聚乳酸改性的研究进展周海鸥史铁钧王华林方大庆(合肥工业大学化工学院,合肥,230009)摘 要概述了近年来国内外聚乳酸通过共聚、共混、复合等方法获得改性材料的研究进展,
并对其发展方向进行了展望。关键词:聚乳酸改性共聚共混复合
一、前言聚乳酸(PLA)具有优良的生物相容性、生物可降解性,最终的降解产物是二氧化碳和水,不会对环境造成污染。这使之在以环境和发展为主题的今天越来越受到人们的重视,并对其在工业、农业、生物医药、食品包装等领域的应用展开了广泛地研究。由于聚乳酸在性质上存在如下局限而限制了它的实际应用:
(1)聚乳酸中有大量的酯键。酯键为疏
水性基团,它降低了聚乳酸的生物相容性;
(2)降解周期难以控制
;
(3)聚合所得产物的分子量分布过宽。
聚乳酸本身为线型聚合物,这使得材料的强度往往不能满足要求。同时,在实际应用中还有一些特殊的功能性需要。这都促使人们对聚乳酸材料的改性展开深入地研究。目前国内外对聚乳酸的改性主要有共聚、共混以及制成复合材料等几种方法。
二、共聚法改性随着聚乳酸应用领域的不断扩展,单纯
的均聚物已不能满足人们的需要,特别是在高分子药物控制释放体系中,要求对于不同的药物有不同的降解速度,同时对于抗冲击强度、亲水性有更高的要求。这使得人们开始将乳酸与其它单体共聚改性,以调节共聚物的分子量、共聚单体数目和种类来控制降解速度并改善结晶度、亲水性等。由于在乳酸分子中含有羟基和羧基,生成的聚乳酸含有端羟基和端羧基,所以在聚乳酸共聚物中比较多的是聚酯2聚酯共聚物、聚酯2聚醚共聚物以及和有机酸、酸酐等反应生成的共聚物。
1.线性结构的共聚物聚酯2聚酯共聚物是目前聚乳酸共聚物中最多的一种。人们将多种酯类和丙交酯共聚制得了不同用途的产物,其中涉及的机理主要是将共聚单体制成环状化合物,再开环聚合生成不同单体间的交替共聚物。Miller等研究发现用乙醇酸生成乙交酯(gly2colide,简称GA)再和乳酸开环聚合,能使降解速率比均聚物提高10倍以上,并且可以通过改变组分的配比来调节共聚物的降解速度[1]。张艳红等采用低聚D,L2丙交酯与聚己内酯低聚物在2,42甲苯二异氰酸酯(TDI)作用下进行了扩链反应,形成了具有
93第6卷 2003年第6期 四川化工与腐蚀控制一定强度和韧性的弹性体[2]。沈正荣[3]等合成了D,L232甲基2乙交酯,并用辛酸亚锡为催化剂进行开环聚合,生成了PLA和PGA的交替共聚物,该共聚物结构规整,组成固定,改善了PGA均聚物不溶于一般有机溶剂的缺点。武汉大学的范昌烈[4]等将乳酸与磷酸酯共聚作为缓释药材料和药物载体,由于人的体内含磷酸酯和聚磷酸酯,所以该材料具有良好的生物相容性,同时还被赋于了类似天然物质的性质。它是以共聚物为高分子药物载体、52氟尿嘧啶(52FU)为药物模型,经大分子反应得侧链含52FU的乳酸2磷酸酯共聚物。以往在聚乳酸的合成中,采用一步法或两步法,提高聚合物相对分子量比较困难。近年来,为了提高聚合物的相对分子量,出现了利用扩链剂的活性基团和聚酯的端羧基或端羟基进行扩链反应的新方法,克服了传统方法的缺陷,取得了满意的效果。1995年,Woo[5]等利用六次甲基二异氰酸酯为扩链剂,首次对聚乳酸进行扩链反应并取得了成功。Harkonen[6]等在制备过程中先用1,42丁二醇与乳酸生成两个端基都是羟基的低聚乳酸,再用六次甲基二异氰酸酯进行扩链反应,得到的聚乳酸相对分子量达57000。封端江[7]等采用甲苯二异氰酸酯和二苯基甲烷二异氰酸酯及三官能团异氰酸酯对聚乳酸进行扩链,产物分子量高达几十万。聚醚2聚酯共聚物也是比较常见的聚乳酸共聚物。由于聚乳酸是疏水性材料,而且不够柔软,缺乏弹性,在作为某些医用材料时往往不能满足要求,因此人们将可水溶性的醚段和聚乳酸结合在一起生成了聚醚2聚酯共聚物,克服了这一缺点。文献报道中通常将聚乳酸作为硬段和作为软段的乙二醇或丙三醇结合在一起[8]。Bazile等用单甲氧基聚乙二醇醚的钠盐作引发剂引发LA开环聚合制得聚醚2聚酯双嵌段共聚物[9]。邓先模等分别用氧化亚锡[10、11]、烷基铝复合催化剂[12]、大分子引发剂[13]制得了聚乙二醇与己内酯或LA嵌段或多嵌段共聚物。并发现可以通过调节疏水和亲水链段的组成来控制降解速度、亲疏水性以及相对分子量等。邓先模制得的聚乙二醇(PEG)和LA开环聚合生成的PEG2PLA共聚物,具有亲水性和柔软性,可用作药物控释体系中的表面活性剂、微球表面修饰剂[14]。