生物可降解聚碳酸酯的制备及其应用研究进展

张 梅，贾学增，陈 曦

（重庆化工职业学院，重庆 400020）

生物可降解高分子材料与生物体的化学结构极其相似，具有良好的力学性能与生物相容性，且制备工艺简单，容易加工成型，可在动物或者人体内经过酶或非酶的作用进行降解［1-3］，降解产物具有良好的生物相容性，可通过生理代谢的方式排出体外。可生物降解聚碳酸酯具有良好的生物相容性和力学性能［4-6］，经过生物降解后生成二氧化碳和中性的二元醇（酚），然后排出体外，不会产生残留，对生物体的影响极低。可生物降解聚碳酸酯的加工工艺简单，可以通过改变主链化学结构或者引入各种类型的功能化侧基，对材料进行改性，使其具有不同的性能，来满足不同使用条件下的需要。可生物降解聚碳酸酯由于其特殊的性能，在生物医用材料领域的应用极广。与传统陶瓷材料相比，它更容易与骨刚性相匹配，在矫形外科手术和其他组织修复应用中具有明显优势［7］；与金属材料相比，可生物降解聚碳酸酯不会产生金属离子，不会发生腐蚀现象，也不会引发局部炎症反应，在固定支架方面有较好的应用前景［8］；可生物降解聚碳酸酯还可作为药物的外壳，外壳缓慢降解，使药物的释放速率减慢，药性持续时间加长，从而获得更好的治疗效果［9］。本文对生物可降解聚碳酸酯的种类、合成技术进行综述，并对其在生物医疗领域的应用进行展望。

1 可降解聚碳酸酯的种类

1.1 含脂肪族主链的聚碳酸酯

含脂肪族主链的聚碳酸酯分子间作用力较小，具有熔融温度低、溶解性能好、有一定亲水性、玻璃化转变温度低等特性。黄霞等［10］以天然α-氨基酸为原料合成了含脂肪族主链的聚碳酸酯，并进行了水解实验，结果表明，含脂肪族主链的聚碳酸酯具有良好的水解性能，其水解率对碱性降解液的浓度有一定依赖性。梁飞等［11］采用溶液预聚体法合成了毒性小、生物降解性能优异的聚碳酸酯，当预聚温度为80 ℃时，合成的聚碳酸酯拉伸强度为52.5 MPa，水解实验表明，材料完全降解时间为60 d，降解性能优异。

1.2 含芳香族主链的聚碳酸酯

在聚碳酸酯主链上引入含芳香基的单体链节，可以提高聚碳酸酯的力学性能。这类聚碳酸酯为无定型材料，可通过简单的工艺方法（如注射模压、吹塑等）制备。含芳香族主链的聚碳酸酯具有良好的力学性能，如含酪氨酸二肽的聚碳酸酯，其最大的抗张强度和杨氏模量分别可达50 MPa，112 GPa。含芳香族主链的聚碳酸酯表现出良好的生物相容性，水解成酪氨酸和二氧化碳，具有良好的生物相容性。李智勇等［12］采用溶液法制备了含芳香族主链的聚碳酸酯，该聚合物在高温固化后表现出优异的热稳定性，还具有良好疏水性，在沸水中浸泡24 h后的吸水率低至0.21%。Tangpasuthadol等［13］研究了含芳香族主链聚碳酸酯的降解机理，设计了一系列模拟聚合物重复单元的小型模型化合物，使用这些模型对水解速率进行模拟，结果表明，主链碳酸根键的水解速率较酯链键快，增加烷基链的长度可以降低两个键的水解速率。

2 脂肪族聚碳酸酯的合成技术

2.1 光气法

光气法是以水和二氯甲烷为溶剂，通过光气与脂肪族二元醇的缩聚，制备脂肪族聚碳酸酯。该方法工艺成熟，产品的物理性能稳定，但是生产过程中需要盐酸作为原料，产品中有残留的氯离子，影响产品的使用，而且该方法对环境污染大，后续处理的成本高，该合成方法具有一定的局限性。目前的研究方向主要集中在减少产品中氯离子的残留量，提高产品使用的适用性。黄振豪等［14］采用光气法合成聚碳酸酯，主要以二甲烷、氯苯为原料，通过界面缩聚合成工艺和液-液离心萃取工艺制备，全流程可进行连续化生产。采用液-液离心萃取法洗涤，可使产品的氯含量由（650～750）×10-6（y）降至20×10-6（y）以下，二甲烷质量分数降至0.05%。

