何曉莉，龔芮，楊秀英，唐娜，李正秋，張曉

(1.西華大學材料科學與工程學院，成都 610039； 2.成都市新津事豐醫(yī)療器械有限公司，成都 611438)

聚乳酸(PLA)是一種具有高強度、高模量、良好的成型加工性的速明環(huán)境友好生物材料，在各個領域有著巨大的使用價值[1]。PLA又叫聚丙交酯，是聚酯類聚合物，由多個乳酸單體分子聚合而成，因為乳酸分子中碳原子不對稱，含有旋光性，因此PLA可分為右旋聚乳酸(PDLA)、左旋聚乳酸(PLLA)、外消旋聚乳酸(PDLLA)。因為結(jié)晶度能在很大程度上影響PLA的物理性能、力學性能以及降解性能，在上述三類中，PLLA和PDLA是等規(guī)立構(gòu)的半結(jié)晶聚合物，具有較高的拉伸強度，但斷裂伸長率低、沖擊韌性差、降解吸收速度慢；間規(guī)立構(gòu)的PDLLA通常呈無定形態(tài)，其拉伸強度略低于前兩者，但降解速度快。因此PLA材料的降解問題成為學科界的一項重大關注。

PLA的降解機制主要有4種：體內(nèi)降解、紫外降解、熱降解、微生物降解。根據(jù)PLA不同的初始分子質(zhì)量、形態(tài)和結(jié)晶度等參考因素，其降解周期跨度也從幾周到兩三年不等。因此如何通過研究降解機理和影響因素，調(diào)節(jié)改性方法來控制其降解速率是值得重點關注及研究的。

1 體內(nèi)降解

1.1 PLA在生物醫(yī)用方面的應用

隨著現(xiàn)代醫(yī)學的發(fā)展，由于PLA材料良好力學及物理性能、優(yōu)異生物相容性和可降解性，使得PLA基材料在藥物載體、骨固定、生物支架等領域里產(chǎn)生了重要的應用意義[2]。

PLA材料因其特性，在科研界掀起了研究浪潮，尤其在生物醫(yī)用領域，包括傷口的縫合、藥物緩釋載體和組織工程支架和修復與再生的應用等[3]。比如，利用m-MgO顆粒或者晶須改性復合于PLA基體材料[4]，用于骨折內(nèi)固定領域。PLA可降解支架可用于治療復雜性食管良性狹窄[5]，當完全在人體管腔內(nèi)發(fā)揮作用后，可在人體內(nèi)直接降解直至消失。一種新型的可注射的單甲氧基聚乙二醇-PLA (MPEG-PLA)水凝膠[6]是無毒、有效、容易且可在體內(nèi)降解的高分子材料，可以用于腹腔粘連的預防。研究PLA高分子材料體內(nèi)降解的機理和其影響因素，對其在醫(yī)用材料領域的研發(fā)和可行性應用有重要意義。

1.2 機理

根據(jù)文獻報道，聚合物材料在生物體內(nèi)的降解可由酶或其它化學因素的單獨或復合作用所導致的化學鍵斷裂而引起[7]。PLA在水的作用下，分解為乳酸小分子，乳酸分子在氧化型輔酶I(NAD+)的作用下降解為丙酮酸酯和H+，此時在先后受到酶和檸檬酸鈉鹽的作用后，體系釋放出大量能量，形成H2O和CO2小分子。還原型輔酶I(NADH)產(chǎn)生于糖酵解和細胞呼吸的檸檬酸循環(huán)，檸檬酸鈉水溶液具有微堿性，而堿性的溶液對于PLA降解更有利，并且檸檬酸鈉無毒且具有生物降解性。PLA在生物體環(huán)境中的降解過程見圖1。

