作者：闫有旺
化学教学 2004年08期
聚乳酸（PLA）是最重要的乳酸衍生品，是以乳酸为单体经化学合成的一类高分子材料，无毒，无刺激性，具有优良的生物相容性，可生物分解吸收，强度高，可塑性加工成型。它易被自然界中的多种微生物或动植物体内的酶分解代谢，最终形成水和二氧化碳，不污染环境，因而被认为是最有前途的可生物降解的高分子材料。近十几年来，国内外对生物降解高分子材料研究的兴趣日益浓厚，涉及到工农业生产领域、医用领域等各个方面。早在上世纪三十年代，美国著名高分子化学家Carothers就曾对PLA做过报道，但在其后近四十年中，由于聚合物分子量低，机械性能差而无所作为。PLA的合成及应用研究始于上世纪50年代。70年代开始合成高分子量的具有旋光性的D或L型PLA，并用于药物制剂和外科等方面的研究，同时为克服PLA单靠分子量及分布来调节降解速度的局限，开始合成以PLA为主的各类共聚物。进入80年代以来，随着PLA及共聚物的应用领域特别是在生物医学工程领域的不断扩大，对其合成机理、不同结构及组成的共聚物的合成及应用研究日益深入，相继有相关综述报道。随着对PLA及其共聚物应用的不断扩大，其进一步的研制开发深受人们关注。
一、PLA的基本性质
合成PLA的单体是乳酸，在乳酸分子中含有一个羟基和一个羧基两个官能团，具有相当的反应活性，在适当条件下容易脱水缩合成聚乳酸。由于乳酸具有旋光性，生成的聚乳酸也具有旋光性，聚乳酸包括聚—D—乳酸（P-D-LA）、聚—L—乳酸（P-L-LA）和聚—（D、L）—乳酸，它们的基本性质见表。
内容P-D-LA
P-L-LAP（D，L）-LA
均可溶于二恶烷、乙腈、氯仿、二氯甲烷等，
溶解性
但P（D，L）-LA溶解性更好。不溶于脂肪
烃、乙醇、甲醇等
固体结构 结晶体结晶体非结晶体
熔点（℃） 180
180——
玻璃化温度 ——
56
50～60
（℃）分解温度
200
200 185～200
拉伸率
20-30％20-30％ ——
断裂强度g/d
4.0-5.05.0-6.0 ——
*水解性（37℃
生理食盐水中 4～6个月
4～6个月
2～3个月
的强度减半时
*因分子量、结晶程度等因素而异。
由表可以看出，P（D，L）-LA为非结晶性结构，降解快，强度耐久性差，因此可用三种聚乳酸的不同比例来调整材料的强度和降解周期，以适应不同的需求。
另外不同聚乳酸的强度随分子量的增大而提高。在分子量低于2500时，在生理食盐水中浸泡几周就会分解掉；当分子量在10万以上时，不易分解，可作为强度材料；当分子量达100万以上时，放置在空气中一年以上也无任何变化，其拉伸强度为聚乙烯的4倍，既可成膜又可纺丝。
二、制备
1.直接聚合法
直接聚合法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。早在20世纪30～40年代就已经开始研究，但是由于涉及反应中产生的水的脱除等关键技术还未能完全解决，聚合产物的分子量较低（均低于4000），强度极低，易分解，无实用性。直接聚合法的反应式为：
2.开环聚合法
开环聚合法是目前全球使用较多的生产方法。早在20世纪中叶，杜邦公司的科研人员就用开环聚合法获得了高分子量的聚乳酸。近年来，国外对聚乳酸合成的研究主要集中在丙交酯的开环聚合上。开环聚合多采用辛酸亚锡作引发剂，分子量可达上百万，机械强度高，聚合分两步进行：
第一步是乳酸经脱水环化制得丙交酯；
第二步是丙交酯经开环聚合制得聚丙交酯；
此法可通过改变引发剂的种类和浓度，将分子量控制在数十万至百万，机械强度高。
3.共聚法
