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生物降解高分子材料--聚己内脂合成的研究进展
陈志辉
摘要：聚己内酯作为一种可生物降解的聚酯材料，由于其具有在组织中可降解
的能力，因此成为组织工程中可能被广泛应用的一种新材料。文中对聚己内酯的一些特性和当前医学方面的应用进行了探讨，并指出在应用中存在的问题以及今后的研究方向。
关键词：聚己内酯；合成；应用
1.前言
高分子材料的出现，极大地方便了人们的生活，但其又成为白色污染源，严重危害环境，造成地下水及土壤污染，危害人类生存与健康。随着人类对环保的日益重视，如何处理高分子材料废弃物已成为热点课题。生物降解塑料是世界研究、开发的热点，涉及工业、生物、卫生、环保、农业等许多领域，具有广阔的市场前景，但技术开发难度较大。必须集中更多的技术力量，加大投资力度，组织集团化的合作研究，跟踪世界发展动向。
2.聚己内酯结构及基本性能
聚己内酯简称PCL，也称聚己酸内酯，由ε-己内酯经单体开环聚合而成。分子量为1万以上，为一种高结晶性脂肪族聚酯，是熔点为60℃的结晶性热塑性塑料。其玻璃化温度为-60℃，柔软程度、抗张强度与尼龙相似。由于熔点低，大于60℃的温水即可使其熔融，可任意造型，并且通常很少单独使用，而是与其他树脂或填充物复合的增强使用耐热性。PCL在200℃以上很稳定，通过挤出成型可加工成薄膜、薄板、纤维，也可注塑成型。加热时，PCL几乎可熔于所有的溶剂，如甲苯、二甲苯、乙酸乙酯、乙酸丁酯、MEK、MIBK等，但不溶于正己烷。由于结晶度高，在室温或低温条件下存储，会析出结晶。
PCL作为常用的生物降解性塑料，与PE、PP、PVC、ABS、AS等能进行混合，从而开发出生物可降解性塑料。使PCL与天然橡胶共混经交联后制成的新型生物降
解塑料，其性能优于PE，较天然橡胶具有更快的生物降解性。PCL易受微生物侵蚀，是最有希望的热塑性微生物降解塑料。PCL大致可分为低分子量和高分子量两类。分子量数千者是蜡状固体或粘性液体。分子量超过2万的PCL是树脂，具有良好的机械强度。
3.聚己内酯合成的介绍
聚ε-己内酯(PCL)是由ε-己内酯(ε-CL)在引发剂存在下,在本体或者溶液中开环聚合得到的高聚物，是一种生物相容性很好的可降解材料，同时也具有优良的药物通过性，可以用于体内植入材料以及药物的缓释胶囊。由于其分子链比较规整而且柔顺，结晶性很强，因而具有比聚乙交酯、聚丙交酯更好的疏水性，在体内降解也较慢，是植入材料的理想选择。但用作缓释胶囊，却因其降解速度太慢而不容易在人体内吸收，从而受到了限制，因此常用多种生物相容性单体与ε-CL共聚，来改善甚至控制共聚产物降解速率，以适应不同药物载体在人体内的吸收。除了生物相容性和可降解性以外，PCL还和多种高聚物具有很好的相容性，可以制备出多种性能优良的共混物。因此PCL的合成、共聚和共混得到了众多高分子工作者的重视，已有大量文献报道。
4.产业情况
自20世纪90年代以来，PCL以其优越的可生物降解性，良好的生物相容性和力学性能，在医学上的应用得到广泛的关注[1]。
聚己内酯的生物降解性及生物相容性是其能否进一步应用于医学临床的重要前提。聚己内酯在体内的降解分两个阶段进行：第一阶段表现为分子量不断下降，但不发生形变和失重；第二阶段指分子量降至5000以后，材料开始变为碎片并发生失重，逐渐被机体吸收和排泄。其降解动力学符合酯类水解的一级速率方程，因而可确定聚己内酯在体内的降解机理主要是酯链水解导致的大分子链断开，表现为分子量下降。
