生物可降解材料聚乳酸的制備及應用

李淑慧，楊樹榮，徐棟(蘭州助劑廠有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

聚乳酸是由微生物發酵所產生乳酸單體聚合而成的高分子聚合物，它的特點是無毒、無刺激氣味、可降解、生物相容性良好，所以廣泛應用到了醫學、食品包裝和汽車電子等領域。聚乳酸在自然界中通過土壤、水或微生物的作用下都能實現無污染的分解，可降解的特性既推動了各個領域的發展，也滿足了我國構建綠色環保型社會的要求。因此，對于聚乳酸的研究規模隨之擴大，通過對聚乳酸合成、改性以及應用，促進聚乳酸的價值發揮，進而為社會進步奠定堅實基礎。

1 聚乳酸具備的生物性質

1.1 生物可降解性

乳酸主要由植物發酵而來，主要成分包括玉米、小麥等可再生資源，所以聚乳酸有著良好的可降解性質。廢棄的聚乳酸產物在土壤中微生物或水的作用下會完全分解成水和二氧化碳，對空氣和土壤都沒有任何污染，同時還有利于促進植物的光合作用。

1.2 生物相容性

據相關研究顯示，聚乳酸可以在人體中實現完全無害的分解，分解后的主要產物即是二氧化碳和水，并且在人體新陳代謝的過程中即可完成分解，所以其生物相容性良好。在不斷實踐應用的過程中，證實了聚乳酸和人體的相容性，如將其作為植入人體的生物材料，后續沒有任何的不良反應發生，逐漸取代了金屬材料的地位。

1.3 優越的物理性質

聚乳酸優越的物理性質主要體現在柔韌性良好、透明度充足、機械強度足夠和良好的熱穩定性，這些物理性質無疑滿足了各行各業的具體要求，相較于不可降解材料和其他可講解材料的優勢都較為明顯。

1.4 可加工性

聚乳酸本身的可加工性良好，實際加工起來只需要充分結合其熱塑性即可，能夠以各種不同的方式進行熱塑成型，滿足了各種形態的要求，賦予了其良好的加工性能。

2 聚乳酸的合成制備方式

2.1 間接聚合制備

間接聚合法指的是開環聚合。首先，將乳酸作為原材料，并通過縮聚和解聚的方式得到環形丙交酯。其次，將丙交酯進行開環聚合從而得到聚乳酸。開環聚合的方式主要通過對反應時間、反應溫度和選擇不同催化劑種類來實現對聚乳酸分子量合成的過程，這一方法的優勢在于反應原理簡單、反應過程可控，缺點是聚乳酸的后續提純過程較為復雜且需要的成本偏高。結合使用催化劑的不同和相對應的反應原理，間接聚合法可以劃分為離子開環聚合、配位開環聚合和有機開環聚合等方式。

(1)離子開環聚合法。離子開環聚合法因催化劑酸堿性質的不同分為陽離子聚合和陰離子聚合。其中陽離子聚合指的就是在酸性物質催化下借助陽離子與乳酸單體中氧原子的反應實現鏈的加長，陰離子聚合中主要依靠堿性物質來催化陰離子與乳酸單體中的羰基發生反應實現鏈的加長[1]。陽離子聚合開環的方式受溫度影響較大，所以實際應用較少，陰離子聚合中由于陰離子堿性較強，就會限制聚乳酸分子量的增加，同樣存在一定限制。

(2)配位開環聚合法。配位開環聚合法就是利用催化劑中的活性元素與乳酸中的氧原子進行配位，從而實現鏈的增產。配位開環聚合法的優勢在于可控性較強、伴隨反應少且聚乳酸分子量高。常用的催化劑由錫類配合物催化劑、稀土類配合物催化劑和有機鋁配合物催化劑等，催化劑都需要具備良好的催化效果且伴隨反應少的特點。

(3)有機開環聚合法。為了確保聚乳酸無害應用，催化劑的選擇應盡可能選擇無害的有機催化劑。如胺類、硫脲類等有機催化劑，這類催化劑中不含金屬元素，發生聚合反應的過程中不會存在金屬存留，能夠確保聚乳酸的應用安全，但目前還處在研究的初期，還需進一步完善后才能投入實際的使用中來。

2.2 直接脫水聚合制備

直接脫水聚合制備的方式是通過對乳酸的脫水處理得到聚乳酸。這一方法相對來說聚乳酸的分子量較少，并且分子之間的范圍更大，需要進一步的除外聚合后才能得到分子量較高的聚乳酸，這一過程需對水、溫度等條件進行有效把控，具體劃分為溶液縮聚法和熔融縮聚法[2]。

