生物可降解材料聚乳酸的制备及应用

李淑慧，杨树荣，徐栋(兰州助剂厂有限责任公司，甘肃 兰州 730000)

0 引言

聚乳酸是由微生物发酵所产生乳酸单体聚合而成的高分子聚合物，它的特点是无毒、无刺激气味、可降解、生物相容性良好，所以广泛应用到了医学、食品包装和汽车电子等领域。聚乳酸在自然界中通过土壤、水或微生物的作用下都能实现无污染的分解，可降解的特性既推动了各个领域的发展，也满足了我国构建绿色环保型社会的要求。因此，对于聚乳酸的研究规模随之扩大，通过对聚乳酸合成、改性以及应用，促进聚乳酸的价值发挥，进而为社会进步奠定坚实基础。

1 聚乳酸具备的生物性质

1.1 生物可降解性

乳酸主要由植物发酵而来，主要成分包括玉米、小麦等可再生资源，所以聚乳酸有着良好的可降解性质。废弃的聚乳酸产物在土壤中微生物或水的作用下会完全分解成水和二氧化碳，对空气和土壤都没有任何污染，同时还有利于促进植物的光合作用。

1.2 生物相容性

据相关研究显示，聚乳酸可以在人体中实现完全无害的分解，分解后的主要产物即是二氧化碳和水，并且在人体新陈代谢的过程中即可完成分解，所以其生物相容性良好。在不断实践应用的过程中，证实了聚乳酸和人体的相容性，如将其作为植入人体的生物材料，后续没有任何的不良反应发生，逐渐取代了金属材料的地位。

1.3 优越的物理性质

聚乳酸优越的物理性质主要体现在柔韧性良好、透明度充足、机械强度足够和良好的热稳定性，这些物理性质无疑满足了各行各业的具体要求，相较于不可降解材料和其他可讲解材料的优势都较为明显。

1.4 可加工性

聚乳酸本身的可加工性良好，实际加工起来只需要充分结合其热塑性即可，能够以各种不同的方式进行热塑成型，满足了各种形态的要求，赋予了其良好的加工性能。

2 聚乳酸的合成制备方式

2.1 间接聚合制备

间接聚合法指的是开环聚合。首先，将乳酸作为原材料，并通过缩聚和解聚的方式得到环形丙交酯。其次，将丙交酯进行开环聚合从而得到聚乳酸。开环聚合的方式主要通过对反应时间、反应温度和选择不同催化剂种类来实现对聚乳酸分子量合成的过程，这一方法的优势在于反应原理简单、反应过程可控，缺点是聚乳酸的后续提纯过程较为复杂且需要的成本偏高。结合使用催化剂的不同和相对应的反应原理，间接聚合法可以划分为离子开环聚合、配位开环聚合和有机开环聚合等方式。

(1)离子开环聚合法。离子开环聚合法因催化剂酸碱性质的不同分为阳离子聚合和阴离子聚合。其中阳离子聚合指的就是在酸性物质催化下借助阳离子与乳酸单体中氧原子的反应实现链的加长，阴离子聚合中主要依靠碱性物质来催化阴离子与乳酸单体中的羰基发生反应实现链的加长[1]。阳离子聚合开环的方式受温度影响较大，所以实际应用较少，阴离子聚合中由于阴离子碱性较强，就会限制聚乳酸分子量的增加，同样存在一定限制。

(2)配位开环聚合法。配位开环聚合法就是利用催化剂中的活性元素与乳酸中的氧原子进行配位，从而实现链的增产。配位开环聚合法的优势在于可控性较强、伴随反应少且聚乳酸分子量高。常用的催化剂由锡类配合物催化剂、稀土类配合物催化剂和有机铝配合物催化剂等，催化剂都需要具备良好的催化效果且伴随反应少的特点。

(3)有机开环聚合法。为了确保聚乳酸无害应用，催化剂的选择应尽可能选择无害的有机催化剂。如胺类、硫脲类等有机催化剂，这类催化剂中不含金属元素，发生聚合反应的过程中不会存在金属存留，能够确保聚乳酸的应用安全，但目前还处在研究的初期，还需进一步完善后才能投入实际的使用中来。

