生物可降解材料聚乳酸的研究进展综述

张文博

（营口市科技创新服务中心，辽宁营口 115000）

0.前言

塑料制品带给人们好处的同时，也带来了许多问题，最严重的就是塑料使用之后的污染问题。所以，研发一种能短时间内能够在自然界完全降解的材料尤为重要，而聚乳酸（PLA）就是一种最佳的选择。聚乳酸是由乳酸合成的脂肪族聚酯聚合物，对环境的危害微乎甚微，是一种可以完全降解的材料。经过处理，它的最终产物是二氧化碳和水，中间产物是乳酸，也是人体内的正常代谢产物[1]。聚乳酸对环境、人类、动物都没有危害，不仅对人体无害，而且还和人体具有良好的兼容性，同时还具备良好的加工性能，所以广泛应用于医疗领域。例如，利用聚乳酸制作药物控释材料、一次性输液用具、人造皮肤、手术中免拆的缝合线，眼科所用的一些高分子器具等[2-3]。近年来，越来越多的科研工作者对聚乳酸进行了大量的研究，聚乳酸表现出了大量的应用价值。因此，本文对聚乳酸的性质及应用现状及前景进行了综述，希望对未来聚乳酸的更深度研究有所裨益。

1.聚乳酸发展现状

PLA 生产企业主要分布在荷兰、泰国、美国、中国等地。2020年，全球聚乳酸产能约40万吨，其中，美国天然工程公司是全球最大的聚乳酸生产企业，年产约16万吨，占全球聚乳酸总产能的41%。其次是荷兰的土尔科维昂公司，年产7.5万吨，占比约19%。我国聚乳酸研究起步较晚，但发展很快，浙江海正生物材料公司是目前国内最大的聚乳酸供应商，年产量约 6.5万吨[4]。

目前，我国聚乳酸生产规模最大且生产丙交酯的核心技术企业是浙江海正生物材料股份有限公司。其技术主要来自长春应化所，目前丙交酯产量可实现部分自给，拥有4.5万吨/年的聚乳酸生产能力。生产线投产后，该公司整体生产能力预计将增加到12万吨/年。南京大学联合诊断科技掌握了在有机胍催化下制备丙交酯技术，并于2020年投资建设了1万吨/年的丙交酯生产线，预计在未来3～5年内增加10万吨/年的生产能力。随着诊断科学技术突破丙交酯技术难题，预计今后将缓解国内PLA产业原材料短缺的局面。由于聚乳酸作为生物新材料应用，聚乳酸的前景日益看好。最近，国内一些玉米深加工企业和生物化工企业开始投资聚乳酸行业，预计到2025年，我国聚乳酸产量将超过60万吨[4]。

2.聚乳酸的性质

2.1 聚乳酸的结构

聚乳酸具有旋光性，是乳酸单体的重复结构。聚乳酸具有4种旋光异构体，分别是聚D-乳酸（PDLA）、聚L-乳酸（PLLA）、聚D,L-乳酸（PDLLA）和内消旋（meso）-乳酸[5]。

2.2 生物可降解性

相对于传统塑料，聚乳酸具有更好的生物可降解性，在微生物的作用下就可以完全降解，生成的产物是水和二氧化碳，二氧化碳可以通过光合作用去除，而中间的产物乳酸也是人体内的正常代谢的产物糖代谢产物。所以，聚乳酸对环境的危害相对于传统的塑料也大幅度地降低了。

2.3 生物可相容性

聚乳酸和人体具有良好的相容性，同时还具有良好的加工性能，目前被共认为是一种极好的生物兼容材料，所以广泛地应用于医疗领域。例如，利用聚乳酸制作药物控释材料、一次性输液用具人造皮肤、手术中的免拆的缝合线、眼科所用的一些高分子器具等。