圖1 PLA體內(nèi)降解機理

對于PLA這種聚酯類聚合物，酯鍵斷裂而引起降解。首先，PLA基材料在人體內(nèi)或者水性介質(zhì)中，由于受到水的作用，材料吸水，細胞增大，導致物理機械性破壞，接著由于酯鍵開始斷裂，使分子鏈開始斷裂，生成許多分子碎片，分子碎片被生物攝入利用，經(jīng)過新陳代謝，有的小碎片從生物體脫落被巨噬細胞吞噬或因溶解作用而除去。

在最開始的降解階段，受結(jié)晶的影響，PLA在非晶區(qū)發(fā)生無規(guī)的自加速降解，隨著降解程度的加深，端羧基的濃度增加，進一步加速降解；一些齊聚物分子因能溶于水而從聚合物表面脫落下來；伴隨著降解時間的延長，材料表面的齊聚物脫落，內(nèi)部的齊聚物仍留在原處，導致表面的酸性比內(nèi)部小得多，因此導致內(nèi)部降解更快更完全，下是由于這種內(nèi)外羧基濃度的差異，形成了一種中空結(jié)構(gòu)，即當內(nèi)部材料完全變成齊聚物并溶于水性介質(zhì)中，表面還沒有完全降解。

2 紫外降解

2.1 PLA在農(nóng)業(yè)地膜的應用

傳統(tǒng)農(nóng)用塑料薄膜是由聚丙烯(PP)制得，由于PP具有不可降解性，會嚴重污染環(huán)境，用PLA塑料替代可以減少對環(huán)境的污染[8]。由于PLA的優(yōu)異降解性，使得PLA農(nóng)業(yè)地膜被廣泛應用，但下因為其不易控制的降解性，當?shù)啬ぴ谔柟庹盏谋裣?，受到紫外線的影響，紫外線的高能量使其發(fā)生降解，逐漸老化，性能下降，使用期限縮短，目前已有一些改善措施，例如通過與聚對苯二甲酸-己二酸丁二酯(PBAT)[9]共混，與巴斯夫Ecoflex生物可降解聚酯共混[10]，有機胍催化縮聚合成聚L-乳酸技術(shù)[11]等方法提高其目標性能。為了使PLA地膜更適用于農(nóng)業(yè)領域，有必要進一步提高PLA的抗紫外降解能力。

2.2 機理

根據(jù)光波波長的長短，PLA會發(fā)生不同的降解反應，從而造成不同的降解速率和降解機理[12]。在較短波長的光照下，PLA的降解主要是Norrish I或Norrish II反應，但當PLA處于波長大于300 nm的光照下時，PLA就會發(fā)生降解反應。在紫外光的照射下或通過熱分解，雜質(zhì)會形成能與PLA進行反應的自由基，該種自由基會奪走PLA的H原子，使PLA生成自由基并進一步反應生成過氧化自由基，而過氧化基又會繼續(xù)奪取PLA中的H原子，發(fā)生鏈傳遞反應，由于過氧化氫物極不穩(wěn)定，易分解形成羥基和烷氧基，烷氧基是光氧降解的中間體，經(jīng)過幾種不同方式的斷裂分解，形成小分子化合物，從而達到降解的結(jié)果[12–15]。

3 熱降解

3.1 PLA在食品包裝領域的應用

PLA不僅在國內(nèi)的食品包裝領域大放光彩，在其它國家也已開發(fā)出各式各樣的PLA綠色包裝材料。例如美國的College Farm 牌糖果公司采用PLA包裝薄膜；另一家美國研究所以制乳酪后的廢棄土豆作原料制得PLA來用作保鮮袋代替原有的聚乙烯和防水蠟的包裝材料。

如此的例子數(shù)不勝數(shù)，可見PLA在食品包裝領域的使用價值。PLA擁有良好的結(jié)晶速明性，扭結(jié)保持性，可印刷性等良好的性能，但若想在食品包裝領域發(fā)揮其更大的效益，還需要優(yōu)化其性能。PLA在食品包裝領域主要面臨的是熱降解問題。