PLA为疏水性物质，且降解周期难于控制，通过与其他单体共聚可改变材料的亲水疏水性、结晶性等。聚合物的降解速度可根据共聚物的分子量、共聚单体种类和配比等加以控制，具有特定结构（如二嵌段、多嵌段、星形结构等）的共聚物可把不同材料的结构特点结合起来，赋予特殊的性质，因此具有不同组成和特征结构的PLA共聚物的合成成为近年来的研究热点。如已有报道的聚D.L-乳酸与聚己内酯（PLA/PCL）共聚，聚D..L-乳酸与聚乙二醇（PLA/PEG）共聚，乙交酯与丙交酯共聚形成聚乙丙交酯（PGLA）等。Elisseeff、Kimura、Barrera等通过设计新环制备出与甘氨酸、赖氨酸的交替共聚物，这些材料是细胞培养及组织工程的良好载体。
三、应用
聚乳酸是一种具有良好生物降解性和生物相容性的合成高分子材料，与传统的性能稳定的高分子材料，例如塑料、橡胶等不同，聚乳酸材料在使用到一定时间后逐渐降解，并最终变成对人类、动植物和自然环境无害的水和二氧化碳。聚乳酸的应用主要表现在生态学和生物医学两个方面。
1.生态学应用
由于聚乳酸可以发生生物降解最终生成二氧化碳和水，不会对环境形成污染，因此在生态学具有重要的意义。聚乳酸是作为环境友好的完全生物降解性塑料取代广泛应用的生物稳定的通用塑料。聚乳酸塑料是热塑性塑料，具有与聚乙烯和低密度聚苯乙烯相似的性能。可以采用塑料的通用设备进行挤出、注射、拉伸、纺丝、吹塑等加工方法。通过双向拉伸成型的薄膜，其透光率超过90％，在100℃温度下，其外形尺寸不发生变化。聚乳酸塑料对人体无毒无害，最适合加工成一次性饭盒及各种食品、饮料的包装材料，也可用于休闲用品，如：钓鱼、野外旅行用具等。聚乳酸塑料还可用于生产仿棉纤维以及仿羊毛、仿丝绸纤维，也可与其它天然纤维混纺。这种聚乳酸纤维织物不仅抗皱性强，而且透气性好，穿着舒适。聚乳酸塑料在工农业生产领域应用广泛，由于聚乳酸塑料韧性好，故而适合加工成高附加值的薄膜。在使用几年后可自动降解，不会污染土壤和水源。因此越来越受到人们重视。聚乳酸还可用作纸代用品、纸张塑膜、包装薄膜、食品容器、生活垃圾袋、农药化肥缓释材料、化妆品的添加成分等。聚乳酸塑料还可用作林业、水产用材和土壤、沙漠绿化的保水材料。如美国阿尔贡国立实验室及Cargill公司已将PLA用于制造一次性食品包装袋，农用药膜等。
2.生物医学领域
人类对医用高分子材料的需求日益增大，特别是对用于人体内的高分子材料的要求愈见苛刻，不仅要求材料具有良好的物化性能，而且还要求与人体组织有良好的相容性，有相当的机械强度和耐久性，可经受各种消毒处理与良好的加工性能等。目前可用的医用高分子材料有聚四氟乙烯、硅油、硅橡胶等数十种，但是从生物医学的角度上看，这些材料还不算理想，在使用过程中多少都有些副作用，而聚乳酸则是应运而生的一种新型医用高分子材料。聚乳酸具有优良的生物相容性，无毒、可生物降解，降解产物乳酸可在生物体内参与代谢不会在重要器官聚集。同时，聚乳酸及其共聚物具有良好的物理、化学性能。其强度、机械性能、降解速率等可通过分子量控制、共聚体的组成及配比得以方便地调节。而且制成品的形状可成微球、纤维、膜到模塑成品等，因此可更广泛应用于医药及医用行业。
（1）医用缝合线
通过融熔纺丝和溶液纺丝，聚乳酸可制成纤维缝合线材料，这种缝合线具有一定的力学强度，既能满足缝合强度要求，又能随伤口愈合而被机体缓慢分解吸收，无须拆线，特别适合人体深部组织的伤口缝合。
（2）药物缓释载体