2.4 物理性能

相对于其他生物可降解材料，聚乳酸具有更加良好的物理性质、透明性、热稳定性、柔韧性和更高的强度，同时还具有更好的可塑性和加工性能。

3.聚乳酸的合成

目前，聚乳酸的合成方法一般分为两种，一种是直接缩聚法[6]，就是聚乳酸是由乳酸直接脱水而形成的，该方法合成的聚乳酸一般分子量都很低，但是通过聚合除水和控制合成温度等条件处理后，往往可以得到分子量较大的聚乳酸。直接缩聚法又分为溶液缩聚法和熔融缩聚法。另一种是间接聚合法[7]，这种方法一般分为两个步骤，第一步是用原料乳酸通过缩聚和解聚去制备丙交酯（环状）；第二步是用环状的丙交酯开环聚合去合成聚乳酸。该方法通过控制不同的反应条件可以控制聚乳酸的分子量，但是该方法制备过程及其复杂，而且成本也非常的高。间接聚合法又分为离子开环聚合法，配位开环聚合法和有机开环聚合法。

3.1 直接缩聚法

3.1.1 溶液缩聚法

溶液缩聚法就是利用溶剂一起共沸、回流液除水的方法制备聚乳酸。其中，除去的水分越多，体系内剩余的水分越少，得到的聚乳酸的相对分子质量就越大。该方法的制备成本较其他方法低廉，但其能耗较大，对环境具有污染，在空气中还会残留工业气味儿[8]。

3.1.2 熔融缩聚法

熔融缩聚法就是不需要额外再添加溶剂，将乳酸加热到熔融状态下进行脱水缩聚，生成的水和副产物等通过真空等方式抽出，还可以使用惰性气体将其携带排出体系中。该方法得到的聚合物的分子量相较于溶液缩聚法要小，但通过改变其反应条件等因素可以相应提高其分子量。反应条件的温度不能太高，温度太高会导致其最终产物发生降解和炭化。该方法主要包括扩链反应、反应挤出聚合和熔融-固相聚合等。

3.2 间接聚合法

3.2.1 离子开环聚合法

离子开环聚合法也可分为阳离子聚合和阴离子聚合。

阳离子聚合是指阳离子攻击乳酸单体外的氧形成氧离子，致使烷氧键断裂，生成酰基正离子，从而进行链的增长。该方法易发生消旋反应故很少使用。

阴离子聚合是指阴离子攻击乳酸单体外的羰基，致使烷氧键断裂，生成活动中心致使进行链开环增长的聚合反应，该方法易发生部分消旋和反应停止，所以也很少使用[9]。

3.2.2 配位开环聚合法

配位开环聚合法目前比较常用，配位催化剂Sn、Al、稀土元素、Zn、Mg等金属的烷氧基配合物，主要机理是乳酸上面的氧原子和金属的活动中心进行配位，然后，酰氧键插入金属氧配位键中，致使其开环断裂，进而进行链的增长。因我国存在大量的稀土资源，而且此方法的反应条件理想，引起了不少相关人士的研究兴趣。

3.2.3 有机开环聚合法在现在的生物医疗科研领域，从医疗安全的角度考虑，越来越多的科研工作者开始研究不含金属的、纯绿色的、安全的有机催化剂。据相关文献发现，此类催化剂主要有胺类、硫脲类等。此类研究仍处于探索阶段，而且其具有制备过程复杂、技术含量高和成本高等特点，很难被市场接受。

