聚乳酸的改性及应用研究进展*

马喜峰

（陕西国防工业职业技术学院，陕西 西安，710300）

前 言

伴随高分子材料研究的日益增多，加之人类对环境问题的日益重视，高分子材料的难降解性所造成的环境污染问题亟需解决。拓展开发全新的生物降解高分子材料是解决这一困境的主要方式。聚乳酸（Polylactic acid，PLA）是一种以乳酸（lacticacid，LA）为原料的新型聚酯材料，无色无毒，其热性能与聚苯乙烯类似，生物相容性良好，能生物分解吸收，最终降解为水和二氧化碳，应用前景广阔。PLA 由甘蔗、玉米和甘薯等农作物制作而成，淀粉原料糖化后转变为葡萄糖，再由一定菌种发酵成乳酸，通过化学合成方法制备成聚乳酸，在环境和水解影响下能分解为H2O 和CO2，在环境保护中受到密切关注。由于PLA 的生物相容性、生物降解性比较好，所以在医疗、食品包装等领域得到广泛应用。但PLA的热稳定性和机械强度比较差，为了拓展PLA 的用途，满足个性化的应用需求，需对其进行功能化的改性。高性能PLA 的改性研究同样受到了学术界的密切关注，同时取得了一定的研究成果。

1 PLA 的合成

PLA 是一种乳酸聚集的合成物，学术界又称之为“聚丙交酯”。聚乳酸是由单个乳酸分子聚合而构成的，是一个乳酸分子的羟基和另一个乳酸分子的羧基缩水后，实现多个乳酸分子之间的聚集。PLA的原料是玉米或马铃薯淀粉，绿色环保，是一种可再生资源，整个生产过程安全无毒，有助于提高生物分子的降解循环。PLA 主要是通过“直接缩合法”生成的，即乳酸分子间羧基和羟基发生直接缩合脱水反应，由于水、杂质和游离乳酸的影响，该反应得出的聚合物子量并不是很高，再加上这种反应对温度的要求比较高，会造成PLA 消旋和带色，所以在工业生产中一般采用丙交酯开环聚合（ROP）生成聚乳酸。按照反应机理的差异，ROP 主要由配位插入聚合、阳离子聚合、阴离子聚合等组成。近些年来，伴随绿色合成技术的不断发展，学术界越来越关注超临界二氧化碳和酶催化中聚合的研究。

1.1 阴离子聚合

阴离子引发剂主要分为碱金属醇氧化剂、碱金属，如醇钠、醇甲和丁基锂等，丙交酯的酰胺键会受到催化剂负离子的影响，出现活性中心内脂负离子，促进丙交酯的链增长。该反应速率较快，但有很大的毒副反应，甚至出现消旋情况，在相对高分子质量聚乳酸的合成中并不适用。G.Mcauley[1]等在实验中对不同的阴离子引发剂实施了对比，分析冠醚在反应中的效果，结果证明丙交酯容易生成活性中心负离子，这能加速丙交酯单体开环聚合反应，生成更多的聚合物，在弱碱性材料中适用。

1.2 阳离子聚合

阳离子引发剂主要分为烷基化试剂（CF3SO3Me）、质子酸（HCL、HBr）、Lewies酸（ALCL3、SnCL4）。Wang.W[2]等从还原质子酸类催化丙交酯ROP 的机理入手，对丙交酯在伯胺、质子酸等条件下的聚合反应实施密切观察，这说明质子酸作为阳离子催化剂，能作用于不同的酸催化丙交酯聚合反应。

1.3 配位聚合

配位聚合在聚乳酸制备中最为常见，又称为“齐格勒-纳塔聚合”。丙交酯单体和有机金属催化剂生成配位络合物，很容易出现相对分子质量高的聚合物，如金属氧化物、芳基金属、烷氧基金属羧酸盐。配位聚合会产生不同程度的毒性，不利于聚合物的生成。

1.4 酶催化聚合

近年来，酶催化聚合在实验中得到广泛应用，这是一种全新的聚合物合成方法。相较于有机合成，酶聚合主要有以下特点：（1）反应环境温和；（2）副作用比较小；（3）催化活性比较高。G.Aad[3]等使用念珠菌脂肪酶（CRL）推动丙交酯开环聚合反应，具体反应如图1。PLA 的形成和CRL 活性息息相关，研究结果表明，CRL 活性在90℃、2%的环境下最高，S 相对分子质量也最高。

图1 由开环聚合念珠菌脂肪酶催化合成聚乳酸Fig. 1 Synthesis of polylactic acid catalyzed by candida albicans lipase

