全降解材料聚乙交酯或聚乙醇酸（PGA）的发展

（中国纺织科学研究院有限公司 生物源纤维制造技术国家重点实验室 北京 100025）

PGA是一种可完全生物降解材料[1，2]，可在1～3个月内完全降解，无毒无害，绿色环保。其在美国、欧盟和日本已获得可安全生物降解的塑料材料认证。PGA目前主要应用于医用可吸收手术缝线，药物控制释放，骨固定等高端医用领域。

1 PGA概况

PGA是聚羟基脂肪酸酯中最简单的线性聚酯，其化学结构如图1：

图1

PGA是结晶型的聚合物，熔点220℃～226℃。同别的聚合物一样，PGA的物理性能强烈依赖于其分子量大小及分子量分布等，具有良好的可加工性能，能用通用的设备吹塑、挤出、纺丝、注射。

1962年美国Cyananid公司合成了第一种可吸收缝合线PGA，并将其商品化，商品名为Dexon；目前PGA在医用可吸收缝合线中占有重要地位。在国内尚没有大量工业化产品，市场产品主要自国外进口，价格昂贵。

2 PGA合成方法

2.1 PGA的合成方法

PGA的合成主要有两种途径，羟基乙酸的直接缩聚法和乙交酯的开环聚合法。

2.1.1 羟基乙酸的直接缩聚法

羟基乙酸的直接缩聚法（见图2）是将羟基乙酸中的羧基和羟基在高温高真空下或在脱水剂的作用下直接脱水，生成聚乙醇酸，此法主要问题是体系中存在游离酸、水、聚合物和乙交酯的平衡，反应副产物在高粘的熔体中难于去除，不易得到高分子量的聚合物，且通常带有颜色。这种方法原料充足，价格便宜，但一般只能得到分子量在几十至几千的聚合物，不能满足医用材料的要求。

图2

2.1.2 乙交酯的开环聚合法

乙交酯开环聚合法（见图3）分为两步：1）将乙醇酸脱水合成低分子量聚乙醇酸，然后在高温高真空下裂解成六元环乙交酯[3，4]；2）乙交酯在引发剂作用下开环聚合，得到高分子量聚合物。这种聚合方法是目前获得高分子量聚乙交酯最主要的有效制备途径，其聚合速度快，反应控制难，成本较高，但得到的聚合物分子量较高，且纯度较高，能满足大部分医用材料的要求。

聚合的引发剂种类主要有：质子酸型、卤化物型、阴离子型、有机铝化合物、锡盐类、稀土化合物等，引发剂不同，引发的机理也不同，一般可分为阴离子聚合、阳离子聚合、配位插入等。其中辛酸亚锡是目前公认的效果较好的引发剂，活性高、用量少，可制得高分子量聚合物。辛酸亚锡引发乙交酯开环聚合的机理存在不同的争论，有人认为是阳离子聚合，但大多数人认为是配位插入聚合的机理，也有人认为辛酸亚锡只是催化剂，真正的引发剂是体系中含有的极少量杂质（如水或含羟基化合物等）。

乙交酯开环聚合实施的方法：本体开环聚合、溶液聚合等，溶液聚合法虽能较好地解决反应体系放热和传热问题，但由于溶剂的使用，增加了后处理的成本，增加了医用材料的不安全性，同时也可能造成对环境的污染，仅具有一定的研究价值，没有实际应用价值；本体开环聚合，单体浓度高，聚合反应速率高，反应控制较难，但得到的聚合物分子量较高，且纯度较高，能满足大部分医用材料的要求。

图3

乙交酯的本体开环聚合过程可以在熔融状态下完成[5-7]，其制备方法通常为封管聚合、聚合反应釜聚合、双螺杆挤出机制备三种。封管聚合得到的聚合物分子量较高，可以达几十万，甚至一百万以上，聚合物的颜色也较浅，这是因为聚合温度较低，聚合物的热降解较少以及副反应较少的缘故。这种方法的缺点是制得的聚合物就是反应容器的形状，小批量生产时，反应产物可以采用冷冻、粉碎的方法处理，大批量生产时，产物的后处理就相当困难了。聚合反应釜聚合，这种聚合的方法产量较高，容易挤出切粒。缺点是这种方法得到的聚合物颜色比较深，批次之间差别较大，聚合反应难于控制，难以实现分子量的按需合成。双螺杆挤出聚合方法制备PGA的方法[8]，制备PGA过程相对简单，容易大规模进行生产，切粒容易，缺点是制备PGA的分子量比较低。

