聚乳酸的合成方法及应用
1.聚乳酸的基本性能
聚乳酸的制备是以乳酸为原料。乳酸分子是一种最简单的手性分子, 有两种光学异构体: L 型,D 型。由石油化学途径生产的乳酸为外消旋的, 目前日本的Musashino 是外消旋乳酸的主要生产商; 发酵法制得的乳酸主要为L 型的。由乳酸在适当条件下脱水缩合得到的聚乳酸也存在聚2D2乳酸(P2D2LA) 、聚2L2乳酸( P2L2LA) 和聚(D , L) 2乳酸等几种, 其基本性质如表1 。
表1 PLA 的基本性能
性能 P-D-LA P-L-LA P(D ,L)-LA
溶解性 均可溶于二烷、乙腈、氯仿、二氯甲烷等, 但P - (D , L) - LA
溶解性更好,均不溶于脂肪烃、乙醇、甲醇等。
固体结构 结晶性 半结晶性 无定形 熔点/ ℃ 180 170～180 — 玻璃化温度/ ℃ — 56 50～60 热分解温度/ ℃ 200 200 185～200 拉伸率/ % 20～30 20～30 — 断裂强度/ (g/ d) 410～510 510～610 — 水解性( 37 生理食盐
水中的强度减半时间) 4～6 个月 4～6 个月 2～3 个月
同别的聚合物一样, 聚乳酸的性能强烈依赖于热历史、分子量和分子量分布以及纯度等, 因制备的方法不同, 要严格控制这些参数是困难的, 这就是不同文献中存在性能参数矛盾的原因。聚乳酸的一个重要特性就是可降解性, 其根本原因是聚合物链上酯键的水解 。研究表明,PLA 的端羧基对其水解起自催化作用。对半结晶性的PLLA , 其降解过程分两步。第一步水迅速渗透进无定形区引发水解, 在这一步大部分机械性能会损失; 第二步结晶区水解。对于无定形的P (D ,L) LA , 只发生第一步水解。水解速率不仅与聚合物的化学结构、分子量及分子量分布、形态结构和尺寸有关, 而且依赖于水解环境 。聚乳酸类聚合物是热力学不稳定的, 在高温下其分子量会发生显著降低( 如通过酯交换反应) 。通过纯化(溶解—沉淀, 抽提) 和封端羟基都可以提高其热力学稳定性。 2.聚乳酸的合成 2.1 直接缩聚
乳酸的直接缩合是制备聚乳酸的简单方法。利用乳酸的活性，通过加热，乳酸分子间发生脱水缩合反应，可直接合成相对分子质量较高的聚乳酸。
直接缩聚法在体系中存在着游离酸、水、聚醋及丙交酷的平衡，反应副产物在粘性熔融物中难以去除，很难保证反应向正反应方向进行，故一般不易得到高分子质量的聚合物。因此虽然早在上个世纪三、四十年代就已开始直缩法制备聚乳酸的研究，但直到70年代，其工艺虽经改进，仍只能得到分子质量小于50(X〕、分子质量分布约2.0的低聚物;且产品性能差;易分解，没有什么实用价值。另一个重要原因是原料乳酸中的杂质阻止了高分子链的扩链。后来okada采用分2次加人氯化亚锡和焦磷酸的方法，单步合成了分子质量为10300
的聚乳酸。日本昭和高分子公司[s]将乳酸置于惰性气体保护下，慢慢加热升温并慢慢减压，使乳酸直接脱水缩合，最后使反应物在220℃-260℃，1333Pa低压下进一步缩聚，可得分子质量4000以上的聚乳酸。但此法反应时间长，产物在高温下会老化分解。Ajiok。等[6]开发了以连续共沸除水法直接聚合乳酸的工艺，聚合物分子质量高达30万，使日本MitsulToatsu化学公司实现了聚乳酸的商品化生产。GuPta等曾尝试用苯和环己烷回流脱水，从乳酸直接缩聚制聚乳酸，所得产物相对分子质量6340。otera等采用1，3一Disubstitutedtetrabutyldistannoix-ane有效地催化了乳酸的直接缩合，聚合物分子质量达78000。
