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课程设计

第一章：

研究背景

1.1概述

二十世纪30年代起，合成的石油化工聚合对工业生产产生了巨大的影响，这些聚合材料有许多优点，但仍存在两大缺陷:

一是生产过程中没有相应的可再生的原料，二是使用后的处理会对环境造成较大的影响。

在过去的40多年里，生物可降解的聚合材料成为了人们广泛关注的焦点，这类高分子材料的合成和加

工处理等技术有了很大程度的提高，并且广泛应用于生物、医学、包装等领域。

聚乳酸（PLA）是一种线性聚脂肪酯，可以以乳酸为原料聚合合成，由于其本身具生物可降解性和生物可吸收性，并且水解后生成乳酸和无毒成分，经过三羧酸循环后直接转化成水和二氧化碳

。

聚乳酸作为一种生物可降解的高分子聚合物材料很早就引起了人们的注意，1913年，法国人就通过缩聚的方法合成了聚乳酸，但是产量低，分子量小，力学性能差，因此作为结构材料没有实用价值。

一1932年，被誉为“高分子化学之父”的美国著名化学家Carothers己在真空下加热乳酸得到了聚乳酸

。

但由于所得聚乳酸的相对分子质量较低，机械性能差，作为结构材料几乎没有什么用途，只是被看作一种中间体，用于增塑剂或以PLA的形式贮存或运输乳酸而己。

1944年，Filaehiene在Hovey、Hodgins及Begji研究的基础上，对当时聚乳酸的聚合方法进行了系统的探索，但得到的聚合物相对分子质量仍较低。

此后，美国DuPont

公司和Ethioon公司又开始研究聚乳酸，并把研究重点放在开发医用的缝合线和药物控释材料上。

1954年，DuPont公司开始用间接的方法制备聚乳酸，即先制备出丙交酯，然后将纯化好的丙交酯进行开环聚合，从而得到了分子量较高的聚乳酸。

当时DuP0ni公司制备聚乳酸的目的只是希望得

到耐久性的聚酯纤维材料，而合成的聚乳酸对热和水敏感，在潮湿的环境中会缓慢降解，使用价值远不及性能优越的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），对其的研究一度中断。

20世纪60年代初期，美国Cyanamid公司发现聚乳酸及其共聚物具有良好的生物相容性并将其应用于医学领域，作为生物降解医用缝线。

随后到60年代末期，Kulkami

等人的研究进一步发现，聚乳酸与人体组织有良好的生物相容性，不引起组织炎症，无明显排异反应等特性。

到了70年代，聚乳酸在人体内的降解性和降解产物的高度安全性得到确认。

Brady

等也陆续进行了可降解的体内植入材料及支撑材料等的动物实验研究，发现材料机械强度不够，应用受到了限制。

1976年，Yolles

等则报道了聚乳酸可广泛用作药物控释体系的载体。

90年代以来，由于环保意识的越来越强，人们对可降解材料，特别是生物可降解的聚乳酸越来越重视，人们将注意力集中在聚乳酸的性能及合成技术和工艺改进方面，着重进行改性及加工工艺的改进，这一时期的研究十分活跃，并取得了一定的成果。

至今，已有多家公司和研究单位申请过聚乳酸类可生物降解塑料的相关专利，目前国际市场上出售的聚乳酸树脂主要有5种牌号

:

（l）CPLA—大日本油墨与化学公司产品（DainipponInk&Chemical）。

该公司称在以后几年，要使CPLA产品达到年产几千吨的水平，预计价格在500-1000日元/千克;

（2）LACEA一三井化学公司（MitsulToatus）产品，从1996年500吨/年的工业化试验装置投入运转;（3）LACTY一日本岛津制作所产品。

1994年开启100吨/年的试验装置，1995年公司开始与钟纺（株）合作研制了聚乳酸纤维薄膜;（4）Ecopla-CargriliDow公司产品,Ecopla售价约3.3美元/公斤;（5）HePion一美国Chronopl公司产品，1998年开始计划在未来几年中建设一个世界级的装置。

目前，我国对聚乳酸的研究和开发也越来越深入。

国内目前致力于聚乳酸大规模产业化的企业有上海同杰良生物材料有限公司、浙江海政药业公司等企业。

其中上海同杰良生物材料有限公司承担的聚乳酸项目列入2004年上海市首批“科教兴市”重大科技产业化计划项目。

1.2聚乳酸的性能

1.2.1基本性能

聚乳酸为无色或淡黄色透明物质，一般由发酵法制得得乳酸合成，可溶于二嗯烷、乙睛、氯仿、二氯甲烷等，但不溶于脂肪烃、乙醇、甲醇等，易水解。

乳酸是一种最简单的手性分子化合物，它的a碳原子连接四个不同的原子和基团，是一个不对称手性碳原子，具有旋光性，因此，乳酸有两种光学异构体:

