可降解乳酸共聚物.docx

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可降解乳酸共聚物

可降解乳酸共聚物

摘要

聚乳酸（PLA）具有优良的生物相容性和可降解性，在许多领域特别是作为医用材料方面备受关注，得到了广泛的应用。

然而乳酸均聚物由于结构与性能单一，应用受到很大局限。

通过与不同的羟基酸、氨基酸或聚合物如聚乙二醇等进行共聚可以明显改善其强度、韧性、亲水性与降解性等物化性能，并且在改变聚合单元组成的同时也可通过改变共聚物的空间结构，得到线性、梳形、星形或交联以及带有反应性官能团的共聚物，极大地拓宽了乳酸基可降解高分子材料的应用范围。

本文着重对乳酸共聚物的组成、结构及其开发应用方面的最新研究进展进行了较为详细的阐述。

关键词:

可降解高分子乳酸共聚物医用材料

在传统的聚烯烃类高分子材料带来的“白色污染”日趋严重的今天，以可降解的聚酯为代表的可降解高分子材料越来越受到人们的关注和青睐。

其中以聚乳酸（PLA）类可降解高分子材料尤为重要，每年都有大量相关的研究论文发表在诸如材料、医学和环境等各类学术刊物上。

在所有有关聚乳酸类可降解高分子的研究报道中，有关乳酸共聚物的研究报道所占比例尤重。

这是因为就聚乳酸而言，其机械性能难以满足现实的各种需要，而且降解速率难以控制，实际应用存在大的局限性。

因此，通过在PLA分子链中引入各种不同的单体或聚合物单元进行共聚改性来调节PLA类高分子材料的物理化学性能，特别是调节其降解速率和机械性能以满足不同的需求，极大地拓宽了聚乳酸的应用范围，因而具有重要的现实意义。

到目前为止，有关乳酸共聚物的研究国内外已有较多的综述。

冯新德等着重就乳酸共聚物的种类、结构及其在医药领域的应用作了综述；汪朝阳等则就乳酸共聚物的合成方法进行了讨论；姚军燕等对几种重要的乳酸共聚物的合成方法、性能及应用作了重点介绍。

在国外，Sodergard等对乳酸基聚合物的合成方法及其链段组成与性能的关系作了系统的阐述；Domb等对几类不同空间结构的乳酸基嵌段共聚物的制备方法及其应用进行了简要概括。

本文对乳酸共聚催化剂、共聚物的组成、结构及其开发应用方面的最新研究进展进行了综述。

1共聚用催化剂体系和聚乳酸的合成类似，乳酸共聚物的合成绝大多数也是采用开环聚合的方式来制取，因而可用于丙交酯开环聚合的催化剂绝大多数也适合用于共聚合。

总的来说，用于开环共聚的催化剂（体系）主要有以下几类。

1．1阴离子型催化剂

这类催化剂研究得较早，较典型的有醇钠、醇钾和丁基锂等。

1．2阳离子型催化剂

根据不同聚合机理，可以分成以下3类：

路易斯金属盐及其氧化物，如等；路易斯金属盐一水体系，如等；质子酸烷基化试剂体系，如、氟磺酸、对甲苯磺酸、羧酸等。

这类催化剂对内酯开环聚合具有一定活性，但一般只进行本体聚合，反应温度较高，而且

催化剂用量大，产物分子量不高。

1．3配位型催化剂

根据催化活性中心不同配位型催化剂可以分为以下4类：

金属烷基化合物体系、金属烷氧基化合物体系、金属烷氧基化合物-水体系如，双金属催化体系。

上述4种类型配位催化体系都被认为是“活性”聚合。

此外，研究显示配位基和配位中心不同的催化剂在合成同一种聚合物时会对产物的性能产生影响。

Yasuda等分别以钐和锡配合物催化丙交酯与己内酯开环共聚，在对合成同一种聚合物P（LA．CL）和P（LA．CLLA）的降解性研究后发现，钐催化得到的聚合物的降解性能更好。