3.2 水熱降解機理

由于PLA是一種線性脂肪族聚酯，其主鏈中含有酯基，易發(fā)生水解反應，在水分子和熱能的作用下，酯基斷裂，導致PLA大分子鏈斷裂生成較低分子量的聚合物碎片。如圖2所示，同時水解過程中會產(chǎn)生催化水解反應的進行的含羧基的聚合物，從而形成自催化體系[16]，進而提高PLA的水解速率，加快其降解。

圖2 PLA水解機理

3.3 熱氧降解機理

PLA熱氧降解反應是在熱和氧的作用下，PLA材料發(fā)生了自由基反應和非自由基反應，通過這些變化過程，導致PLA降解，性能下降。其中非自由基反應包括酯交換、順式消除和斷裂等反應。酯交換反應既可發(fā)生在分子間又可發(fā)生在分子內(nèi)：分子內(nèi)酯交換反應的最終結(jié)果是PLA的分子量降低和分子量分布變寬，其原因是PLA在熱的作用下分子鏈內(nèi)發(fā)生反應會生成分子量較低的聚合物；而分子間酯交換反應的最終結(jié)果是PLA分子量分布變化，是由于不同PLA分子鏈中的酯基發(fā)生斷裂并交換了自由基導致的，兩種反應的機理如圖3所示。根據(jù)研究顯示，PLA的熱降解主反應是分子內(nèi)酯交換反應?；诜肿渔溎┒肆u基的分子內(nèi)酯交換反應稱之為開鏈解聚反應，該反應產(chǎn)物有丙交酯、環(huán)狀低分子量聚合物、乙醛或一氧化碳等[17]。斷鏈反應是由于PLA吸收熱能導致大分子鏈發(fā)生隨機斷裂，最后得到低分子量的化合物。順式消除反應是會生成丙烯酸和丙烯酸低聚物的PLA降解反應，對溫度的要求較高，需要環(huán)境溫度大于250℃才得以進行，并不是PLA熱降解的主要反應[18]。

圖3 PLA的酯交換反應機理

4 微生物降解

4.1 PLA基材料的綜合應用

在農(nóng)業(yè)領域，PLA主要是作為生產(chǎn)農(nóng)業(yè)地膜等產(chǎn)品的原料，當PLA地膜廢棄后，可以很快被土壤中的微生物分解，阻止或減少薄膜對植物根底的危害，且降解產(chǎn)生的能量和小分子可以促進植物生長；在包裝領域，PLA由于無毒無害可降解，可用作食物、飲料的包裝材料，目前市面上大量聚丙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯等不可降解的通用塑料，廢棄后對環(huán)境造成危害，PLA作為綠色可降解材料可代替這些材料；另外，由于PLA的各種特性，PLA基材料采用3D打印的手段在生物醫(yī)用材料、航空航天和工程應用等領域里扮演著不可忽視的角色。

4.2 機理

PLA的生物降解，是指在一定的時間和一定的溫度、濕度條件下，被微生物(包括細菌、真菌、藻類)以及其分泌物酶促作用或其他化學因素作用下降解成H2O和CO2等無機小分子的過程，酶促降解比水解降解更快[19]。微生物降解機理如圖4所示。

圖4 微生物降解機理圖

在37℃和pH值為8.6的條件下，K-蛋白酶對PLLA的降解效果較PDLA的降解效果更明顯[19]；K-蛋白酶和胰蛋白酶、枯草桿菌蛋白酶等絲氨酸類蛋白質(zhì)可降解PLLA和PDLLA，但它們無法降解PDLA。