4.聚乳酸的改性

4.1 亲水改性

因为聚乳酸广泛应用于各大领域，如食品包装、生物医学等，所以为保证其性能，要对其进行疏水改性。由于聚乳酸为了能够和配体生物分子结合，其含有的壬基苯氧基丙烷磺酸钠能够对特定细胞进行靶向作用，提高与活细胞的生物相容性；还能借助羧基、羟基和氨基，与靶向细胞生物分子实施生物共轭，确保对特定细胞的靶向作用。利用亲水性单体和疏水聚乳酸控制自由基聚合，可以制备出含亲水性丙烯酸酯的聚乳酸基。例如，聚乳酸可以提高药物转运纳米颗粒（NPs）的循环时间，减少单核吞噬细胞系统（MPS）的摄取量，在一定程度上提高体内药物的利用率。与现有的自由基聚合方法不同，可控自由基聚合可以在少量自由基和大部分休眠物种之间实施快速的动态平衡，因此可以对共聚物进行分子质量的均匀分布。该方法可以应用于各种各样的四线型结构（梯度、超支化、嵌段）的共聚物。ATRP（原子转移自由基聚合）被聚乳酸扩链聚合物和亲水性聚合物广泛关注，非常适合于可控的聚乳酸合成亲水性丙烯酸酯。为了提高聚乳酸基载药纳米粒子的循环时间，必须携带亲水性的纳米粒子和疏水性的药物，以保证生物兼容性和水溶性[10]。

4.2 pH响应改性

近几年，聚合物-药物的pH 响应系统受到越来越高的关注度，疏水性生物活性药剂可以借助 pH 反应链提高靶向效果。聚合物载体对提高水溶性有积极影响，能够增加药物在体内的停留时间。伴随聚合物分子量的提高，滞留效应（ERP）增加，有助于实体肿瘤的药物积累。在这个系统中，药物分子可以通过共价方式连接到聚合骨架、化学键连接系统，有很高的缓释性，有助于提高其药物利用率。Firizal[11]等借助酸不稳定存在的结合法合成了对pH响应有反应的多西紫杉醇（DTX）交联的聚乙二醇（PEG）凝胶剂。在此过程中，叶酸和 PLA-PEG 的结合可以提高 DTX 的靶向传递效果。

4.3 分子结构改性

由于聚合物结构的变化会改变其性质，一些学者提出了接枝、支化、交联、星形状等多种分子结构。与线性聚酯相比，星形聚酯链端更多，分散性和溶解性更好，这一优势使得星形 PLLA 在临床领域得到了广泛的使用。S.Peter[12]等通过研究两亲性星形支化两性离子的共聚物，说明这类分子有良好的肿瘤靶向传递性。

5.聚乳酸的应用

5.1 医疗科学领域

由于聚乳酸具有良好的生物相容性、生物可降解性，可以很好地应用于人体中，在人体内不会存在抵抗排斥的负面影响，所以被广泛地应用于医疗科学领域。例如，制作药物的缓释剂，可以使药物在人体内不至于一次性大量释放毒副作用，加入缓释剂后可以慢慢释放，更有利于人体的吸收。缓释剂也可以用于手术过后的免拆手术线和体内的缝合线，在患者手术后体内需要缝合的部位使用此降解材料制作的缝合线可以免除拆除的步骤，从而减轻患者的痛苦。聚乳酸在医疗领域的应用还有很多，比如说制作骨科所用的医疗固定材料等。

5.2 工农业领域

相较于普通传统塑料，聚乳酸的优势体现在它的生物可降解性。普通传统塑料在使用废弃后往往需要好几百年才能完全降解，而聚乳酸制备而成的材料在微生物的作用下很快就能降解，对环境的污染大大减少。在工农业领域，有很多方面都在应用这种材料。例如，制作各种农业农药的包装袋和包装膜、各种工程材料、农药的缓释剂等。

5.3 日用领域

由于聚乳酸的无毒无害性，所以也可以应用于我们的日常生活中。例如，可以用于许多的食品包装行业、服饰行业，其聚乳酸有很多的纤维形式，可以用来纺织布料，其质感类似于棉、丝绸，也可以用于生产各种生活用品和旅游用品等。

6.结论与展望

我国是聚乳酸原料储备非常丰富的国家，所以将其加以利用，对解决目前全球污染问题有着至关重要的作用。然而，现在由于其制备过程复杂、聚乳酸材料价格昂贵，导致其市场接受效果不理想。所以，对聚乳酸的研究还有待深入，使其简化制作流程，降低制作成本，以更好地被大众所接受。