生物可降解聚乳酸的改性及其應(yīng)用研究進展

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概述

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聚乳酸的改性3

聚乳酸的應(yīng)用21

概述

聚乳酸(PLA)

是一種具有優(yōu)良的生物相容性和可生物降解性的合成高分子材料。PLA這種線型熱塑性生物可降解脂肪族聚酯是以玉米、小麥、木薯等一些植物中提取的淀粉為最初原料,經(jīng)過酶分解得到葡萄糖,再經(jīng)過乳酸菌發(fā)酵后變成乳酸,然后經(jīng)過化學(xué)合成得到高純度聚乳酸。聚乳酸制品廢棄后在土壤或水中,30天內(nèi)會在微生物、水、酸和堿的作用下徹底分解成CO2

和H2O,隨后在太陽光合作用下,又成為淀粉的起始原料,不會對環(huán)境產(chǎn)生污染,因而是一種完全自然循環(huán)型的可生物降解材料

。31.2

聚乳酸的基本性質(zhì)

由于乳酸具有旋光性,因此對應(yīng)的聚乳酸有三種DLA、PLLA、PDLLA(消旋)

。常用易得的是PDLLA和PLLA

,分別由乳酸或丙交酯的消旋體、左旋體制得。聚乳酸(PLA)

是一種真正的生物塑料,其無毒、無刺激性,具有良好的生物相容性,可生物分解吸收,強度高,不污染環(huán)境,可塑性好,易于加工成型。由于聚乳酸優(yōu)良的生物相容性,其降解產(chǎn)物能參與人體代謝,已被美國食品醫(yī)藥局(FDA)

批準,可用作醫(yī)用手術(shù)縫合線、注射用膠囊、微球及埋植劑等。

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同時聚乳酸存在的缺點是:

(1)

聚乳酸中有大量的酯鍵,親水性差,降低了它與其它物質(zhì)的生物相容性;(2)

聚合所得產(chǎn)物的相對分子量分布過寬,聚乳酸本身為線型聚合物,這都使聚乳酸材料的強度往往不能滿足要求,脆性高,熱變形溫度低(0146MPa

負荷下為54

℃)

,抗沖擊性差;

(3)

降解周期難以控制;

(4)

價格太貴,乳酸價格以及聚合工藝決定了PLA

的成本較高。這都促使人們對聚乳酸的改性展開深入的研究。62

聚乳酸的改性

2.1

增塑改性

目前,廣泛研究用生物相容性增塑劑例如檸檬酸酯醚、葡萄糖單醚、部分脂肪酸醚、低聚物聚乙二醇(PEG)

、低聚物聚乳酸(OLA)

、丙三醇來提高聚乳酸的柔韌性和抗沖擊性能。對增塑后的聚乳酸進行熱分析和機械性能表征研究其玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(

Tg

)

、彈性摸量、斷裂伸長率等的變化,從而來確定增塑劑的效能。大量研究結(jié)果顯示:其中較有效的增塑劑是OLA

和低分子量的PEG(PEG400)

,加入20

%(wt)

的

7PEG400

和OLA

可使得聚乳酸的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度由原來的58

℃分別降低至12

℃和18

℃。

2.2

共聚改性

共聚改性是目前研究最多的用來提高聚乳酸柔性和彈性的方法,其主旨是在聚乳酸的主鏈中引入另一種分子鏈,使得PLLA

大分子鏈的規(guī)整度和結(jié)晶度降低。目前聚乳酸的共聚改性主要可以分為以下幾個方面:

82.2.2

聚乳酸與聚乙二醇(PEG)

的嵌段共聚物聚乙二醇(PEG)

是最簡單的低聚醚大分子,具有優(yōu)良的生物相容性和血液相容性、親水性和柔軟性。朱康杰等以辛酸亞錫作為催化劑的條件下,通過開環(huán)聚合合成了PLA2PEG2PLA

的三嵌段共聚物。這類嵌段共聚物具有親水的PEG鏈段和疏水的PLA

鏈段,通過改變共聚物組成,可大幅度調(diào)節(jié)材料的親疏水性能和降解融蝕速率。102.2.3

丙交酯與己內(nèi)酯(CL)

共聚合聚(ε2己內(nèi)酯)