(1)溶液縮聚法。溶液縮聚法的原理是通過溶劑共沸的過程完成除水回流進而提高聚乳酸分子量。這一過程中除水效果越好，聚乳酸的分子量也就越高，所以這一方法應用過程中需合理選擇溶劑，溶劑與水應完全不發生反應且能夠溶解聚合物后與水共沸。目前通過連續共沸除水的方式已經獲得的聚乳酸分子量可達30萬個，但我國的共沸除水能力還需進一步提升，目前只能制備出20萬分子量的聚乳酸，雖然分子量制備方面有著一定差距，但實際應用價值卻已不能忽略。溶液縮聚法在反應過程中溫度始終保持在共沸點，所以顯著優勢在于能夠避免因溫度變化而導致的聚合物分解，聚合效果較好。缺點在于溶劑回收使用困難較大，并且設備的操作較為復雜，所以聚合成本偏高。此外，針對不對溶劑的不同沸點、不同氣味等情況，需要進行針對性處理，進一步提高了聚合物純化的難度。

(2)熔融縮聚法。熔融縮聚法顧名思義就是以加熱為主要方式來完成聚合的過程。這一縮聚方法在實際應用的過程中將整個體系始終處在熔融的狀態下，將反應過程中氣化的水通過真空抽出或惰性氣體攜帶的方式排除。僅通過熔融縮聚法獲得的聚乳酸分子量同樣偏低，還需要對聚合物進行進一步的縮聚，通過調整反應時間、反應溫度和調整催化劑種類來進行聚合物的進一步提純，所以再縮聚過程中如何控制反應的相關條件和選擇何種催化劑是當前熔融縮聚法的研究重點，目前主要以反應基礎聚合、熔融-固相聚合、擴鏈方法為主。

(3)反應擠出聚合。這一方式通過反應器和雙螺桿擠出機相組合的方式進行熔融縮聚，目的是進一步提升聚乳酸的分子量。優勢在于反應快、成本低，所以具備應用推廣的價值。在相關實驗中，將分子量4.4萬的聚乳酸縮聚物投入到具有回流裝置的雙螺桿擠出機中，在這一過程中對真空抽出的乳酸進行補充，分子量就得到了有效的縮聚，最后的聚乳酸分子量可高達15萬。

(4)熔融-固相聚合。這一方法的原理就是使預聚物處于低于熔融溫度的環境之下，又要確保溫度能夠使預聚物呈晶體形態，從而完成進一步聚合。通過將未定型區中低分子和大分子的端基反應形成高分子聚合物，這就顯著提高了聚乳酸的結晶度和分子量，但缺陷在于這一方法反應時間偏差。

(5)擴鏈反應。擴鏈反應的原理是通過加入擴鏈劑來完成聚合物的擴鏈反應，從而提純預聚物，提高聚乳酸分子量[3]。擴鏈劑通常是有著雙官能團的有機物，和預聚物的官能能有著良好的反應能力，也就提純了聚乳酸的分子量，這一方法對分子量的提升較為顯著。

綜上，熔融縮聚法的優勢在于操作步驟少、操作成本低、聚乳酸純度高，缺點是聚乳酸的分子量較低，合成的時間偏長，所以就需要加強進一步縮聚的研究，改善熔融縮聚法的缺陷。

2.3 共聚改性法制備

聚乳酸的特性是生物相容性良好且容易完成生物降解，所以是有著良好改性應用價值的綠色環保材料，因此廣泛應用與生物醫學領域。在進行聚乳酸的應用過程中，由于材料本身的相容性，就會導致本體強度、疏水性等造成影響，這就限制了其實際的應用價值，因此為了滿足在生物領域的發展，所以聚乳酸的改性研究越來越深入，通過在聚乳酸中加入其他單體實現共聚改性，從而形成聚乳酸的合成材料，加強聚乳酸的應用范疇。

聚乳酸的共聚改性主要為物理法和化學法。物理法就是將聚乳酸和其他一種或多種聚合物混合在一起，從而使得聚合物的性能發生變化，進而改善聚乳酸的自身性質，滿足實際應用要求?；瘜W法就是將聚乳酸與其他單體發生共聚反應，通過調整單體物質的占比來優化聚合物的結構和性能。聚乳酸的共聚改性有著良好的發展前景，也是聚乳酸廣泛應用的重要基礎[4]。

