生物可降解材料--聚乳酸
1.聚乳酸简介
聚乳酸，英文为Polylactic Acid，简称PLA。上世纪四五十年代，国外就开始对聚乳酸的合成进行研究，那时，对于聚乳酸的研究重点，放在了其作为结构材料的应用上，因其不适合作为结构材料，使得其没有得到人们的重视，直至1966年Kulkarni首次报道聚乳酸用于外科手术中的可降解移植物，1973年Yolles发现它可作为缓释药物的包囊材料之后，人们发现的聚乳酸良好的生物相容性，使得聚乳酸开始被人们重视起来。之后，人们又发现了其良好的加工性能和可降解性能，1994年，日本岛津制作所开始工业化生产聚乳酸薄膜和纤维，正式用于包装材料领域，解决白色污染又多了一条重要道路。
聚乳酸使用可再生的植物资源（如玉米）所提出的淀粉原料制成。淀粉原料经由糖化得到葡萄糖，再由葡萄糖及一定的菌种发酵制成高纯度的乳酸，再通过化学合成方法合成一定分子量的聚乳酸。其原料丰富，来源广泛且可循环利用，使得其成为可降解材料的研究热点之一。
2.聚乳酸性能特点
2.1生物降解性
聚乳酸降解机理如图所示，微生物分泌出相应的解聚酶，受明胶、丝心蛋白、弹性蛋白、缩氨酸、氨基酸等诱导物的刺激，加速聚乳酸的降解。解聚酶通过表面腐蚀，选择性地进入聚乳酸的无定形区，使得聚乳酸被逐步降解，最后，再使得聚乳酸的结晶区被降解。解聚酶先是使得聚乳酸分子的酯键断裂，产生低聚体和单体。得到的降解产物分子量很小，可以通过细菌细胞膜，通过细菌的呼吸作用，被吸收利用，最终分解成二氧化碳和水。通过植物的光合作用又成为生产聚乳酸的原料--淀粉，从而实现了聚乳酸的循环利用。
聚乳酸降解机理
2.2生物相容性
聚乳酸具有良好的生物相容性，因此其被广泛应用于临床医学，其进入人体后，在解聚酶的作用下，水解为乳酸，进入三羧酸循环即细胞的呼吸作用，最终以二氧化碳和水的形式排出体外，不会造成乳酸大量积累于人体中。此外，聚乳酸不会引起免疫排斥反应，与生命组织系统相容，且能够在其作用部位促进细胞-生物材料的相互作用，使得其在医学应用领域备受青睐。
2.3物理性能
聚乳酸为热塑性高分子材料，可塑性和加工性能好，具有良好的弹性和柔韧性以及较高的熔点（175℃）等，可以进行挤出、拉伸和吹塑等工艺加工成型，在包装材料领域应用前景广阔。
2.4吸湿性
聚乳酸纤维的亲水基团数目介于棉纤维和聚酯(PET)纤维之间，吸湿性良好。此外，聚乳酸的酯键与水分子以氢键的形式连接，使得水分子可以快速转移，从而使得其导湿性良好。综合其良好的吸湿性和导湿性，由聚乳酸纤维制得的织物具有良好的导湿快干性。
3.聚乳酸合成方法
3.1直接聚合法
利用乳酸的活性，在脱水剂的作用下，通过加热使乳酸分子中的羟基和羧基受热脱水，直接缩聚合成低聚物，再加入催化剂继续升温，使低相对分子质量的聚乳酸聚合成更高相对分子质量的聚乳酸。
直接聚合法机理
3.2丙交酯开环聚合法
丙交酯开环聚合制备聚乳酸大多采用两步法合成: 将乳酸作为原料，在催化剂的作用下制成丙交酯(环状二聚体)，再在催化剂的作用下聚合制成聚乳酸及共聚物。
开环聚合所用的催化剂不同，聚合机理也不同，目前主要有阳离子聚合、阴离子聚合和配位聚合。但阴离子型开环聚合副反应不易消除,不易得到高相对分子质量的聚合物,而能引发阳离子聚合的引发剂不多,所以配位开环聚合一直是人们关注的焦点。