2.2 酯交换法

酯交换法是采用碳酸二烷基酯和脂肪二羟基化合物为原料，在碱性催化剂以及高温条件下进行酯交换反应。与光气法相比，这种方法不以盐酸为原料，不会有残留的氯离子，也不会污染环境，但是生成的聚碳酸酯力学性能较差，具体为黏度及硬度较低，目前的研究重点在选用合适的催化剂以及工艺提高其物理、化学性能。潘冬冬等［15］研究了以1,6-六亚甲基二氨基甲酸甲酯和聚碳酸酯二醇为原料，有机锡为催化剂，无溶剂熔融酯交换缩聚合成聚氨酯（PU）的新工艺，通过优化缩聚反应温度以及反应时间，可以得到相对分子质量较高、硬度较大、白度较好的PU，其特性黏度为61.30cm3/g，硬度为35.0，白度为61.2%。

2.3 加成共聚法

加成共聚法是由环氧化合物（如环氧乙烷、环氧丙烷等）与CO2在有机金属催化剂的作用下制备聚碳酸酯，目前的研究热点是选用环氧化合物以及有机金属催化剂得到相对分子质量高的聚碳酸酯。燕丰［16］采用二氧化碳、环氧环己烷、α-环氧蒎烷为原料，四齿希夫碱金属配合物SalenCr ⅢCl为主催化剂，双（三苯基膦）氯化铵、3-丁基氯化铵、1-甲基咪唑、4-二甲氨基吡啶四者之一为助催化剂，在二氧化碳压力为2.0～5.5 MPa的条件下将环氧环己烷、α-环氧蒎烷与二氧化碳进行加成共聚制备聚碳酸酯。该工艺简单易操作，制备的脂肪族聚碳酸酯具有热稳定性好，相对分子质量高以及相对分子质量分布窄等优点。

2.4 开环聚合法

环状碳酸酯单体在引发剂作用下通过开环聚合可得到聚碳酸酯，开环聚合法具有反应条件温和、热效应低、聚合反应速率快、能在较短时间内达到较高相对分子质量、聚合物结构易控制、产物纯净等优点。采用的引发剂可以是醇、酸、胺、卤代烃等非金属，金属和酶等，目前的研究热点主要在选用合适的引发剂以及工艺参数，得到物理生物性能好的脂肪族聚碳酸酯。冯俊等［17］采用猪胰脂肪酶为催化剂，通过开环聚合的方法合成了聚碳酸酯，相对分子质量为3000～18000，随着反应时间的延长，聚碳酸酯的相对分子质量没有明显的变化，但产率逐渐提高，这种方法有利于提高脂肪族聚碳酸酯的产率。

3 可降解聚碳酸酯在生物医疗领域的应用

脂肪族聚碳酸酯具有生物降解性、生物相容性、表面溶蚀性能以及多功能性等特点，是一种优良的药物载体材料。王士海等［18］通过十六醇引发2,2-二甲基三亚甲基环碳酸酯开环聚合合成了聚碳酸酯，再与叶酸通过酯化反应合成了叶酸修饰的聚碳酸酯，以吲哚美辛为模型药物，Fe3O4粒子为磁源，通过乳化法制备了叶酸修饰的聚碳酸酯磁性载药微球，结果表明，质量分数为9.5%的Fe3O4粒子被包裹在聚合物微球中，微球粒径约320 nm，具有超顺磁性，且对吲哚美辛的包载率为4.6%，载药微球在模拟人体环境（pH=7.4，37 ℃）下36 h后的累积释药剂量为20.0%，具有缓释效果。

脂肪族聚碳酸酯在降解过程中不会产生酸性物质，可避免局部由于pH值较低而引起的炎症反应，可应用于人体生物组织工程方面。张玲等［19］利用聚碳酸亚丙酯和聚羟基丁酸己酸酯制备了不同比例的共混膜，发现共混膜上血管平滑肌细胞的黏附良好，将其制成的管形支架力学性能符合体内移植要求，支架的破裂强度与羊颈动脉相似，缝合强度均强于羊颈动脉，可望用于血管组织工程支架材料。

4 结语

综述了可生物降解聚碳酸酯的种类及合成技术，并展望了可降解聚碳酸酯在生物医疗领域的应用。合成毒性小、生物降解性能优异的聚碳酸酯是目前研究的重点，同时降低氯含量，提高硬度，提高产率是脂肪族聚碳酸酯合成技术的研究方向。由于聚碳酸酯具有缓慢的生物降解功能，可使药物逐步缓慢释放，提高治疗效果，并降低药物对人体的伤害。