(PCL)是一種具有良好的生物相容性和降解性的生物醫(yī)用高分子,其降解速度比聚乳酸慢,因此制備LAPCL

嵌段共聚物來達到控制降解速度,LAPCL

嵌段共聚物近年來由于優(yōu)異的生物降解和生物相容性受到廣泛的關(guān)注,主要用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。Jeon

等制備了聚L2丙交酯和聚(ε2己內(nèi)酯)

多嵌段共聚物,進一步改善了其加工和降解等性能。

122.2.6

其它He

等將含雙鍵的天然代謝物質(zhì)蘋果酸(羥基丁酸,馬來酸)

引入聚乳酸大分子的主鏈或側(cè)鏈中,得到既具降解性、力學(xué)性能,又具反應(yīng)性的功能材料,可作靶向控釋載體以及組織和細胞工程的支架材料

。重慶大學(xué)羅彥鳳等合成了基于馬來酸酐改性聚乳酸(MPLA)

的丁二胺新型改性聚乳酸(BMPLA)

,改善了聚乳酸的親水性,完全克服了聚乳酸和馬來酸酐改性聚乳酸降解過程中的酸性,并為進一步引入多肽和膠原等生物活性分子提供活性基團。丁二胺改性聚乳酸可望具有優(yōu)良的細胞親和性,

在組織工程中具有重要的應(yīng)用潛力。

14

2.3

共混改性

最普通和重要的可生物降解聚合物都是脂肪族的聚脂如聚乳酸(PLA)

、聚(ε2己內(nèi)酯)

(PCL)

、聚氧化乙烯(PEO)

、聚羥基脂肪酸丁酯(PHB)

、聚乙醇酸(PGA)

。然而,任何一種都有些短處從而限制了其應(yīng)用。共混改性是另一類可以改善材料的機械性能和加工性能,并且降低PLA

成本的有效途徑。共混物樣品的制備方法目前廣泛采用以下幾種方式:熔融共混法、溶液澆鑄成膜法

、溶解P沉降法、用水作發(fā)泡劑,單螺桿或雙螺桿擠出機制備發(fā)泡材料

。15聚乳酸與另一類生物可降解高分子如由微生物合成的聚羥基脂肪酸酯(PHA)

、化學(xué)合成的聚(ε2己內(nèi)酯)

(PCL)

、聚氧化乙烯(PEO)

、聚N2乙烯基吡咯烷酮(PVP)

、可溶性磷酸鈣玻璃微粒

、葡聚糖以及天然高分子淀粉

組成完全可生物降解共混體系,致力于從根本上解決塑料消費后造成的環(huán)境污染問題。另一類,聚乳酸與非生物降解高分子如聚氨酯、聚苯乙烯[、聚異戊二醇接枝聚乙酸乙烯酯共聚物橡膠、對乙烯基苯酚(PVPh)

、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)

、聚丙烯酸甲酯(PMA)

、線性低密度聚乙烯(LLDPE)

組成部分生物降解共混體系,這類體系不能從根本上解決環(huán)境污染問題。16

2.4

復(fù)合改性

將聚乳酸與其它材料復(fù)合旨在解決聚乳酸的脆性問題,達到增強的目的,使其能滿足于作為骨折內(nèi)固定材料的用途。目前可以分為以下幾種復(fù)合體系:

2.4.1

聚乳酸與纖維復(fù)合將聚乳酸基體與聚乳酸纖維通過纖維集束模壓成型得到聚乳酸自增強材料;用碳纖維增強PLLA

復(fù)合材料,其初始彎曲強度高達412MPa

,模量達124GPa

,具有相當?shù)某休d能力

。172.4.2

聚乳酸與羥基磷灰石復(fù)合羥基磷灰石

(HAP)

是人體骨骼的基本成分,與膠原蛋白和細胞緊密結(jié)合,連接軟硬組織,并引導(dǎo)骨的生長,但制成的多孔狀羥基磷灰石的力學(xué)性質(zhì)不適合用于骨移植,將羥基磷灰石加入聚乳酸的三氯甲烷溶液,在真空條件下?lián)]發(fā)溶劑制備出的復(fù)合物相對密度增加,壓縮強度為9312MPa

,壓縮模量為2143GPa

。

18(如應(yīng)用縫合線、外科用品)