吴之中[15]将丙交酯(LA)与聚乙二醇共聚制成嵌段共聚物,用二苯甲基二异氰酸酯(MDI)扩链后再用三羟甲基丙烷(TMP)交联,制得系列聚氨酯弹性体,并研究了共聚物弹性体的物理性质随PEG含量的变化。除了生成聚酯2聚酯和聚酯2聚醚共聚物之外,聚乳酸还可与酸酐、葡萄糖、淀粉等共聚。曹雪波[16]等将马来酸酐作为改性单体和聚乳酸共聚。马来酸酐(MAD)是一种可在人体内正常代谢的多官能团物质,改性的过程是将马来酸酐的双键和聚乳酸适当地交联,从而使聚乳酸的性能发生较大的变化,酸酐键可增强亲水性而交联可增强力学性能。曹雪波等研究了随马来酸酐和聚乳酸质量比的不同,材料性质所发生的变化。发现聚乳酸和马来酸酐质量比大于10时,
材料仍较好地保持着弹性体的性质,压缩模量也得到了提高,特别是在等于10时,压缩模量提高得更明显。聚乳酸材料被引入药物控释体系后,为改善其性能,如亲水、疏水性,人们常用乙二醇与其共聚,但聚乙二醇本身不能在人体内降解。葡萄糖是组成壳多糖等的一种单糖,
其寡糖已作为保健品供应。张国栋[17]等以1,4,6位羟基被保护了的葡萄糖衍生物苄基222乙酰氨基24,62O2亚苄基222脱氧2吡喃葡萄
糖苷(BGD)和锌酸亚锡组成引发体系对LA
引发聚合,从而生成两端有葡萄糖衍生物BGD封端的聚乳酸,并对其化学结构进行了表征。邵琼芳[18]等根据甲基硅油无毒、生物相容性好以及能促进药物吸收与释放等特点,
04四川化工与腐蚀控制 第6卷 2003年第6期将含氢硅油与丙交酯在锌酸亚锡催化下共聚反应,以得到新型生物降解材料用于缓释药物的外包裹材料和其它医用材料
21接枝共聚物淀粉和淀粉衍生物的脂肪族聚酯接枝共聚物是一类可完全生物降解的高分子材料。对于这类聚合物材料的合成、性质和应用进行研究,对解决废弃塑料对自然环境的污染具有重要的现实意义。由英才[19]等以淀粉为接枝骨架,DL2丙交酯为接枝单体,在无水LiCl存在下,合成了淀粉2DL2丙交酯接枝共聚物。降解实验表明,该接枝共聚物能够被酸碱及微生物完全降解,防水实验表明,该接枝共聚物具有优良的防水性能。一般为了改善聚乳酸的亲水性,常用亲水性的低聚物或单体如聚乙二醇(PEG)、甲基丙烯酸羟乙酯(HEMA)、氨基酸和多糖类等与聚乳酸共聚。而罗丙红[20]等根据乙烯基吡咯烷酮(PVP)亲水性、血液相容性和生物相容性均较好的特点,以过氧化二苯甲酰为催化剂,四氢呋喃为溶剂,将PVP直接在聚乳酸上接枝共聚,在PLLA上引入了亲水性的PVP支链。测试结果表明,摩尔接枝率为1.0—1.6%时,亲水性有所改善。
31含有部分交联结构的聚乳酸以多官能团为引发剂或起始剂可以制备多臂和星形共聚物,常用的交联剂是多官能度的酸酐或多异氰酸酯。Tevssie[21]等以含烯基的有机铝化合物间苯三酚铝盐作为引发剂引发丙交酯开环聚合,制得了三臂共聚物。朱康杰[22]等以三乙醇胺、季戊四醇作为起始剂与丙交酯分别合成了三臂、四臂共聚物。
三、共混法改性共混可以改善聚乳酸的亲水性,大多用于药物释放体系的研究,不能得到分子量较高的产物。共混法大多是与可降解的聚己内酯橡胶共混以改善聚乳酸的力学性能[23]。由于PLLA降解速度较慢,长期存在的未降解部分产生副作用,有时会在局部产生无菌性炎症。PDLA具有更好的生物相容性和较快的降解速度,但难于制备高分子量的产物,即使制备了高分子量的产物,也是刚性极强、缺乏韧性的材料,难以满足使用要求。李丽[24]等用小分子柠檬酸三丁酯对聚D,L2丙交酯外增塑。研究结果表明,柠檬酸三丁酯有较好的增塑作用,材料的韧性有较大地改善,降解速度进一步加快,可作为一种适合特殊要求的新型降解材料。还可在PLA中加入邻苯二甲酸二酯进行增塑[25]。对于丙交酯2聚酯共聚物,仍采用聚酯增塑[26],加入滑石粉[27]、硬脂酸盐等成核剂增加材料的透明度[28],还可加入一些
无机材料、热稳定剂、增塑剂、润滑剂等添加剂来增加材料的某一方面的性能。
四、制成复合材料改性聚乳酸材料由于分子量大小、分布等方面的限制,只是一种中等强度的材料,而如果应用在医学上,特别是作为骨修复材料,
就需要它有较高的强度。目前人们通过各种方法来制得高分子量的聚乳酸,如改进乳酸的聚合工艺、使用扩链剂等,同时国内外也有很多将聚乳酸和其它材料一起制成复合增强材料的报道。
11与各种纤维复合C纤维及其复合材料,尤其是C纤维与
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