国内赵耀明等以联苯醚为溶剂，通过溶液直接聚合制得了粘均分子质量为4万的聚合物。他们还又通过熔融直接聚合法制得了粘均分子质量为10100的聚乳酸。刘文明等用稀土氧化物Y203，直接法催化合成聚乳酸，合成产物的粘均分子质量为8570。唐颂超等通过溶液共沸法直接合成较高分子质量的聚乳酸，重均分子质量为6.6万。直接聚合法虽然工艺简单、化学原料及试剂用量少，但聚合物分子质量仍偏低;必须进一步提高其分子质量，才能使其具有更加广泛的用途。基于此，人们提出两个改进方法，第一个方法是熔融一固相缩聚法，以乳酸单体为原料，通过熔融聚合法直接合成聚乳酸，然后引人固相聚合工艺，使低聚乳酸间的端基进一步反应使其扩链，从而大大提高了分子质量;第二个方法是扩链法，以乳酸单体为原料，直接缩合聚合合成的聚乳酸在氮气保护下加热至熔融加人异氰酸醋，反应数小时，分子质量可提高3一4倍。 2.2 丙交酯开环聚合
目前聚乳酸及其共聚物的制备一般采用开环聚合法,即先由乳酸合成丙交酯(LA), LA再开环聚合制备PLA及其共聚物,其途径为:
由于此法可通过改变催化剂的种类和浓度使所得PLA分子质量可高达70万到100万，机械强度高，适于用作医用材料。迄今为止，人们提出了三种丙交醋开环聚合机理:阳离子开环聚合法、阴离子开环聚合法、配位插人开环聚合法、酶催化开环聚合法。虽然聚合反应催化剂已开发了许多，但聚合反应机理还没彻底搞清。其中配位插人型开环聚合研究最深，应用最广。根据催化活性中心不同，催化剂主要为过渡金属的有机化合物和氧化物。有机铝化合物催化剂是其中研究得较多的催化剂，如从Al(oEt)3、口卜琳铝化合物等;此类催化剂对内醋的开环聚合显示活性聚合特征，聚合物在低分子质量范围内（<10000)分子质量分布比较窄，但随着聚合物分子质量的增加，易发生醋交换等副反应，分子质量分布逐步变宽;因而难以制备高分子质量聚合物。
锡盐类催化剂，如辛酸亚锡、Bu3snoMe、辛酸亚锡与苯乙醇共引发剂等。由于辛酸亚锡
(Sn(Oct):)无毒;且已通过FDA检验，被认为是丙交醋开环聚合应用最广、效率较高的催化剂之一，不仅活性高，而且催化剂用量少，可制得高分子质量聚乳酸，缺点是只能进行高温本体聚合，且分子质量最高时其转化率只有50%，若要提高转化率，必须以降低分子质量为代价。
稀土化合物催化剂是近年来研究最为活跃的催化体系。这些催化剂具有活性高、反应速度快等特点，同样可以制得高分子质量的聚乳酸，但是其制备及纯化较困难。我国的邓先模、熊成东、冯新德、沈之荃等学者在聚乳酸及其共聚物合成的催化体系方面进行了大量的研究工作，并且在温和的反应条件下，合成得到了超高分子质量(重均分子质量>100万)的聚乳酸。这类催化剂是由于稀土金属元素具有较强的络合能力，因而引发内醋的开环聚合反应一般属于配位催化开环聚合。
目前研究最多的是按非离子插入机制引发内酯配位开环聚合的催化剂体系,例如有机铝催化剂。Teyysie等研究了金属铝与不同配位体形成的配位化合物如Al (Qi-Pr)3, Et2Al (Oi-Pr)等对内酯的开环聚合[32,33],用带官能基(如烯基等)的有机铝催化剂引发LA开环聚合得到PLA远螯聚合物[34],进而可制备接枝、星形等结构的共聚物。邓先模、熊成东等利用异丁基铝复合催化剂,如(i-Bu)3Al-H3PO4-H2O等引发LA开环聚合得到超高分子量PLA (Mn>100万)。有机铝催化剂引发LA开环聚合机理如下(以烷氧基铝为例):