對于PLA微生物降解機制有兩種解釋：第一種解釋是，作為酯類聚合物，PLA酯基破壞，發(fā)生斷鏈反應，得到較低分子量的PLA，這些低分子量的PLA在酶的作用下，降解生成H2O和CO2；第二種解釋是，當PLA會在其相對分子質(zhì)量下降到一定值后變脆，當?shù)陀?萬g/mol時，得到大小形狀存在差異的分子碎片，再由微生物代謝作用代謝為H2O和CO2釋放[20]?？傊?，在酶的作用下，PLA解聚形成乳酸，通過微生物的呼吸、尿液和糞便以無機小分子形式排出體外。

5 影響降解行為的因素

一般來說，PLA的降解都是通過酯鍵斷裂引起的。影響PLA降解的因素主要包括PLA的結(jié)構(gòu)因素和外界的環(huán)境狀況。

5.1 分子結(jié)構(gòu)因素

(1)相對分子質(zhì)量。

相對分子質(zhì)量作為影響PLA水解降解的關鍵因素之一，二者一般呈反比關系。相同質(zhì)量的PLA溶液，相對分子質(zhì)量越高，流動性越差，即分子運動能力越弱，且相對分子質(zhì)量越高，端基濃度越低，發(fā)生水解的幾率越低，產(chǎn)生的自催化效應越小，導致PLA水解較慢[21]。

(2)結(jié)晶度。

聚合物降解速率快慢與結(jié)晶度大小呈反比關系，但結(jié)晶度會隨著降解的進行而增加。在PLA的高度結(jié)晶區(qū)，分子鏈規(guī)整有序排列，分子片段緊密堆積，限制了水分子的擴散，降低了水解速率[21]，由于晶體的存在，不僅抑制了水的滲速，而且防止有序結(jié)構(gòu)區(qū)的PLA分子與水的接觸[22]。并且，H?glund等[23]研究溫度和結(jié)晶速度兩者影響PLA降解速率的差異，發(fā)現(xiàn)結(jié)晶度的影響比溫度更大。

(3)立構(gòu)規(guī)整度。

在pH＞7條件下，不同立構(gòu)規(guī)整度的PLA如PDLLA，P(LDL)A，PDLA(PLLA)的降解速率呈現(xiàn)上升的趨勢，說明不同立構(gòu)規(guī)整度的PLA會有不相同的降解效果。其中PDLA和PLLA降解速度慢的主要原因是它們的水解過程需要經(jīng)過無定形區(qū)域水解和結(jié)晶區(qū)域水解，故水解速度小于PDLLA，而PDLLA由于其甲基處于對水的吸收速度較快的間同立構(gòu)或無規(guī)立構(gòu)狀態(tài)，所以降解快于PDLA和PLLA[24]。

5.2 環(huán)境因素

(1)溫度。

溫度與PLA降解反應呈現(xiàn)下比關系。PLA熱降解過程中主要發(fā)生的是分子內(nèi)酯交換反應，故酯基的下降速率最快，因為溫度的提高會促進該主要反應的進行，從而使得酯基含量迅速降低，下降速率大小順序為酯基＞甲基＞羰基。酯基的數(shù)量下降說明了PLA的降解速率提高[25]。此外，溫度的升高還加快了羰基的振動頻率。溫度越高，分子間的作用力越強，分子運動能力加強，分子熱運動越劇烈。

(2)酸堿度(pH值)。

PLA在堿性和酸性環(huán)境中都可以降解，但在堿性環(huán)境中的降解是較為有利的。Wang等[24]通過在不同pH值的四氫呋喃溶液研究PLA的降解速率，得出高濃度HO-環(huán)境利于酯基的水解的結(jié)論。

5.3 工藝因素

(1)升溫速率。

文獻表明升溫速率也對PLA的降解有著一定的影響，升溫速率的增加會發(fā)生明顯的熱滯后現(xiàn)象，原因可能是較高升溫速率下，體系達到低速率下同等溫度的用時更短。