锡盐是目前应用最为广泛、也是为数不多已实现工业化应用的内酯开环催化剂。

几乎所有的锡盐对内酯的开环聚合均有催化活性，其中辛酸亚锡是目前公认的效果较好的催化剂，活性高、催化剂用量少、可制得高分子量聚合物。

以前的研究认为辛酸亚锡只能用于高温本体聚合，且分子量达到最高时其转化率只有50％左右，若要提高转化率必须以降低分子量为代价。

然而近年来的研究结果已经表明辛酸亚锡不仅能用于溶液聚合，且分子量达到最高时其转化率超过90％。

高效的内酯活性开环聚合催化剂的研究一直深受关注，一些新型催化剂的研究时有报道。

一种新型的具有螺环结构配位基的锡配合物用于季戊四醇引发丙交酯开环聚合合成星形共聚物，所得的聚合物分子量分布小于1．2，且聚合过程不存在诱导期n副。

Lin等报道了一系列锂的化合物等用于丙交酯的开环（共）聚合，整个聚合过程表现为活性聚合。

除了金属催化剂外，非金属有机催化剂也有报道。

Logan等以胍和脒催化丙交酯、墨戊内酯及￡．己内酯开环聚合，整个聚合过程具有活性聚合的特征。

近年来，越来越多的科研工作者转向低毒性金属催化剂的开发，如Fe、Ca、Mg、Zn等。

全大萍等池1以乙酰丙酮铁为催化剂研究了L-丙交酯的开环聚合及在聚乙二醇（PEG）存在下的开环共聚，可使大部分聚合的单体转化率达90％以上，聚合产物的黏均分子量最高可达66000。

陈学思等合成的有机钙的氨基化合物Ca／PO和Ca／EO分别在环氧丙烷和环氧乙烷中开环聚合得到了PCL和PLA，催化剂具有很高的活性，而且整个聚合过程显示出了活性聚合的特征。

具有较高的催化活性和转化率。

1．4酶催化开环聚合

这类催化剂的优点是：

传统的催化剂需要在纯单体和无水条件下进行，聚合后产物中一般残留金属，因此作为医用材料时必须事先除去催化剂残留物，酶催化就没有这种麻烦。

Matsumura等于1997年率先报道了使用脂肪酶催化LA开环聚合的

研究。

他们用酶催化LA和三亚甲基碳酸酯（trimethylenecarbonate，TMC）的共聚结果表明，在8-100℃范围内，共聚物P（LA—CO—TMC）分子量。

可达到21000。

催化聚合速度和聚合产物的分子量都显示了最佳结果。

所获得的P（LA．CO—TMC）是无规共聚物。

2不同链单元和空间结构的乳酸共聚物

2．1线型共聚物

丙交酯（LA）与乙交酯（GA）、等环酯的开环共聚物是最为简单也是应用最为广泛的线型聚乳酸基可降解聚酯。

由于具有良好的药物通透性并且可以通过调节共聚物中各成分的比例来控制其降解行为，因而一直深受关注。

关于此类共聚物的合成及性能，文献[3]和[5]已作了较为详细的说明，在此不再赘述。

近几年来这方面的报道多集中于应用方面，有关合成的报道则侧重于多嵌段或多元共聚物协一划。

乳酸（PCUPLA）生物可降解的聚氨酯共聚物。

这些共聚物材料的极限抗张强度约为32MPa，杨氏模量低于30MPa，拉长断裂长度超过600％。

共聚物的降解速率比均聚物PLA和PCL的降解速率快。

Jeon等在嘧啶存在下通过羧基封端的PuA的二氯甲酸酯与羟基封端的PCL的偶合反应制备出了新型聚（L-丙酯）（PuA）一聚（己内酯）（PCL）多嵌段共聚物。

一些柔顺性较好的聚合物可被引入PLA链中以提高柔顺性。

Kimum等用1，4丁二醇（BD）和二锡氧烷催化[RS]一p丁内酯（pBL）开环聚合合成了远螯聚合物聚（[RS]一p羟基丁酸）（[RS]．PHB）。

其主链上含有次羟基封端的四甲氧基基团，将其与L-乳酸在辛酸亚锡催化下进行嵌段共聚就可以获得组成为聚乳酸（A）和Cns]一PHB（B）的ABA三嵌段共聚物，这种嵌段共聚物是一种具有潜在应用价值的热塑性弹性体。

Cao等先通过琥珀酸与l，4丁二醇的熔融缩聚合成羟基封端的聚琥珀酸丁酯（PBS）预聚物，接着分别以含端羟基的PBS预聚物（M=4．9kDa）和辛酸亚锡作为大分子引发剂和催化剂使L-丙交酯开环聚合合成出一系列带有不同平均长度PLLA嵌段的PuA．6．PBS—b-PUA三嵌段共聚酯。

由于引入了柔韧性更好的PBS嵌段，共聚物的柔性有了显著提高。

Kumar等则直接以药用级乳酸与癸二酸直接共聚，产物具有良好的生物相容性和链柔顺性。

无规共聚物DxO／L-LA／3一烯丙基一d．戊内酯（3．AV）是一种很有意义的生物可降解共聚物，它还可以与苯乙烯进行接枝共聚以达到进一步改性的目的。

Andronova等也用碳酸环丙酯、丙交酯及Dx0共聚合成出具有高弹性的可降解共聚物材料。

相反地，在一些特定的应用领域如用于制作日用容器则要求聚合物有较强的链刚性，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）就是最为典型的例证。