许多药物具有稳定性差、毒副作用大等特点，采用药物控释制剂可以有效地解决这个问题。聚乳酸作为药物控释制剂的可蚀性基材载体，可以有效地拓宽给药途径，通过减少给药次数和给药量，最大限度地减少药物对人体器官和组织特别是肝和肾的毒副作用。高分子量聚乳酸用作缓释药物制剂的载体可分成两种：一是使用PLA制作药物胶囊，可有效抑制吞噬细菌的作用，让药物定量持续释放以保持血药浓度相对平稳。另一种是作为囊膜材料用于药物酶制剂、生物制品微珠及微球的微型包覆膜，作为每一粒珠的微型包覆，更有效控制药物剂量的平稳释放。
（3）骨科内固定材料
骨折和骨缺损疾病是骨科临床上的常见病，临床治疗的内置物材料基本上是不锈钢和钛合金，但金属内置物材料存在许多缺点，生物降解高分子材料用作骨科内固定材料，一个明显的优点是避免了二次手术对患者产生的身体上的疼痛。
四、存在问题及展望
PLA作为生物降解性材料的重要地位已是不言而喻的，例如商品化了的均聚物及与乙醇酸的共聚物已获FDA批准，且被许许多多药物缓释研究者所采用。现在，所必须面对的两个挑战是：①材料的精细化，即根据具体需要调节其性能（亲水性能、化学可修饰性等），这些调节可以通过与功能侧基被保护了的其它单体共聚或大分子引发剂引发LA聚合或接枝于亲水主链等各种高分子化学方法来实现；②降低LA成本，当降低到一定程度后，PLA则能成为通用降解塑料的首选；③聚乳酸及其共聚物体系制品的强度需进一步提高。
生物高分子材料聚乳酸在农业和医药及医疗用品方面的开发与应用受到了国内外高度重视。目前在农业方面研制较多的产品有化肥、农药缓释控释剂、农用薄膜等；在医药和医疗方面研制较多的产品有药物缓释性包衣、微胶囊、植入片、手术缝合线、夹钳、接骨材料、骨和软组织缺损部位填充剂、不织布、人造皮肤、人造血管等。我国是农业大国，乳酸来源丰富，随着对生态环境保护的重视，聚乳酸一旦工业化，它在医用及降解塑料方面将会有难以估量的应用前景。
作者介绍：作者单位：山东聊城大学农学院，252000
作者：闫有旺
化学教学 2004年08期
聚乳酸（PLA）是最重要的乳酸衍生品，是以乳酸为单体经化学合成的一类高分子材料，无毒，无刺激性，具有优良的生物相容性，可生物分解吸收，强度高，可塑性加工成型。它易被自然界中的多种微生物或动植物体内的酶分解代谢，最终形成水和二氧化碳，不污染环境，因而被认为是最有前途的可生物降解的高分子材料。近十几年来，国内外对生物降解高分子材料研究的兴趣日益浓厚，涉及到工农业生产领域、医用领域等各个方面。早在上世纪三十年代，美国著名高分子化学家Carothers就曾对PLA做过报道，但在其后近四十年中，由于聚合物分子量低，机械性能差而无所作为。PLA的合成及应用研究始于上世纪50年代。70年代开始合成高分子量的具有旋光性的D或L型PLA，并用于药物制剂和外科等方面的研究，同时为克服PLA单靠分子量及分布来调节降解速度的局限，开始合成以PLA为主的各类共聚物。进入80年代以来，随着PLA及共聚物的应用领域特别是在生物医学工程领域的不断扩大，对其合成机理、不同结构及组成的共聚物的合成及应用研究日益深入，相继有相关综述报道。随着对PLA及其共聚物应用的不断扩大，其进一步的研制开发深受人们关注。
一、PLA的基本性质
合成PLA的单体是乳酸，在乳酸分子中含有一个羟基和一个羧基两个官能团，具有相当的反应活性，在适当条件下容易脱水缩合成聚乳酸。由于乳酸具有旋光性，生成的聚乳酸也具有旋光性，聚乳酸包括聚—D—乳酸（P-D-LA）、聚—L—乳酸（P-L-LA）和聚—（D、L）—乳酸，它们的基本性质见表。
内容P-D-LA
P-L-LAP（D，L）-LA
均可溶于二恶烷、乙腈、氯仿、二氯甲烷等，
溶解性
但P（D，L）-LA溶解性更好。不溶于脂肪
烃、乙醇、甲醇等
固体结构 结晶体结晶体非结晶体