(2)氣體氛圍。

有研究者通過對比PLA在氧氣、氮氣和空氣中的熱降解行為，指出氧氣的存在會加速PLA分子鏈的斷裂。原因是氧氣濃度的提高降低了熱降解反應的活化能[13]，酯基迅速斷裂，同時在氧氣的作用下生成了含有端羥基的降解產(chǎn)物，使得端羥基進一步引發(fā)PLA發(fā)生開鏈解聚反應[13]，生成乙炔并揮發(fā)，結(jié)果降低了PLA的羥基含量。

(3)其它因素。

PLA溶液的濃度對于PLA在紫外光降解過程中有很大的影響。PLA溶液的濃度越小，PLA 的降解就越容易進行。

6 PLA改性措施

6.1 共混改性

共混改性是實現(xiàn)聚合物改性和生產(chǎn)高性能新材料的重要途徑之一。利用合適的材料及方法對材料進行共混改性可以顯著提升材料的性能。

PLA通過與Anatase TiO2和Rutile TiO2共混均可提高抗紫外光降解，因為該物質(zhì)抑制紫外光對PLA分子的破壞作用，且Rutile TiO2＞Anatase TiO2[26]。此 外 煤 泥[27]、M-CNW[28]可以有效提高PLA的熱降解穩(wěn)定性；聚乙二醇(PEG)與PLLA共混可以提高PLLA的親水性[29]；Xie等[30]將PLLA與聚對二氧環(huán)己酮(PPDO)進行共混，通過在37℃的磷酸緩沖液水解，得出PLLA的水解速率與共混物中PPDO的含量成下比，聚合物PPDO的水解速率高于PLLA。Wang等[24]在PLLA基體中添加了PEG，該水溶性物質(zhì)的存在不僅起著增塑的作用，還能使PLLA的親水性大大提高，此外還會形成大量的孔洞，導致與水的接觸面積增大，PLLA的水解速率也隨之大幅提高，這是由于PEG會在水解過程中從基體中溶出造成的。

6.2 共聚改性

PLA的共聚改性一般是與柔性聚合物或與側(cè)鏈含有活性基團的聚合物共聚反應合成PLA基共聚物。共聚改性對材料力學和降解等性能的可控性有重要意義。

共聚改性法中，采用原位接枝聚合法在PLA材料中加入淀粉，在相同的實驗條件下，經(jīng)馬來酸酐改性的PLA-淀粉共聚物的降解速率較純PLA快得多。經(jīng)過馬來酸酐的改性和淀粉的聚合，破壞了PLA的結(jié)晶性，也增強了水分子與酯鍵和親水基發(fā)生反應的可能性，使得共聚物的降解速率增大[31]。孫倩玉等[32]合成了殼聚糖外消旋PLA(PDLLA)接枝共聚物，殼聚糖因其分子結(jié)構(gòu)中含有氨基基團，其具有良好的生物相容性和可降解性，利用此方法可以通過控制PDLLA的長度，進而控制共聚物的降解速率。經(jīng)過共聚改性的PLA，改變了PLA的分子鏈規(guī)整度，結(jié)晶度發(fā)生變化，可利用此方法實現(xiàn)PLA的可降解性能的改性；此外，聚天冬酰胺-PLA接枝共聚物能夠用化學方法來提高藥物載體肽的釋放[33]。與PLA相比，由乳酸和羥基乙酸兩種單體共聚而得的聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)同樣具有生物相容性和生物降解性，但此共聚物的的降解能力有所提升，聚羥基乙酸(PGA)含量越高，降解速度越快，當乳酸和羥基乙酸兩種單體處于50∶50的質(zhì)量比時，PLGA會達到水解速率最大峰值，兩個月即可達到完全水解的效果[34]。