。由聚乳酸和DL2乳酸與乙醇酸的共聚物制成的骨頭螺絲釘、骨頭固定板和生物器官釘已被應(yīng)用,并可能在不遠的將來替代金屬移植物。這些生物可再吸收產(chǎn)物比金屬移植物具幾點優(yōu)勢:

(1)

無應(yīng)力屏蔽作用;

(2)

無須在手術(shù)后移除;

(3)

無金屬腐蝕產(chǎn)物

。

203.1.1

藥物控制釋放體系可生物降解聚合物微球是繼脂質(zhì)體、乳劑、天然高分子微囊后的另一種新型藥物載體

。通過調(diào)節(jié)乳酸和其它單體的共聚,形成性能不同的PLA

類共聚物如乳酸2羥基乙酸共聚物(PLGA)

、乳酸2乙二醇共聚物(PELA)

等。聚乳酸(PLA)

及其共聚物作為生物可降解高分子材料由于其優(yōu)良的生物可降解性、生物相容性被用作一些體內(nèi)穩(wěn)定性差、易變性、易被消化酶降解、不易吸收以及毒副作用大的藥物控釋制劑的可溶蝕材料,有效地拓寬了給藥途徑,減少給藥次數(shù)和給藥量,提高藥物的21把藥物包埋于高分子聚合物基質(zhì)中形成微球或微粒有多種技術(shù):凝聚法、乳液聚合法及界面聚合法、界面沉積法、乳液—溶劑蒸發(fā)法等。其中乳液—溶劑蒸發(fā)法是應(yīng)用最為普遍的一種,對于含油性藥物微球大都采用OPW乳化溶劑揮發(fā)P抽提法。制備親水性的多肽、蛋白質(zhì)、疫苗微球通常采用相分離法

和W1POPW2

復(fù)乳法溶劑揮發(fā)法。界面沉積法也可稱為自發(fā)乳化P溶劑擴散法,是制備均勻的納米級微球的一種方法。

233.1.2

骨科固定和組織修復(fù)材料組織工程是通過將體外培養(yǎng)的高濃度組織細胞種植在生物支架內(nèi),形成一個生物活性的種植體,當植入病變部位,生物材料被降解吸收時,新的組織或器官就形成,達到修復(fù)或重建缺損的組織或器官。其核心就是構(gòu)建種植細胞和生物材料的三維復(fù)合材料

。其中骨折內(nèi)固定材料要求植入聚合物在創(chuàng)傷愈合過程中緩慢降解,如骨夾板、骨螺釘;組織修復(fù)材料要求聚合物在相當時間內(nèi)緩慢降解,在初期或一定時間內(nèi)在材料上培養(yǎng)組織細胞,使其生長成組織、器官,如軟骨、肝、血管、神經(jīng)和皮膚。聚乳酸用作骨科固定材料其初始強度和承載能力已經(jīng)可以與金屬螺釘媲美。

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目前,PLA

材料作為骨科內(nèi)固定材料的不足之處有以下幾方面:

(1)

不具有骨傳導(dǎo)性,修復(fù)骨缺損的速度很慢,對于較大的骨質(zhì)缺損,難以達到完全骨修復(fù);

(2)

材料機械強度還不足以能作為承力部位的骨折內(nèi)固定材料;

(3)

其早期生物降解速度較快,以至于無法保證滿足在新的骨組織生長出來之前力學(xué)性能要求,中期的降解速度又太慢,使得在新的骨組織生長出來之后仍有殘余物留在體內(nèi)導(dǎo)致并發(fā)癥;

(4)

日學(xué)者1995

年曾報道PLA

具有致癌作用,且其實驗發(fā)生率高達44

%

,但也有學(xué)者質(zhì)疑其實驗設(shè)計,故此問題有待于長期觀察。

26組織工程這一方法目前已在皮膚細胞、胚胎干細胞、軟骨、血管修復(fù)、神經(jīng)修復(fù)、視網(wǎng)膜色素上皮(RPE)細胞和骨等方面作過嘗試。用PLLA