但PET在环境中降解困难，为了得到类似性能的可降解聚酯材料，Olewnik等用对苯二甲酸单乙二醇酯与乳酸进行直接缩聚，制得了可完全生物降解的聚酯类包装材料。

由于PLA分子链中不存在亲水性的链段或官能团，因而具有较强的憎水性。

为了改善PLA类（共）聚酯的亲水性，特别是提高在人体内的亲和性和相容性，引入亲水性的链段或官能团是非常必要的。

目前聚乙二醇（PEG）与LA等的共聚物是研究最多的亲水性聚醚酯。

由于聚乙二醇良好的生物相容性和亲水性使得这方面的研究一直深受青睐。

归结起来，PLA.PEG共聚物的制备方法一般是以羟端基聚乙二醇引发丙交酯开环聚合获得二或者三嵌段的共聚物，再用二酰氯或异氰酸酯偶联得到多嵌段共聚物。

为了更进一步改善共聚物的性能，还可以在开环聚合时加入其他的环类单体如己内酯（CL）。

在此，需要特别指出的是Ding等研究发现，PLGA—PEG-PLGA三嵌段共聚物的端基对其在水中的溶解性有着很大的影响。

端基为羟基的共聚物完全溶于水，端基为乙酯基或丙酯基时共聚物在水中形成不透明的物理溶胶，而当端基为丁酯时共聚物则完全不溶于水。

这个发现对类似的生物材料的合成及应用有着非常重要的意义。

除聚乙二醇外也有聚（环氧乙烷．环氧丙烷）（PEO．PPO）共聚物的报道。

全大萍等以过氧化二苯甲酰为引发剂，四氢呋喃为溶剂，进行了PDLLA接枝乙烯基吡咯烷酮（VP）的试验，产物亲水性有所改善。

Ranger等则用羟基封端的PVP在KH催化下与丙交酯共聚制备出PLA．PVP嵌段共聚物。

Feng等合成了聚丙交酯．聚山梨醇酯（Tween．80）嵌段共聚物。

Hales等以功能性羟基三硫代碳酸酯基作为引发剂开环聚合制备出聚乳酸（D，L-PLA）大分子RAFT剂，再引发Ⅳ一异丙基丙烯酰胺（NIPAAm）进行RAFT聚合使PLA扩链，随着PNIPAAm嵌段的长度增大共聚物逐渐转变成具有热敏性的两亲性分子。

Wendorff等由二酰氯和对苯二甲硅烷基醚的熔融缩聚合成了具有可溶性芳香环侧链的液晶化合物，相应地加入低聚乳酸既可以获得含有乳酸单元的共聚酯（合成过程和产物结构如图式1所示）：

接触角和水溶性测试结果显示其具有较高的亲水性。

此外，也有一些新型的具有特殊性能的PLA类线型共聚酯的研究报道。

李斌等制备出聚四氢呋喃聚乳酸（共聚物c4），并作为可降解玻璃体替代物对孔源性视网膜脱离进行治疗，是一种有价值的玻璃体替代物。

张留成等利用乳酸与1，4．丁二醇（BOO）的缩聚反应，合成了PLA．BDO．PLA型嵌段预聚物。

该预聚物与异佛尔酮．二异氰酸酯（IPDI）、甲基丙烯酸肛羟乙酯（HEMA）反应，得到了聚氨酯丙烯酸酯大分子单体，将其固化制得聚氨酯材料，该聚氨酯材料具有较好的热稳定性和降解性。

Gloria等以AI（Oipr），作催化剂通过开环聚合，合成了PLA和磷酸乙基乙烯酯（PEEP）的共聚物，这种共聚物的细胞毒性很低，且具有良好的组织相容性。

Johnson小组用开环聚合和原子转移自由基聚合合成了一系列联吡啶中心三嵌段PLA—PCL联吡啶．PCL．PLA共聚物，铁离子在共聚物规则排列时可以提供一个反应活性部位，也能够迁移至聚合物膜表面形成纳米簇，从而改变膜表面的界面性能。

聚酯酰胺类共聚物的合成主要是通过环类单体的开环聚合来进行。

最近报道了一种全新的制备侧链带有氨基官能团的聚乳酸基生物材料的方法：

在丙交酯环上引入已进行官能团保护的氨基酸基团，新的单体经开环均聚合后再解保护。

由于这种方法避免使用吗啉二酮与丙交酯进行开环共聚，因而克服了传统方法难以合成结构均一共聚物的缺点。

值得一提的是，除了开环共聚以外，也有直接以

氨基酸和丙交酯聚合的报道。

Shinoda等恻在无溶剂和催化剂存在的条件下使天门冬氨酸（Asp）和L-丙交酯直接共聚，m和NMR分析结果显示所得的共聚物聚（天门冬氨酸一CO．乳酸）（PAL）具有由琥珀酰亚胺单元和乳酸单元组成的独特支链结构（图式2）。

引入羟基官能侧基也受到了研究者的重视。

以已进行官能团保护的环类碳酸酯与丙交酯等开环