3 聚乳酸的具體領域應用

3.1 生物醫學領域的具體應用

聚乳酸良好的生物相容性和生物可降解性，決定其在醫學方面的應用，目前已經成為生物醫藥制造領域中不可或缺的關鍵高分子材料，對提高藥效、組織恢復、醫學縫合方面都有著較大的促進，主要體現在以下幾個方面。

(1)藥物可控釋放。聚乳酸由于其良好的生物降解性，所以可以將其作為藥物的載體，一方面能夠消除對人體的損害，另一方面則是可以實現藥物的可控釋放。將藥物置于聚乳酸合成物的載體之中，在體內進行藥物的緩慢釋放，并且隨著藥物在體內存在時間的延長，聚乳酸的結構會被逐漸分解，藥物釋放的速度隨之加快，不僅避免了藥物含量的浪費，也可以實現對藥物長期的定量釋放，確保藥物的濃度始終處在穩定的狀態下，既提升了藥物藥效，也避免了藥物一次性釋放所帶來的毒性，降低了藥物的副作用。除此之外，聚乳酸合成物載體在體內實現了良好的生物降解，載體的危害可以忽略不計。因此，將聚乳酸作為藥物承載體的方式越來越常態化、商品化，如抗生素笨、藥物曲普瑞林等，取得了良好的藥物釋放效果。

(2)人體的組織工程。在技術不斷更迭的背景下，人體的組織工程也在不斷發展，對人體健康產生了較大的影響。組織工程的要求無疑是嚴格的，通過進行組織工程替代人體的組織或完善組織功能，為了實現這一目的，必須確保組織工程材料與人體有著良好的相容性，能夠滿足細胞生長、組織使用、安全降解等要求，而聚乳酸材料的性質很好的滿足了這一要求，所以當前聚乳酸已經成為了組織工程材料的第一選擇，應用價值良好[5]。就骨科的組織工程來說，聚乳酸材料相較于傳統的金屬材料應用效果更好，不僅能很好的避免金屬固定材料所產生的應力，還能減少后續處理的流程。

(3)用于醫用縫合方面。醫用縫合線結合具體用途分為可吸收和不可吸收兩種，主要用于患者術后的傷口縫合方面，聚乳酸具有良好的生物可降解性，將其作為醫用縫合線，隨著患者傷口的愈合聚乳酸也隨之緩慢降解，省去了拆線的麻煩，對人體也沒有任何傷害，所以廣泛應用于可吸收的縫合線材料制備方面。聚乳酸醫用縫合線已經出現了近50年，已經是較為成熟的縫合線材料，但聚乳酸縫合線的劣勢在于拉伸比率、機械強度還不夠高，所以具體的研究也傾向于這兩方面，意在滿足復合型手術縫合的需求。

3.2 工業、農業領域的具體應用

聚乳酸最大的應用價值在于不會對環境造成污染。目前，在我國農業、工業迅速發展的背景下，工農業的垃圾產量隨之提升，如包裝袋、塑料膜、一次性餐具、汽車配件等材料，對環境帶來的負荷也越來越大。因此聚乳酸材料的應用至關重要，通過聚乳酸的合成制備，就可以制造出可降解的包裝帶和可循環利用的電子產品外殼等，這就一定程度改善了工農業發展與環境之間的矛盾。

3.3 紡織領域的具體應用

利用紡粘法可以將聚乳酸制備成非織型布或紡制成纖維，不但保障了紡布的結構強度，還提高了紡布的透氣性，減少了摩擦引起的靜電，通過結合其他織品即可制作成衣物，具有良好的舒適性、透氣性和實用性。

4 結語

綜上所述，在人們物質生活條件不斷提升的大背景下，環境污染問題愈來愈受關注，環境治理提上了日程，這就要求人們的環保意識不斷增強，合理應用可降解的材料，這也是各領域發展的重要方向。在此形勢下，聚乳酸生物可降解的特性而出現在人們的視野中來，成為當下研究的熱點。盡管目前聚乳酸在多個領域得到了廣泛的應用，發揮了極為顯著的效果，但也存在成本昂貴的劣勢，要想實現聚乳酸的進一步推廣與應用，還應致力于聚乳酸合成制備技術的創新，降低合成工藝的復雜性，在發揮聚乳酸價值的基礎上降低合成成本，促進相關產業的發展。