制成底層多孔、頂層致密的雙層膜作皮膚替代品基材,

底層供粘附皮膚及傷口,

頂層作細胞培養(yǎng),

可用于三級燒傷及大規(guī)模皮膚缺損的治療,

在移植部位及整個動物無過敏反應(yīng)。由于胚胎干細胞的多功能性和增殖能力使得它們有望成為用于組織工程和再生的細胞源,Kimberley

等研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)PLGA

微球作為生物活性因素的傳輸體系和多功能性細胞的支架。值得注意的是,其研究也證明PLGA微球有望用于多功能性細胞的移植基體,用于組織工程和再生

。武漢理工大學(xué)閻玉華等研制了復(fù)合型聚乳酸緩釋人工神經(jīng)導(dǎo)管材料,是生物可吸收的聚乳酸與納米羥基磷灰石粉和誘導(dǎo)神經(jīng)生長的神經(jīng)生長因子(NGF)的復(fù)合材料,用于修復(fù)人體神經(jīng)缺損,其修復(fù)效果,與自體神經(jīng)移植相近

。

273.1.3

外科縫合線長期以來,

外科用可吸收手術(shù)縫合線主要是羊腸線和近期發(fā)展起來的PGA

手術(shù)縫合線,

盡管這兩種縫合線廣泛應(yīng)用于外科手術(shù),

但在縫合和打結(jié)時都比較困難,

羊腸線易產(chǎn)生抗體反應(yīng),

在被人體吸收過程中強度下降過快;

PGA

線對細菌抵抗能力差,

在空氣中易分解。而聚乳酸及其共聚物縫合線柔軟性好、易染色,

縫合和打結(jié)比較方便。另外,

該類聚合物還具有生物相容性好、改變共聚物組成可控制吸收周期的特點,用乙交酯和丙交酯合成的手術(shù)縫線已成功地應(yīng)用于臨床治療。28

3.1.4

眼科植入材料視網(wǎng)膜脫離是嚴重致盲性的眼病,通常是通過手術(shù),在眼鞏膜表面植入填充物,并結(jié)合激光、冷凍等醫(yī)學(xué)手段使裂孔愈合。目前,這種填充物通常采用硅橡膠或硅膠海綿制成,由于這兩種物質(zhì)是生物不可降解材料,常引起不同程度的異物反應(yīng),而聚乳酸即可解決這個問題。武漢大學(xué)卓仁禧等采用溶劑揮發(fā)法將聚乳酸制成厚度為1mm

左右的膜片,將膜片植入家兔眼部的鞏膜表面,通過B

超測試膜片所頂起的鞏膜嵴高度來觀察其體內(nèi)降解性能。結(jié)果表明聚乳酸膜片在組織中既有一定的降解性,又符合視網(wǎng)膜脫離修復(fù)手術(shù)對鞏膜嵴維持時間的要求,是一種理想的填充材料

。

303.2

PLA

在紡織領(lǐng)域的應(yīng)用

PLA

在紡織領(lǐng)域的研究應(yīng)用開發(fā)是最近10

年左右開始的。聚乳酸可用紡粘法或熔噴法直接制成非織造布,也可先紡制成短纖維,再經(jīng)干法或濕法成網(wǎng)制得非織造布。聚乳酸非織造布用于農(nóng)業(yè)、園藝方面,可用作種子培植、育秧、防霜及除草用布等;在醫(yī)療衛(wèi)生方面,可用作手術(shù)衣、手術(shù)覆蓋布、口罩等,也可用作尿布、婦女衛(wèi)生巾的面料及其他生理衛(wèi)生用品;在生活用品方面,可用作衣料、擦揩布、廚房用濾水、濾渣袋或其他包裝材料。1993

年美國田納西大學(xué)開始研究基于PLA

的紡粘和熔噴無紡布;311994

年日Kanebo

公司開發(fā)了“Lactron”纖維和熔噴無紡布;1997

年法國的Fiberweb

公司采用PLA

為原料制備了100

%PLA

無紡布

。發(fā)明專利“聚乳酸樹脂和由其構(gòu)成的纖維制品及纖維制品的制造方法”(申請?zhí)?080911012)

記載了以聚乳酸為原料的纖維制品,其長纖維無紡布制品的平均纖維細度為1～15dtex(14μm～42μm

)

。由于其纖維細度較粗,限制了其作為過濾材料的應(yīng)用。2004

年東華大學(xué)研制了超細聚乳酸纖維非織造布,平均纖維細度為217μm

～9107μm。可作為過濾材料

。32

3.3