行为。TG结果表明，添加PEG10000改善了P(3HB-co-4HB)的热稳定性，共混后的最大分解温度在P(3HB-co-4HB)和PEG两者之间。毛细管流变仪结果显示了P(3HB-co-4HB)/PEG共混物为假塑性流体，非牛顿指数随PEG含量的增加而增加，并且黏流活化能降低。

3.2 扩链改性

李梅等［17］采用环氧丙烯酸型扩链剂改性P(3HB-co-4HB)结果发现:环氧丙烯酸型扩链剂ADR-367可提高熔体弹性模量、黏度、热稳定性和力学性能，且添加(ADR-4367)质量分数为6%时综合性能最佳。郑宁等［18］选择异佛尔酮二异氰酸酯和巴斯夫-4370为扩链剂，采用熔融挤出法制备扩链改性P(3HB-co-4HB)。结果表明:两种扩链剂单独或结合使用均可改善加工性能和力学性能，提高P(3HB-co-4HB)熔体表观黏度，且添加质量分数为1%时，综合性能最佳，拉伸强度、断裂伸长率和缺口冲击强度与纯P(3HB-co-4HB)相比，分别增加了22%，234%，95%。

3.3 P(3HB-co-4HB)与无机物共混改性

由于P(3HB-co-4HB)价格昂贵，一定程度上限制了其应用。将木粉与P(3HB-co-4HB)共混不但可以降低成本，而且都能生物降解。但二者相容性差，共混后性能不理想。彭全等［19］用熔融接枝法将 P(3HB-co-4HB)接枝到马来酸酐(MAH)上，制得 P(3HB-co-4HB)-g-MAH，接枝率随MAH含量的增加呈现先上升后下降的趋势;接枝产物与纯P(3HB-co-4HB)相比，接触角下降，亲水性提高，结晶能力下降，冲击强度提高;接枝后的P(3HB-co-4HB)-g-MAH与木粉共混后的界面结合力提高，木粉在基体中的分散性有所改善。刘晓晔等［20］选择具有比表面积大，表面活性高的纳米氮化钛(TiN)的陶瓷粉体，可较好地相容于P(3HB-co-4HB)，利用熔融共混及高速搅拌的方法将纳米TiN均匀分散到P(3HB-co-4HB)。结果表明:共混复合材料的拉伸模量及韧性都有明显提高，且添加TiN质量分数为0.05%和0.1%时，综合性能均达到最佳;材料结晶完善，TiN起到了成核剂的作用，细化了球晶尺寸;共混后复合材料的热稳定性有明显提高。

4 P(3HB-co-4HB)纺丝成纤

P(3HB-co-4HB)材料具有可塑性和延展性等特点，可应用不同纺丝方法成纤，获得生物可降解纤维。目前采用的纺丝方法主要有:静电纺丝和熔融纺丝［21］。

Zhao Dongmei等［22］由不同浓度梯度的氟磷灰石(FAP)与P(3HB-co-4HB)溶液通过静电纺丝制备了分级构造的薄膜(CGF)，发现CGF的热性能及机械性能得到了精确的控制。李楠等［23］通过静电纺丝技术将PLA，P(3HB-co-4HB)和聚碳酸亚丙酯制成纳米纤维膜，之后通过扫描电镜(SEM)对纤维膜的结构形态进行分析，并观察与人体环境相近的磷酸盐缓冲液(37℃，pH值为7.4)中浸泡不同时间的亲水性。结果表明:可由静电纺丝技术制得这3种材料复合的微纳米纤维，其纤维的直径可由制备参数调控，试样在培养液中的浸泡时间越长，显示出的接触角越低，亲水性越强。Guo Jing等［24］以 P(3HB-co-4HB)为原料，采用熔融纺丝制得纤维，发现经过拉伸后，大分子沿纤维轴产生了取向，纤维有一定强度，回弹性较好，经消毒处理后强度稍有降低，但通过适当的工艺优化可以满足医用手术缝合线性能要求。Guo Jing 等［16］以 P(3HB-co-4HB)为原料，PEG10000为增塑剂，采用熔融纺丝法制得纤维，结果发现P(3HB-co-4HB)与PEG10000有较好的相容性，在PEG10000质量分数为2%时纤维力学性能最好。

5 P(3HB-co-4HB)应用

P (3HB-co-4HB)是PHA中降解速度最快的生物材料，因价格较贵，目前主要应用于如心血管系统、伤口愈合、骨科、药物传递，及组织工程［4］。其应用研究的热点集中于生物相容性，一是组织相容性，二是血液相容性。