1.5 超临界二氧化碳中聚合

超临界流体是一种新型溶剂，具有绿色环保，安全性高的特点，在聚丙交酯和共聚物生成中有明显优势，其分离简单、工艺参数可控、制备环境温和，在生物医用聚酯的制备中有重要作用。与常规溶剂相比，超临界二氧化碳（ScCO2）有以下特点：（1）有良好的碰撞作用和溶解能力，有助于溶剂溶解性的升高；（2）ScCO2的化学性质稳定，并不会参加反应。由此可见，酶法聚合在聚合材料生成中尤为重要；（3）临界条件良好，CO2的临界压力大约为7.38MPa，聚合反应的压力要比临界压力要高，聚合反应充分；（4）对产物纯化流程进行简化，ScCO2和其他溶剂相比，在聚合反应结束后并不需要对产物进行沉淀、溶解、过滤等。Yilmaz[4]等对三嵌段共聚物的PLLA 的分散聚合开展了实验，结果显示稳定剂并不会影响产物的转化率，添加5%的稳定剂能生成良好的粉末产物，稳定剂含量的提高会影响产物的形貌。Ferrari 等研究了ScCO2中因2-羟基-甲基丙烯酸乙酯引发的L-丙交酯催化开环聚合反应，在一定压力、温度条件下实施聚合反应，能有效得出PLA 基聚合物。

聚乳酸有良好的生物相容性和可降解性，且绿色环保，在各领域得到了广泛应用。在传统的合成方法中，可能存在金属催化剂、有机溶剂等使用问题，在新的合成方法中，通过对其制备工艺进行了改进，旨在改进合成产物的形貌和分子量，从而满足其个性化的发展需求。

2 PLA 的结构和性质

2.1 聚乳酸的化学结构

图2 乳酸结构示意图Fig. 2 Schematic diagram of lactic acid structure

单体乳酸分为L-乳酸、D-乳酸两种，如图2 所示。聚D,L-丙交酯（PDLLA）并没有结晶度，其属于不规则聚合物。聚左旋丙交酯（PLLA）的光学活性良好，热塑性强，玻璃化转变温度为58℃，结晶度良好。左旋丙交酯（L-LA）是一种天然代谢物，无毒，而右旋丙交酯（D-LA）并不会参加到人体的新陈代谢，如果使用过量则会产生中毒的情况。由于PLLA的生物相容性、生物降解性良好，且降解后的物质无毒副作用，PLLA 的性能可以通过分子量等参数的控制进行调变，在医用材料领域得到普遍应用。

2.2 聚乳酸的基本性质

PLA 是一种可再生的热塑性聚酯，生物降解性、生物相容性良好，普遍应用到生物医学方面，具体如下：（1）生态优越性：PLA 主要以由玉米、小麦、大米等为原料生成的，在生物降解方面极具优越性，这使PLA 成为新型的生物聚合物。（2）生物降解良好：聚乳酸由大量酯键组成，其分子链主链刚性较大，侧链带有甲基等特点。所以，PLA 在自然条件下比较稳定，但是在高湿度、高温度的环境下，很容易被分解成CO2和H2O，这主要分为简单水解和催化水解两种形式。降解速度在材料应用中十分重要，PLA 能通过主链酯基进行水解降解。（3）疏水性：PLA 中的酯键直接影响到细胞的亲和力，能通过乳酸和其他亲水聚合物和单体的共聚提高其亲水性能，因此其在医学领域得到了广泛应用。这种材料在与人体接触后，不会产生毒副作用，其降解产物也不会影响到组织愈合。经过几十年的应用和发展，彰显了其良好的生物相容性。

3 PLA 的改性

3.1 亲水改性

聚乳酸在生物医学、食品包装领域中得到了广泛应用，因此要对其疏水性进行适当改进。基于PLA的壬基苯氧基丙烷磺酸钠（ABPs），能让其和配体生物分子相结合，对特定细胞进行靶向作用，提高和活细胞的生物相容性，还能借助羧基（-COOH）、羟基（-OH）和氨基（-NH2），和靶向生物分子实施生物共轭，确保对特定细胞的靶向作用。通过亲水性单体和疏水聚乳酸（PLA）实施可控自由基聚合（CRP），能制备含亲水性丙烯酸酯的聚乳酸基ABPs。例如，聚乳酸能提高载药纳米粒子（NPs）的循环时间，降低单核吞噬细胞系统（MPS）的摄取量，在一定程度上提高了体内的药物利用率。相较于传统的自由基聚合方法，CRP 能实现少量自由基和绝大多数休眠种间实施快速动态平衡，因此共聚物相对分子质量均衡分布，该方法能应用在各种链结构（梯度、超支化、嵌段）的共聚物。ATRP（原子转移自由基聚合）在亲水性聚合物和聚乳酸（PLA）的扩链方面受到了密切关注，所以其在合成可控聚乳酸（PLA）的ABPs中适用性良好。为了提高PLA 基NPs 的循环时间，必须要提高其亲水性，疏水核可以携带多种亲水性纳米粒子和疏水药物，从而确保NPs 的生物相容性和水溶性。