2.2 直接脱水聚合制备

直接脱水聚合制备的方式是通过对乳酸的脱水处理得到聚乳酸。这一方法相对来说聚乳酸的分子量较少，并且分子之间的范围更大，需要进一步的除外聚合后才能得到分子量较高的聚乳酸，这一过程需对水、温度等条件进行有效把控，具体划分为溶液缩聚法和熔融缩聚法[2]。

(1)溶液缩聚法。溶液缩聚法的原理是通过溶剂共沸的过程完成除水回流进而提高聚乳酸分子量。这一过程中除水效果越好，聚乳酸的分子量也就越高，所以这一方法应用过程中需合理选择溶剂，溶剂与水应完全不发生反应且能够溶解聚合物后与水共沸。目前通过连续共沸除水的方式已经获得的聚乳酸分子量可达30万个，但我国的共沸除水能力还需进一步提升，目前只能制备出20万分子量的聚乳酸，虽然分子量制备方面有着一定差距，但实际应用价值却已不能忽略。溶液缩聚法在反应过程中温度始终保持在共沸点，所以显著优势在于能够避免因温度变化而导致的聚合物分解，聚合效果较好。缺点在于溶剂回收使用困难较大，并且设备的操作较为复杂，所以聚合成本偏高。此外，针对不对溶剂的不同沸点、不同气味等情况，需要进行针对性处理，进一步提高了聚合物纯化的难度。

(2)熔融缩聚法。熔融缩聚法顾名思义就是以加热为主要方式来完成聚合的过程。这一缩聚方法在实际应用的过程中将整个体系始终处在熔融的状态下，将反应过程中气化的水通过真空抽出或惰性气体携带的方式排除。仅通过熔融缩聚法获得的聚乳酸分子量同样偏低，还需要对聚合物进行进一步的缩聚，通过调整反应时间、反应温度和调整催化剂种类来进行聚合物的进一步提纯，所以再缩聚过程中如何控制反应的相关条件和选择何种催化剂是当前熔融缩聚法的研究重点，目前主要以反应基础聚合、熔融-固相聚合、扩链方法为主。

(3)反应挤出聚合。这一方式通过反应器和双螺杆挤出机相组合的方式进行熔融缩聚，目的是进一步提升聚乳酸的分子量。优势在于反应快、成本低，所以具备应用推广的价值。在相关实验中，将分子量4.4万的聚乳酸缩聚物投入到具有回流装置的双螺杆挤出机中，在这一过程中对真空抽出的乳酸进行补充，分子量就得到了有效的缩聚，最后的聚乳酸分子量可高达15万。

(4)熔融-固相聚合。这一方法的原理就是使预聚物处于低于熔融温度的环境之下，又要确保温度能够使预聚物呈晶体形态，从而完成进一步聚合。通过将未定型区中低分子和大分子的端基反应形成高分子聚合物，这就显著提高了聚乳酸的结晶度和分子量，但缺陷在于这一方法反应时间偏差。

(5)扩链反应。扩链反应的原理是通过加入扩链剂来完成聚合物的扩链反应，从而提纯预聚物，提高聚乳酸分子量[3]。扩链剂通常是有着双官能团的有机物，和预聚物的官能能有着良好的反应能力，也就提纯了聚乳酸的分子量，这一方法对分子量的提升较为显著。

综上，熔融缩聚法的优势在于操作步骤少、操作成本低、聚乳酸纯度高，缺点是聚乳酸的分子量较低，合成的时间偏长，所以就需要加强进一步缩聚的研究，改善熔融缩聚法的缺陷。

2.3 共聚改性法制备

聚乳酸的特性是生物相容性良好且容易完成生物降解，所以是有着良好改性应用价值的绿色环保材料，因此广泛应用与生物医学领域。在进行聚乳酸的应用过程中，由于材料本身的相容性，就会导致本体强度、疏水性等造成影响，这就限制了其实际的应用价值，因此为了满足在生物领域的发展，所以聚乳酸的改性研究越来越深入，通过在聚乳酸中加入其他单体实现共聚改性，从而形成聚乳酸的合成材料，加强聚乳酸的应用范畴。

聚乳酸的共聚改性主要为物理法和化学法。物理法就是将聚乳酸和其他一种或多种聚合物混合在一起，从而使得聚合物的性能发生变化，进而改善聚乳酸的自身性质，满足实际应用要求。化学法就是将聚乳酸与其他单体发生共聚反应，通过调整单体物质的占比来优化聚合物的结构和性能。聚乳酸的共聚改性有着良好的发展前景，也是聚乳酸广泛应用的重要基础[4]。