一般选择非生物可降解材料作为手术缝合线可能会导致其不被机体吸收或者有不同程度的组织反应，而使表皮留下疤痕。选择 P(3HB-co-4HB)生物可降解材料做缝合线可在机体内降解，易于吸收和排泄，减少伤口感染，疤痕少，避免二次开刀也减轻了病人的痛苦［25］。Chen Xianyu等［26］研究了P(3HB-co-4HB)单丝缝合线在体内和体外的降解行为。在体外2周内其断裂强度保持不变，12周后断裂强度为原始的65%。SEM和原子力显微镜(AFM)图像显示了缝合线降解过程中的形态变化以及伴随着粗糙度和裂缝变化，P(3HB-co-4HB)缝合线在体内相对分子质量变化和体外降解相对分子质量变化相似，这也说明了P(3HB-co-4HB)单丝可作为一种理想的生物降解缝合线。

其次，P(3HB-co-4HB)作为生物降解材料要确保材料无毒性、不致癌、不引起人体细胞突变和组织反应。Pan Jueyu等［27］将 P(3HB-co-4HB)和PEG的羟基末端和异氰酸盐组分发生偶联反应，制得的P(3HB-co-4HB)-alt-PEG交替嵌段聚氨酯应用在抗凝血材料有很大的生物医学价值。CCK-8化验鉴定了材料无毒性并能维持肌细胞良好的存活性。Urmila Rao等［28］用去除热原法与维他命E混合可提高其生物性能，测试了混合后此生物材料的生物相容性以及相容后对细胞响应的评估。发现共混后P(3HB-co-4HB)极大地扩宽了组织工程的使用范围。

另外，生物可降解材料在其治疗期间要保持其力学性能和功能。日本Tang H.Ying等［7］针对不同4HB含量的静电纺PHA支架的纤维聚合物进行了SEM，WAXD，拉伸测试等实验。结果表明:P(3HB-co-4HB)的机械性能提供足够的生物力学方面的要求，SEM还观测到在PHA支架的侵蚀后，每根纤维尺寸和质量的变化。苏伟等［29］利用静电纺丝技术制备P(3HB-co-4HB)血管外支架，经研究验证所制得的支架具有高孔隙率和弹性的特性满足于静脉移植物外周支架材料的多方面性能要求。

除此之外，P(3HB-co-4HB)还有其他方面的应用。Koffi L.Dagnon 等［9，30］用溶剂涂层和融化涂层两种方法将P(3HB-co-4HB)作为粘合剂涂覆在牛皮纸上，并测验了其热学和力学性能。结果表明:室温下融化涂层比溶剂涂层吸收更高的能量，有更优良的粘附力。

6 结语

P(3HB-co-4HB)作为PHA新一代产品，还不能与大量生产的石油工业类的塑料直接竞争，所以加大开发此类生物可降解材料的科研投入尤为重要，通过对生物降解材料降解性能、结晶性能以及热性能等的探究，对其进行改性及其加工成型工艺成为研究热点，特别是根据其物理及化学特性进行纺丝，并利用生物相容性，在医疗上应用有重大意义。随着新型合成方法规模化生产的实现及改性研究的深入，P(3HB-co-4HB)生物材料的价格必将降低，应用领域必将大大扩宽。未来P(3HB-co-4HB)研究将集中在以下方面:(1)在P(3HB-co-4HB)中引入无机刚性粒子或者低相对分子质量的增塑剂以降低其熔体黏度，改善材料的加工流动性;(2)研发专用扩链剂以得到具有立体网络结构的P(3HB-co-4HB)，提高纤维的弹性;(3)运用新型复合成核剂，改善其结晶性能，尽可能地缩短其结晶周期，减弱后结晶现象对产品性能的影响;(4)利用复合材料性能与其结晶形态的关系探索最佳的成纤加工条件，制得性能更优的P(3HB-co-4HB)纤维;另外，作为纤维还应关注P(3HB-co-4HB)的表面整理技术，防止初生纤维粘连而难以退绕，而且通过各种整理工艺(如消臭、防蛀、阻燃和智能化整理等)可以获得具有特殊功能性的纤维。

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Research progress in poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate)

Guo Jing，Zhang Xin，Hu Chengnu
(College of Chemical and Material，Dalian Polytechnic University，Dalian 116034)

The properties and characteristics of biodegradable poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate)(P(3HB-co-4HB)were introduced.The technology progress of plasticization，chain extension and blending modifications was reviewed aiming at solving the problem of narrow processing temperature range，great brittleness and high cost of P(3HB-co-4HB).The spinning and fiber-forming technology of P(3HB-co-4HB)was also introduced.The application and prospects of P(3HB-co-4HB)in medical field were described oweing to its plasticity，biodegradability and biocompatibility.It was pointed out that the research of P(3HB-co-4HB)should be focused on the improvement of material processing flowability and crystallinity and the technology of fiber processing and surface finishing.

poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate);fiber-forming;biodegradable material;modification;capatibility;application

TQ323.9

A

1001-0041(2012)03-0031-05

2011-09-19;修改稿收到日期:2012-03-15。

郭静(1962—)，女，博士，教授，从事高分子材料成型与改性研究。E-mail:guojing8161@163.com。