3.2 pH 响应改性

近年来，聚合物-药物pH 响应系统受到的关注度越来越高，疏水生物活性药剂能借助pH 响应链段增加自身的靶向性。聚合物载体在水溶性的提高方面有积极影响，增加药物在体内的停留时间。伴随聚合物分子量的提高，其滞留效应（ERP）提高，有助于药物在实体肿瘤中的积累。在这个系统中，药物分子能借助共价方式在聚合骨架上链接、化学键链接系统有很高的缓释性，有助于提高其药物利用率。Firizal[5]等借助酸不稳定腙键合法合成了pH 响应的多西紫杉醇（DTX）链接聚PLA-聚乙二醇（PEG）胶束药物制剂。在这个过程中，叶酸和PLA-PEG 链段的结合能有效提高DTX 的靶向传送效果。通过pH 响应的方式释放DTX，最大限度降低纳米共轭物的药物细胞毒性，安全无害，能作为靶向传递抗癌药物的重要媒介。

3.3 分枝结构改性

聚合物结构的改变会使其性能改变，有学者提出了接枝、支化、树枝状、交联和星行状等多种支化分子结构。与线性PLLA 相比，星形PLLA 的溶液黏度比较低，在药物输送环节不会在血液中停留，能最大限度提高生物利用率。与线性聚酯相比，星形聚酯的链端更多，分散性和溶解性良好，这些优势使得星形PLLA 在临床上得到广泛使用。S.Peter[6]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。

4 PLA 的应用

4.1 工农业领域

近年来，伴随白色污染的加剧，在一定程度上影响了农业用薄膜的制备[7]。PLA 的可降解性良好，特别是在增塑后能提高PLA 的韧性，能取代合成树脂薄膜，有助于在工农业领域的推广。此外，PLA 薄膜有良好的缓释作用，能有效遏制除草剂的释放速度，保证农作物的安全。还可以PLA 将加工成汽车行业的配件工程材料、建筑用绳索、农药化肥缓释材料等。尹静波[8]等用乙酰柠檬酸三正丁酯（ATBC）、柠檬酸三正丁酯（TBC）、柠檬酸三乙酯（TEC）等系列增塑剂对聚乳酸增塑进行改性，实验证明，随着增塑剂的含量增高，玻璃化温度逐渐降低，含量达到一定程度即可满足室外常温下塑料薄膜的需求。王玉林[9]等使用溶液浇筑加热压的方法，制备碳纤维增强聚乳酸复合材料（CF/PLA）应用于薄膜制作。富露祥[10]等采用机械共混法把PPC（聚丙成碳酸亚丙酯）与PLA 混合起来，制备了完全生物降解塑料PLA/PPC合金。

4.2 生物医学领域

当前医用高分子材料种类较多，但很难降解，且副作用比较大。PLA 是一种能被降解的材料，力学性能较好，在药物载体、手术缝合线、植入材料等领域得到广泛使用。李学兆[11]在聚乳酸羟基乙酸手术缝合线在食道癌切除后消化道重建中的应用研究中，发现实验组的吻合口溃疡发生率较低，这说明了PLA 有很强的生物降解性，是做手术缝合线的良好材料。孙继红[12]通过合成葡萄糖-聚乳酸接枝共聚物，并负载了盐酸阿霉素制备得载药纳米粒子，发现有助于药物在肿瘤细胞中的控释，说明PLA 在药物缓释剂中能发挥缓释作用。杨斌[13]等使用冷冻干燥法、乳化-溶剂挥发法等制备了聚乳酸-羟基乙酸共聚物纳米微球用作缓释剂。郭红延[14]等把兔牙乳头细胞接种在人牙型海藻酸钠-聚乳酸羟基乙酸共聚物中，发现8w 后，聚乳酸羟基乙酸大部分降解，已接近自然生长的压根组织，获得了具有牙本质特性及正常牙根形态的组织工程牙根，为进一步进行复合牙周膜的功能性牙根的组织工程构建奠定了基础。

4.3 包装、纺织领域

以PLA 与有机酸为原料生产的新型聚酯材料被产业界认定为21 世纪最有发展前途的环保包装材料。马靓[15]等对PLA 的性能及合成、改性方法等进行了详细介绍，对PLA 在国内外的工业化生产状况及在包装领域的应用和研究进展进行了系统分析，指明了后续的研究方向。张新林[16]等在研究中发现采用离子体提高化学气相沉积法能提高PLA 的阻隔性。李杰[17]等探讨了PLA 在包装方面的应用优势和前景，并明确了PLA 在包装领域应用中存在的相关问题。朱蕾[18]等分别使用不同的溶剂，利用静电纺丝法把PLA 原料分别纺在水刺无纺布、熔喷无纺布上，对其过滤性能进行研究。郑宁来[19]在研究中发现基于PLA 的无纺布能当作卫生巾的制作材料。

5 结 论

综上所述，PLA 作为生物医用材料和消费品的一种替代品，在当前社会中受到了密切关注。因为它具备良好的生物降解性，成为当前学术界研究的重点，能最大限度减少废弃物对环境的危害。PLA本体和表面改性尤为重要，伴随PLA 合成技术和改性技术的不断完善和发展，相信聚乳酸及其产品将越来越多地应用于人类生活的方方面面，并在造福人类中发挥越来越大的作用。