3 聚乳酸的具体领域应用

3.1 生物医学领域的具体应用

聚乳酸良好的生物相容性和生物可降解性，决定其在医学方面的应用，目前已经成为生物医药制造领域中不可或缺的关键高分子材料，对提高药效、组织恢复、医学缝合方面都有着较大的促进，主要体现在以下几个方面。

(1)药物可控释放。聚乳酸由于其良好的生物降解性，所以可以将其作为药物的载体，一方面能够消除对人体的损害，另一方面则是可以实现药物的可控释放。将药物置于聚乳酸合成物的载体之中，在体内进行药物的缓慢释放，并且随着药物在体内存在时间的延长，聚乳酸的结构会被逐渐分解，药物释放的速度随之加快，不仅避免了药物含量的浪费，也可以实现对药物长期的定量释放，确保药物的浓度始终处在稳定的状态下，既提升了药物药效，也避免了药物一次性释放所带来的毒性，降低了药物的副作用。除此之外，聚乳酸合成物载体在体内实现了良好的生物降解，载体的危害可以忽略不计。因此，将聚乳酸作为药物承载体的方式越来越常态化、商品化，如抗生素笨、药物曲普瑞林等，取得了良好的药物释放效果。

(2)人体的组织工程。在技术不断更迭的背景下，人体的组织工程也在不断发展，对人体健康产生了较大的影响。组织工程的要求无疑是严格的，通过进行组织工程替代人体的组织或完善组织功能，为了实现这一目的，必须确保组织工程材料与人体有着良好的相容性，能够满足细胞生长、组织使用、安全降解等要求，而聚乳酸材料的性质很好的满足了这一要求，所以当前聚乳酸已经成为了组织工程材料的第一选择，应用价值良好[5]。就骨科的组织工程来说，聚乳酸材料相较于传统的金属材料应用效果更好，不仅能很好的避免金属固定材料所产生的应力，还能减少后续处理的流程。

(3)用于医用缝合方面。医用缝合线结合具体用途分为可吸收和不可吸收两种，主要用于患者术后的伤口缝合方面，聚乳酸具有良好的生物可降解性，将其作为医用缝合线，随着患者伤口的愈合聚乳酸也随之缓慢降解，省去了拆线的麻烦，对人体也没有任何伤害，所以广泛应用于可吸收的缝合线材料制备方面。聚乳酸医用缝合线已经出现了近50年，已经是较为成熟的缝合线材料，但聚乳酸缝合线的劣势在于拉伸比率、机械强度还不够高，所以具体的研究也倾向于这两方面，意在满足复合型手术缝合的需求。

3.2 工业、农业领域的具体应用

聚乳酸最大的应用价值在于不会对环境造成污染。目前，在我国农业、工业迅速发展的背景下，工农业的垃圾产量随之提升，如包装袋、塑料膜、一次性餐具、汽车配件等材料，对环境带来的负荷也越来越大。因此聚乳酸材料的应用至关重要，通过聚乳酸的合成制备，就可以制造出可降解的包装带和可循环利用的电子产品外壳等，这就一定程度改善了工农业发展与环境之间的矛盾。

3.3 纺织领域的具体应用

利用纺粘法可以将聚乳酸制备成非织型布或纺制成纤维，不但保障了纺布的结构强度，还提高了纺布的透气性，减少了摩擦引起的静电，通过结合其他织品即可制作成衣物，具有良好的舒适性、透气性和实用性。

4 结语

综上所述，在人们物质生活条件不断提升的大背景下，环境污染问题愈来愈受关注，环境治理提上了日程，这就要求人们的环保意识不断增强，合理应用可降解的材料，这也是各领域发展的重要方向。在此形势下，聚乳酸生物可降解的特性而出现在人们的视野中来，成为当下研究的热点。尽管目前聚乳酸在多个领域得到了广泛的应用，发挥了极为显著的效果，但也存在成本昂贵的劣势，要想实现聚乳酸的进一步推广与应用，还应致力于聚乳酸合成制备技术的创新，降低合成工艺的复杂性，在发挥聚乳酸价值的基础上降低合成成本，促进相关产业的发展。