L-乳酸和D一乳酸。

相应的丙交酯（乳酸的环二聚体，3，6-二甲基-1，4-二氧杂环己烷-2，5-二酮）有四种光学异构体:

L一丙交酯（熔点Tm=95-99℃），D-丙交酯（Tm=95-99℃）、D，L-丙交酯（Tm=124-127℃）和meso-丙交酯（Tm=53-54℃）

。

其结构如图1.1所示:

聚乳酸也存在三种立体构型（见表1.1），即:

聚左旋乳酸（PLLA）

，聚右旋乳酸

（PDLA）和聚消旋乳酸（PDLLA）。

从表1.1可以看出，PLLA和PDLA是两种具有光学活性的有规立构聚合物，聚合物链排列比较规整，有较高的结晶度和机械强度，适用于需高机械强度和韧性的地方，如缝合线和骨钉等;PDLLA是无定形非晶态材料，降解快，强度一般，适用于作药物载体和薄膜等。

1.2.2生物相容性

在大量的临床试验研究基础上，PLA优良的生物相容性己为人们所广泛接受。

根据Kronentha研究，PLA在体内降解的最初阶段只有水解发生作用。

但是PLA降解的最终产物必须通过细胞排除。

这一排除过程的前提是出现适于吸收PLA残渣的组织。

这种组织以在PLA植入物周围观察到的组织细胞的轻度至中度可吸收性炎症组织为代表。

在最初阶段，PLA的降解主要是在非晶态区域发生无规和自加速水解;随后，剩下的高结晶PLA降解速度明显减慢;在最后的阶段，降解进行得更为完全，有小的碎片从植入物仁脱落并被巨噬细胞的吞噬作用和可能出现的异物巨噬细胞的溶解作用所除去。

在组织学过程中，合成生物高聚物膜被周围组织吸收并在植入位置的皮下组织内留下一个空位，周围的连接组织含有丰富的成纤维细胞并大多呈纤维状，所有植入膜都逐渐地被降解吸收。

对于各种被测膜，吸收的机制都很相似，生物膜的吸收和降解用形态学变化来进行评价。

其最初表现是周围连接组织长入高聚物膜，进一步导致膜最终被正常的连接组织替代。

HansP等对PLA在老鼠体内的长期植入作了较为详尽的研究，发现在材料的降解过程中，只有轻微的炎症反应发生。

PLA在体内PLA分解成乳酸，再经酶的代谢生成CO

和H

O，由人体排出，没有发现严重的急性组织反应和毒理反应，但PLLA仍会导致一些温和的无菌性炎症反应，如颧骨固定术后3年产生了无痛的局域肿块，皮下组织出现了缓慢降解的结晶PLLA颗粒引发的噬菌作用。

产生组织反应的真正原因没有定论，Sugonuma

认为PLA降解所产生的碎片是导致迟发性无菌性炎症反应的根本原因。

植入部位也决定组织反应类型和强度，皮下植入时炎症发生率较高，在吞噬细胞较少的髓内固定组织反应发生率较低。

1.2.3降解性能

聚乳酸及其共聚物是一种性能优异的生物降解材料，能被酸、碱、生物酶等降解。

其无毒、无刺激性、有良好的生物相容性，降解的最终产物是CO

和H

O对环境无污染。

聚乳酸作为一种绿色高分子材料，可以说，人们对其的开发和应用可看作是自然界碳循环的一部分。

如图1.2所示:

聚乳酸的降解，主要有3种不同的降解方式，即:

主链降解生成低聚梭基体和单体;侧链水解生成可溶性主链高分子;交链点裂解生成可溶性线性高分子。

一般认为，聚乳酸及其共聚物降解的早期阶段是化学水解，首先是非晶区的水解，导致力学性能降低，其次是晶区的水解，水解反应会因梭基的存在而加快。

PDLLA由于甲基处于间同立构或无规立构状态，水解非常快，主要是无定形区域增加了水的吸收。

而PLLA和PDLA由于甲基处于全同立构状态，可以结晶，在自然条件下显示出相当慢的降解速率。

聚乳酸的降解是一个复杂的过程，其主要可分为高聚物的吸水、酯键的水解断裂、可溶性低聚物的扩散溶解3个过程。

1.3聚乳酸的合成方法

1.3.1直接缩聚法

直接法合成聚乳酸是在脱水剂的存在下，乳酸分子间受热脱水，直接缩聚成低聚物，然后再继续升温，低分子量的聚乳酸扩链成更高分子量的聚乳酸。

直接聚合法的特点是不要分离反应的中间体，这种方法相对简便和价廉，但是有它的不足，很难控制聚乳酸的端基、分子量及其分布，另外因为在此反应体系中存在

着游离乳酸、水、低聚物及丙交酯的平衡，反应副产物在粘性熔融物中难以去除，很难保证反应向正方向进行，所得聚合物分子量一般较低（均分子量小5000，分子量分布约为2.0）。