6.3 納米結(jié)構(gòu)改性

改善PLA水解性能的方法還可以在PLA基體中引入納米粒子，然而不同的納米粒子對PLLA水解的影響機理也有所不同。納米纖維素因其表面存在大量的羥基，能與水分子之間形成氫鍵，從而提高其親水能力，當PLA基復合材料中含有納米纖維素的含量不同，會導致復合材料的吸水性或降解性能均有所不同。Luo等[35]研究了親水的納米TiO2對PLLA水解行為的影響，發(fā)現(xiàn)了TiO2的加入明顯增大了PLLA的水解速度。Qu等[36]將ZnO納米粒子加入到PLLA中，發(fā)現(xiàn)了ZnO和水的解離作用在其表面形成了羥基化的ZnO(HO-ZnO)，而PLLA分子鏈上的羧基鏈末端更容易與HO-ZnO表面錨定，因此HO-ZnO表面的羧基濃度得到提高，相當于酸催化的作用，促進了PLLA的水解。Luo Weihua等[37]利用乳酸分子和CNCs懸浮液進行原位聚合，并進行熱誘導相分離，來制備PLA/CNCs原位納米復合支架。與PLA支架相比，制備的復合支架不僅壓縮彈性模量提高，而且還改善了其生物相容性，同時，CNCs懸浮液的加入促進了復合多孔支架的體外降解。

6.4 其它方法改性

對PLA材料進行退火處理是最簡單的抗水解方法，退火處理能提高PLA的結(jié)晶度，起到對PLA材料水解的抑制作用。

PLA端羧基濃度往往也能影響其水解速率，通過在PLA材料中加入抗水解劑，其作用是通過消耗水解過程所產(chǎn)生的端羧基和封閉PLA大分子鏈中的端羧基，控制較低的端羧基濃度，降低了水解速率，減弱了水解的程度，抑制了PLA的降解。

采用表面涂覆的手段也能抑制PLA的水解，其涂覆的物質(zhì)應當是疏水物質(zhì)，這樣表面涂覆疏水物質(zhì)的PLA具有最小的水吸收率與最小的水解速率。

通過立構(gòu)改性能得到PLA立構(gòu)復合物，立構(gòu)復合物會形成獨特的β晶型，與PLLA或者PDLA的α晶型不同，其結(jié)構(gòu)緊密程度更大，因此熱穩(wěn)定性和水解穩(wěn)定性大大提高，同時其斷裂伸長率也提高，對改善PLA材料性質(zhì)脆的問題提供了新的研究思路。

7 結(jié)語

PLA可以通過體內(nèi)降解、紫外降解、熱降解、微生物降解四種方式來實現(xiàn)降解，充分發(fā)揮其良好的可降解性。體內(nèi)降解是在生物體內(nèi)利用酶或水或鹽的作用，酯鍵斷裂成CO2和H2O小分子化合物的過程；紫外降解是在不同波長的紫外光下直接破壞鍵或通過形成自由基的形式從而發(fā)生降解；熱降解是在一定溫度下與H2O或氧氣的作用下，PLA分子鏈會發(fā)生斷裂從而降解：微生物降解是利用細菌、真菌和藻類等微生物在酶或化學因素而導致的PLA降解的過程。

由于PLA大分子自身結(jié)構(gòu)包括結(jié)晶度、分子量和立構(gòu)規(guī)整度等和環(huán)境狀況包括降解時所處溫度、pH值、氣液氛圍和濃度因素的影響，PLA降解的速度較難控制，因此，需通過對改性方法的整理研究為實現(xiàn)PLA降解可控性提供理論基礎，包括但不限于共混改性、共聚改性、立構(gòu)改性和退火處理、添加助劑等方法。

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，國家推崇綠色可持續(xù)發(fā)展理念，公民的環(huán)保意識增強，作為綠色可降解材料的PLA具有良好的發(fā)展前景。為了滿足不同制品的應用性能，合理調(diào)控PLA的降解速率是很有必要的。在生物體內(nèi)、地膜中、包裝領域上發(fā)揮作用時應保持穩(wěn)定的性能，在完成各自使命之后，應在較快的速率下完成降解。PLA降解可控性的綜合研究和實際應用會為未來PLA基材料廣泛使用奠定基礎。