近年来对稀土化合物催化剂的研究非常活跃,其反应机理与烷氧基铝相似,但反应速度高得多。沈之荃等研究表明, Nd(Oi-Pr)3、NdCl3-环氧丙烷等是引发内酯开环聚合的高效催化剂。而邓先模等对多种稀土化合物引发内酯开环聚合研究表明,这些催化剂具有活性高、反应速度快等特点,能用于制备高分子量聚合物。
2.3 反应挤出聚合法
聚乳酸及其共聚物类可生物降解材料目前存在的最大问题之一就是价格相当高。对于分子质量超过100000的聚乳酸通常由价格很贵的丙交醋开环聚合制得。为开发实用且经济的高分子质量聚乳酸的制造技术，Denise Carlson等研究了聚乳酸在自由基引发剂存在下、在双螺杆挤出机上的熔融挤出过程，发现大分子链之间会发生交联、接枝，从而可以得到较高分子质量的聚乳酸。国内靖波等先采用熔融缩聚法合成一定相对分子质量的聚乳酸，然后通过双螺杆反应挤出机与聚己内醋多元醇(PCL)的聚氨醋预聚体进行熔体扩链，制备出较高
相对分子质量的PLA一PCL共聚物。
该方法可以连续生产，大大减少了反应时间且不需要使用任何溶剂，因此是生产这类共聚物很有前途的一种方法。
2.4 直接一固相聚合法
固相聚合方法是在聚合温度低于预聚物的熔点而高于其玻璃化转变温度下进行聚合的一种方法，目前多用于进一步提高PET、PA6、PA66等聚合物的分子质的固相聚合。因为固相聚合温度低，可明显降低因热而引起的聚乳酸降解副反应的产生。宇恒星等先用直接熔融聚合法制得粘均分子质量为8000的聚乳酸预聚体，在辛酸亚锡催化剂下预聚体进一步发生固相聚合，制得粘均分子质量为3万的聚乳酸。量，用于聚乳酸的聚合研究报道较少，而且限于丙交醋
2.5 微波辐射熔融缩聚法
目前，化学研究中通常采用2450MHz的微波进行。这是因为有机化合物中基团的旋转振动频率与此频率接近．所以微波辐射可以有选择的活化某些基团，促进化学反应。将它应用到聚合反应中，给聚合反应研究提供了新的思维方法。此方法即将微波辐射加热法引入到熔融缩聚合成聚乳酸的工艺中，反应式如下：
由于微波辐射加热的机理使得分子在微波场中的偶极距不为零，产生偶极震动，从分子内部加热，加速了分子对热的吸收，很快达到反应所需要的温度，大大提高了反应速率。并且污染少。后续处理简单。王鹏等采用微波辐射熔融缩聚法合成聚乳酸，其分子量达到5万，反应时间仅为40min．而用传统加热法合成分子量为5万的聚乳酸，则需要8小时。匈牙利学者Keki对微波辐射D，L-乳酸直接缩聚进行了初步探索，经650W微波辐射30min得到分子量为2000g/mol的聚乳酸。尽管微波辐射合成聚乳酸的技术刚起步，但已经显示出明显的优 势和良好的发展前景，不失为降低聚乳酸成本．实现清洁生产的一条捷径。该方法操作简单，且无废液产生，有望成为环境友好材料聚乳酸规模化生产的清洁工艺。 3.聚乳酸的应用
3.1 在生物医学上的应用
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来看,这些材料还不算理想,在使用过程中多少有些副作用,而聚乳酸是应运而生的一种新型医用高分子材料。脂肪族聚酯用于组织固定(如骨螺丝钉,固定板和栓) 、药物传送体系(如扩散控制) 、伤口包扎(如人造皮肤) 以及伤口闭合(如应用缝合线、外科用品) 。由聚乳酸和DL2乳酸与乙醇酸的共聚物制成的骨头螺丝钉、骨头固定板和生物器官钉已被应用,并可能在不远的将来替代金属移植物。这些生物可再吸收产物比金属移植物具几点优势: (1) 无应力屏蔽作用; (2) 无须在手术后移除; (3) 无金属腐蚀产物 。 3.1.1 药物控制释放体系
可生物降解聚合物微球是继脂质体、乳剂、天然高分子微囊后的另一种新型药物载体 。