熔点（℃） 180
180——
玻璃化温度 ——
56
50～60
（℃）分解温度
200
200 185～200
拉伸率
20-30％20-30％ ——
断裂强度g/d
4.0-5.05.0-6.0 ——
*水解性（37℃
生理食盐水中 4～6个月
4～6个月
2～3个月
的强度减半时
*因分子量、结晶程度等因素而异。
由表可以看出，P（D，L）-LA为非结晶性结构，降解快，强度耐久性差，因此可用三种聚乳酸的不同比例来调整材料的强度和降解周期，以适应不同的需求。
另外不同聚乳酸的强度随分子量的增大而提高。在分子量低于2500时，在生理食盐水中浸泡几周就会分解掉；当分子量在10万以上时，不易分解，可作为强度材料；当分子量达100万以上时，放置在空气中一年以上也无任何变化，其拉伸强度为聚乙烯的4倍，既可成膜又可纺丝。
二、制备
1.直接聚合法
直接聚合法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。早在20世纪30～40年代就已经开始研究，但是由于涉及反应中产生的水的脱除等关键技术还未能完全解决，聚合产物的分子量较低（均低于4000），强度极低，易分解，无实用性。直接聚合法的反应式为：
2.开环聚合法
开环聚合法是目前全球使用较多的生产方法。早在20世纪中叶，杜邦公司的科研人员就用开环聚合法获得了高分子量的聚乳酸。近年来，国外对聚乳酸合成的研究主要集中在丙交酯的开环聚合上。开环聚合多采用辛酸亚锡作引发剂，分子量可达上百万，机械强度高，聚合分两步进行：
第一步是乳酸经脱水环化制得丙交酯；
第二步是丙交酯经开环聚合制得聚丙交酯；
此法可通过改变引发剂的种类和浓度，将分子量控制在数十万至百万，机械强度高。
3.共聚法
PLA为疏水性物质，且降解周期难于控制，通过与其他单体共聚可改变材料的亲水疏水性、结晶性等。聚合物的降解速度可根据共聚物的分子量、共聚单体种类和配比等加以控制，具有特定结构（如二嵌段、多嵌段、星形结构等）的共聚物可把不同材料的结构特点结合起来，赋予特殊的性质，因此具有不同组成和特征结构的PLA共聚物的合成成为近年来的研究热点。如已有报道的聚D.L-乳酸与聚己内酯（PLA/PCL）共聚，聚D..L-乳酸与聚乙二醇（PLA/PEG）共聚，乙交酯与丙交酯共聚形成聚乙丙交酯（PGLA）等。Elisseeff、Kimura、Barrera等通过设计新环制备出与甘氨酸、赖氨酸的交替共聚物，这些材料是细胞培养及组织工程的良好载体。
三、应用
聚乳酸是一种具有良好生物降解性和生物相容性的合成高分子材料，与传统的性能稳定的高分子材料，例如塑料、橡胶等不同，聚乳酸材料在使用到一定时间后逐渐降解，并最终变成对人类、动植物和自然环境无害的水和二氧化碳。聚乳酸的应用主要表现在生态学和生物医学两个方面。
1.生态学应用
由于聚乳酸可以发生生物降解最终生成二氧化碳和水，不会对环境形成污染，因此在生态学具有重要的意义。聚乳酸是作为环境友好的完全生物降解性塑料取代广泛应用的生物稳定的通用塑料。聚乳酸塑料是热塑性塑料，具有与聚乙烯和低密度聚苯乙烯相似的性能。可以采用塑料的通用设备进行挤出、注射、拉伸、纺丝、吹塑等加工方法。通过双向拉伸成型的薄膜，其透光率超过90％，在100℃温度下，其外形尺寸不发生变化。聚乳酸塑料对人体无毒无害，最适合加工成一次性饭盒及各种食品、饮料的包装材料，也可用于休闲用品，如：钓鱼、野外旅行用具等。聚乳酸塑料还可用于生产仿棉纤维以及仿羊毛、仿丝绸纤维，也可与其它天然纤维混纺。这种聚乳酸纤维织物不仅抗皱性强，而且透气性好，穿着舒适。聚乳酸塑料在工农业生产领域应用广泛，由于聚乳酸塑料韧性好，故而适合加工成高附加值的薄膜。在使用几年后可自动降解，不会污染土壤和水源。因此越来越受到人们重视。聚乳酸还可用作纸代用品、纸张塑膜、包装薄膜、食品容器、生活垃圾袋、农药化肥缓释材料、化妆品的添加成分等。聚乳酸塑料还可用作林业、水产用材和土壤、沙漠绿化的保水材料。如美国阿尔贡国立实验室及Cargill公司已将PLA用于制造一次性食品包装袋，农用药膜等。