合成路线如图1.3所示:

1.3.2开环聚合法

一直以来，人们更为关注的是丙交酯的开环聚合。

这种聚合方法较易实现，且可制得分子量高达30万～100万的PLA。

经过对丙交酯开环聚合的反应条件的研究，发现影响该开环聚合反应的因素主要包括催化剂浓度、单体纯度、聚合真空度、聚合温度、，聚合时间、等

，其中最主要的是丙交酯的纯化及催化剂的选择。

丙交酯的纯化主要采用重结晶的方法，所用的溶剂一般为乙酸乙酯、甲醇、无水乙醇、四氢吠喃、甲苯、三氯甲烷

等。

丙交酯开环聚合的路线如图1.4所示:

1.4丙交酯的合成方法

1.4.1以乳酸为原料制备丙交酯

该方法一般分3步完成。

首先是以乳酸为原料ZnO、SnCl:

或SnO

等为催化剂，在低于160℃、减压条件下乳酸脱水先形成PLA低聚物（PLAOligomers）（分子量一般小于3000），缩聚生成的水在减压下除去，以打破平衡，使反应有利于缩聚;然后在较高温度（200℃-280℃）、一定压力下使PLA低聚物解聚成环，生成丙交酯粗品;最后用重结晶方法提纯粗品得丙交酯纯品。

其反应原理如图1.5所示:

PLA低聚物解聚温度在200℃以上，在解聚过程中因氧化和其它副反应发生，导致产物变色和焦化，严重影响了丙交酯的产率和纯度，这也是PLA制品价格昂贵的一个主要原因。

所以自20世纪70年代PLA在药物制剂和外科方面显现出巨大的应用潜力以来，许多研究都集中在如何降低变色和焦化反应程度、提高丙交酯的产率上。

1.4.2以其它原料制备丙交酯

Hiroshi、Hang等以2-卤代丙酸碱金属盐或碱土金属盐为原料，以非水溶剂为介质，在200℃-250℃、2.53MPa下制备丙交酯。

其反应原理如图1，6所示：

X:

Cl,Br,I;A:

Li,Na,K,Ru,Ce;B:

Mg,Ca,Sr,Ba

该过程的反应速度快，反应时间一般不超过2h。

由于所用非水溶剂如丙酮、丁酮、甲基异丁酮、乙酸甲酯、乙酸乙酯、乙酸异丙酯和乙醚等沸点都低于反应温度（200℃一250℃），所以反应需在加压下完成。

压力一般接近反应温度溶剂的蒸汽（2.53MPa左右）。

这种方法最大的缺点是未反应的卤代丙酸盐不易从成品中完全除去，产率一般为35%左右，产品纯度可98%。

另外，Ohara及Kawamoto等口用乳酸铵为原料，通过加热同时脱氨和脱水制备丙交酯。

这种方法可有两种不同的机理:

一是两分子乳酸按同时脱氨、脱水形成乳酸铵的环状二聚体，即丙交酯（l.7（a））;另一种是乳酸铵脱氨、脱水形成低聚物，低聚物再解聚形成丙交酯（1.7（b））。

Cozach及Van等以乳酸酯为原料、对甲基苯磺酸为催化剂，通过加热同时脱水、脱醇制备出高纯度的丙交酯。

1.5丙交酯合成聚乳酸的研究

1.5.1配位插入聚合

烷氧铝是一类环酯开环聚合的有效催化剂，如:

Al（Oi一Pr）3被广泛用来研究LA聚合机理，但它的催化活性不高（LA本体聚合反应中，在125~180℃需反应几天才能获得较低分子量的PLA（分子量低于10

g/mol）。

由于Al（Oi-Pr）3催化反应过程中需要一段时间引发聚合，所以很少用它来制备生物可降解聚酯，并

且，A1

在人体内不能新陈代谢，在人体内积聚易引起早老性痴呆症。

羧酸锡盐类化合物