3 PGA改性

PGA结晶度高、熔点高、加工成型困难等特点限制了其在更广范围内的应用。为了改善这方面的缺点，以使其满足不同的医用要求，通常采用共聚的方法对其分子链结构进行设计调整，来实现改性的目标。

共聚改性可通过以下方法进行：1）将乙交酯和其他单体如丙交酯、己内酯、二氧环己酮、氨基乙酸等共聚，通过改变共聚单体的种类和配比等，改变PGA的亲水性，结晶性等，适应不同的需要；2）将乙交酯与亲水性高分子链段，如聚氧化乙烯等进行共聚合形成共聚物，这样就可以把不同材料的特点结合起来，赋予PGA特殊的性能。目前乙交酯共聚物大致有以下几种：聚乙丙交酯（PGLA）共聚物、乙交酯-丙交酯-己内酯共聚物、乙交酯-聚乙二醇嵌段共聚物、聚（羟基乙酸-co-氨基乙酸）等。

4 PGA的生物可降解性

在现有的体内可吸收聚合物中，PGA的降解速度比PLA、PDS、聚已内酯等都快，一般条件下，PGA在组织体内，大约60天完全降解，而且降解后的产物可被人体组织完全吸收代谢，排出体外。

PGA之所以能够完全生物降解，主要原因是聚合物分子链中含有酯键，在体内可分解成端羧基和端羟基化合物。同时端羧基化合物对PGA的降解起催化作用，随着降解的进行，端羧基量增加，降解速度也加快，形成PGA降解的自催化现象。研究表明，对于PGA，其降解过程分两步：第一步水迅速渗进无定形区引发水解，在这一步大部分机械性能会损失；第二步是结晶区水解。

PGA的降解速度不仅与其结晶度、分子量分布、分子量大小等有关，而且外界环境及PGA的外观形态也对其具有很重要的影响，这使得对PGA降解速度的准确评价受到影响。

5 PGA的应用

PGA及其改性后的共聚物由于材料自身生物安全性及完全易被人体组织吸收等特性，使其在医疗领域，人体组织修复和包装领域等有着越来越广泛的应用。

5.1 可吸收缝合线

PGA是一种可完全生物降解及吸收性极好的绿色环保材料，市场上的应用多作为手术缝合线，具有生物相容性，可制成手术缝合线，强度大于肠衣线，术后缝合线可完全被人体组织吸收，避免了人工拆线，或二次手术给病人带来的痛苦。而且其可完全降解，降解速度快，不需特殊酶参与。目前PGA在医院的手术缝合线方面应用越来越广。但由于其价格高昂，市场供应量受到一定限制。

5.2 组织修复

在组织工程学修复方面，通常的做法是建造一个多孔聚合物支架，使细胞在支架内部附上并生长，在体外经过一段时间的培养，得到“聚合物-细胞”种植于体内组织缺陷处，诱发新生组织生长。这种支架可以在体内被吸收，能比较好地避免人体组织对外来材料排异现象的发生。PGA是可完全降解材料且可以被人体较好地吸收，具有较高初始弯曲强度和初始弯曲模量，使其在组织修复有了更广泛的应用，如广泛应用在人骨及人软骨、人工耳、血管肌肉、人工肝等组织修复方面。

5.3 包装材料

在包装材料方面，现有包装材料多为PE、PP 和PET 等材料，这些材料很难降解，会长时间留在大自然界中，引起严重的白色污染，随着科技水平的进步和人们生活水平和环保意识的不断加强，包装领域使用完全可生物降解材料是大势所趋，在这一领域可有10%～20%高性能包装材料使用全降解材料PGA替代，将有21万吨市场需求，PGA由于其良好力学性能和完全可生物降解特性在这一领域已有一定的初步应用，相信随着其产量的逐步加大，和生产成本的降低，PGA将在包装领域具有广泛的应用。

6 建议

PGA材料是目前生物降解高分子材料开发研究热点之一，也是体内可吸收高分子材料最早商品化的一个品种，目前得到了广泛的应用。随着人民生活水平的提高，对身体健康和环境的日益重视，PGA的需求量会逐年递增，应用范围更广阔。特别是可吸收缝合线领域，PGA在市场上占主导地位，但目前PGA主要依赖进口，价格比较高。国内许多研究机构如中国纺织科学研究院有限公司、华南理工大学等都相继开展了研究开发工作，取得了一系列进展。目前，中国纺织科学研究院有限公司已经能够实现PGA的规模化纺丝，编织生产等。在此基础上国内科研单位可以整合上游的PGA单体的精制，高分子量PGA规模化连续聚合，尽早突破PGA原料依赖进口的限制，实现PGA从单体精制，PGA规模化连续聚合，PGA纺丝，编织成手术缝合线一体化的国产PGA生产线。