2.生物医学领域
人类对医用高分子材料的需求日益增大，特别是对用于人体内的高分子材料的要求愈见苛刻，不仅要求材料具有良好的物化性能，而且还要求与人体组织有良好的相容性，有相当的机械强度和耐久性，可经受各种消毒处理与良好的加工性能等。目前可用的医用高分子材料有聚四氟乙烯、硅油、硅橡胶等数十种，但是从生物医学的角度上看，这些材料还不算理想，在使用过程中多少都有些副作用，而聚乳酸则是应运而生的一种新型医用高分子材料。聚乳酸具有优良的生物相容性，无毒、可生物降解，降解产物乳酸可在生物体内参与代谢不会在重要器官聚集。同时，聚乳酸及其共聚物具有良好的物理、化学性能。其强度、机械性能、降解速率等可通过分子量控制、共聚体的组成及配比得以方便地调节。而且制成品的形状可成微球、纤维、膜到模塑成品等，因此可更广泛应用于医药及医用行业。
（1）医用缝合线
通过融熔纺丝和溶液纺丝，聚乳酸可制成纤维缝合线材料，这种缝合线具有一定的力学强度，既能满足缝合强度要求，又能随伤口愈合而被机体缓慢分解吸收，无须拆线，特别适合人体深部组织的伤口缝合。
（2）药物缓释载体
许多药物具有稳定性差、毒副作用大等特点，采用药物控释制剂可以有效地解决这个问题。聚乳酸作为药物控释制剂的可蚀性基材载体，可以有效地拓宽给药途径，通过减少给药次数和给药量，最大限度地减少药物对人体器官和组织特别是肝和肾的毒副作用。高分子量聚乳酸用作缓释药物制剂的载体可分成两种：一是使用PLA制作药物胶囊，可有效抑制吞噬细菌的作用，让药物定量持续释放以保持血药浓度相对平稳。另一种是作为囊膜材料用于药物酶制剂、生物制品微珠及微球的微型包覆膜，作为每一粒珠的微型包覆，更有效控制药物剂量的平稳释放。
（3）骨科内固定材料
骨折和骨缺损疾病是骨科临床上的常见病，临床治疗的内置物材料基本上是不锈钢和钛合金，但金属内置物材料存在许多缺点，生物降解高分子材料用作骨科内固定材料，一个明显的优点是避免了二次手术对患者产生的身体上的疼痛。
四、存在问题及展望
PLA作为生物降解性材料的重要地位已是不言而喻的，例如商品化了的均聚物及与乙醇酸的共聚物已获FDA批准，且被许许多多药物缓释研究者所采用。现在，所必须面对的两个挑战是：①材料的精细化，即根据具体需要调节其性能（亲水性能、化学可修饰性等），这些调节可以通过与功能侧基被保护了的其它单体共聚或大分子引发剂引发LA聚合或接枝于亲水主链等各种高分子化学方法来实现；②降低LA成本，当降低到一定程度后，PLA则能成为通用降解塑料的首选；③聚乳酸及其共聚物体系制品的强度需进一步提高。
生物高分子材料聚乳酸在农业和医药及医疗用品方面的开发与应用受到了国内外高度重视。目前在农业方面研制较多的产品有化肥、农药缓释控释剂、农用薄膜等；在医药和医疗方面研制较多的产品有药物缓释性包衣、微胶囊、植入片、手术缝合线、夹钳、接骨材料、骨和软组织缺损部位填充剂、不织布、人造皮肤、人造血管等。我国是农业大国，乳酸来源丰富，随着对生态环境保护的重视，聚乳酸一旦工业化，它在医用及降解塑料方面将会有难以估量的应用前景。
作者介绍：作者单位：山东聊城大学农学院，252000