丙交酯开环聚合机理
4.聚乳酸应用
4.1服装材料
运动服对面料的舒适性要求较高，必须满足吸湿快干和轻薄的要求。聚乳酸纤维导湿快干性较好。此外，有利于皮肤要求的PH范围为4.5-6.5的弱酸性和亲肤性，适合开发运动服面料。但是纯聚乳酸的吸湿性无法满足运动面料吸湿快干的要求。为解决这一问题，工艺上将聚乳酸纤维与其他纤维混纺，不仅改善了其吸湿快干性，还改善了其耐磨性等性能。
聚乳酸还能通过混纺制得类似于丝绸的织物，不仅耐用、抗皱性良好，还有丝绸的良好手感，是女装和礼服的理想面料。
因为聚乳酸在服装领域的应用，取代了传统的涤纶等服装材料，有利于缓解废弃衣物的污染。
4.2医用材料
聚乳酸具有良好的生物相容性，被广泛应用于医用缝合线、骨折固定、癌症治疗、计划生育、药物递送体系、器官修补和组织工程等医用材料方面。
作为药物传输载体，聚乳酸的疏水性增强了单核吞噬细胞系统摄取载药纳米颗粒的作用，导致体内循环停留时间缩短，造成药物效率降低。实现体内长循环的有效方法是通过聚乳酸与PEG等形成两亲性嵌段共聚物，在水中自组装形成核/壳结构的纳米胶束。
临床上，骨科植入物导致的延迟炎症反应会在愈合伤口周围出现疼痛、红斑和肿胀等症状。该反应与植入物的降解塑料有关。例如：聚乙交酯植入后12周可观察到炎症反应，然而聚乳酸的降解速率要慢得多，会在手术植入两到三年后才会出现反应。由此可见，聚乳酸在进入人体后仍会引起一定的不良反应。目前，主要通过对聚乳酸改性，制备复合材料来克服其在骨科应用时产生的不良生物医学反应。将羟基磷灰石、β-磷酸三钙和珍珠层等与聚乳酸复合，中和聚乳酸降解的酸性微环境，提高材料的骨诱导性和骨传导性，达到减少非炎症反应的目的，并辅以血小板衍生生长因子等生物活性因子构建骨修复材料。
4.3包装材料
随着聚乙烯等不可降解塑料在现代社会中的大量使用，白色污染愈发严重。因此聚乳酸等可降解塑料成为了当下解决白色污染的研究热点之一。
聚乳酸薄膜透气性能良好，大部分气体与水蒸气均可透过。此外，其对油的阻隔性较高，使得聚乳酸在包装材料领域备受青睐。目前，聚乳酸在国内被广泛应用于食品包装薄膜、包装袋、包装盒和餐具等。国外也开发出多种以聚乳酸为原料的绿色包装材料。
5.结语与展望
自20世纪塑料被发明以来，其被广泛应用于各个领域，大多数的塑料均为不可降解塑料，会造成严重的白色污染。随着社会的进步和人们环保意识的提高，可降解塑料替代传统塑料已经成为了必然。但其3-5万元/吨的价格相比聚乙烯等传统不可降解塑料相比，仍然较高。此外，纯聚乳酸的性能在实际应用中仍不尽人意，例如：其耐热性差，限制其应用于热饮吸管等对耐热性能要求较高的包装材料中。因此，对聚乳酸的改性研究成为了当今的研究热点之一。例如：加入植物纤维进行共混改性，可使得其耐热性、力学性能、吸湿性等性能得到提升，还能降低其成本。
随着国家限塑令、禁塑令的实施和对聚乳酸产业的政策支持，以及研究人员对聚乳酸工艺改进、降低成本和提高性能的研究不断深入，聚乳酸有望逐步替代传统的不可降解塑料，在保证人类社会发展的同时，解决白色污染，实现可持续发展。
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编辑：张耀威
校对：张诺金、吴杨、赵文韬、王锦雅