宋存先等研究了聚己内酯在大鼠体内的降解，表明起始分子量6.6万的聚己内酯胶囊在体内可完整存在2年[2]。2年中分子量逐渐下降，2年后降解为低分子量。用氚标记低分子量聚己内酯植入大鼠皮下，测定其吸收及排泄，结果证明聚己内酯不在体内蓄积，排泄完全。良好的生物相容性是指材料无毒性、无抗原性、无致病性和低的组织反应性。ISO10993规定，对生物材料应进行的生物学评价试验包括：细胞毒性试验、致敏试验、全身毒性试验（急性、亚急性和慢性）、遗传毒性实验、植入实验和降解试验。陈建海等经细胞毒性试验、全身急性毒性
试验、皮内刺激试验及植入试验研究表明：样品中微量有机溶剂的存在对细胞毒性有一定影响[3]。样品植入初期有轻度炎症反应，三个月后炎症反应基本消失。结论为PCL材料具有良好的生物相容性。刘建国采用细胞免疫学方法，观察PCL对小鼠淋巴细胞细胞转化功能及NK细胞活性的影响发现，PCL对机体免疫功能无明显影响且PCL材料具有良好的生物相容性[4]。因此，聚己内酯以其这些特点，具有广泛应用于医学临床的潜力。
目前我国只有武汉天生成科技有限公司和苏威（上海）有限公司生产聚己内酯，其中武汉天生成科技有限公司年产量为500吨。，生物降解塑料无论在理论上和工艺上都尚需完善，制定国家标准，建立测试中心，使生物降解塑料有一个检测的规范。有计划地加强PCL的研制工作，将会对我国的国民经济产生深远的影响。
5.聚己内酯共聚物的合成和表征
PCL是一种生物相容性、生物降解性聚酯，其分子链柔顺、熔融温度低，加工工艺性优良，比聚乳酸(PLA)和聚羟基乙酸(PGA)有更好的疏水性，体内外降解缓慢。因而用其与PLA、PGA共聚，所得共聚酯可以改善后者的加工性，并可以控制前者的体内外降解速率。
Kricheldorf用不同的引发剂分别在本体、溶液中进行ε-CL与乙交酯的共聚反应[5]。反应温度为100℃，溶剂分别为二烷、硝基苯。阴离子引发剂氯化铁、氯化铝、三氟化硼、氟磺酸对共聚反应中己内酯的聚合有利，共聚物中ε-己内酯乙交酯的比率(Ic/Ig)大于1。根据引发剂和产率的不同，可得到不同序列的共聚产物。氯化铁引发体系可得到无规序列，Ic/Ig=1；其它三种引发剂体系可以得到嵌段共聚物，当转换率较小时，可以得到短乙交酯段、长己内酯段(Ic约为20～50)的共聚物；提高转化率，两嵌段中单元数目接近，这时Ic约为10。反应中伴随酯交换反应，且在100℃以上会引起聚酯快速分解。配位型引发剂异丙氧基铝、二丁基锡对乙交酯的聚合有利，因而其共聚产物为Ic/Ig<1的序列。当转化率较低时，得到富乙交酯的共聚物或者纯的聚羟基乙酸，但当转化率足够高时，共聚酯两组分的嵌段长度接近也能进行分子内酯交换反应。阳离子引发剂如硝酸四甲基铵、苄基三苯基季膦盐仅引发乙交酯的均聚反应。辛酸亚锡作催化剂时，辛酸亚锡先催化乙醇的羟基和ε-CL的反应，再进一步催化ε-CL的聚合，从而得到端羟基的PCL，再加入丙交酯后，引发其聚合，从而得到嵌段共聚物。PCL的数均分子量约为(1.5～5.2)×103，聚合物的数均分子量取决于单体羟基的
摩尔数，而独立于单体辛酸亚锡的摩尔比。当L-丙交酯首先聚合时，会生成无规共聚物，这是由于ε-CL与L-丙交酯的预聚物发生酯交换反应所致。Hilianen用辛酸亚锡作催化剂，丙三醇、月桂醇、季戊四醇为起始反应剂，研究了不同含量的ε-CL与DL—LA(丙交酯)共聚物的性能[6]。热性能表明：5%的ε-CL可以使PDLLA的Tg降低5℃。ε-CL含量从5%～20%增大,共聚物从硬而脆的玻璃态变为柔而软的橡胶态。含20%和30%ε-CL共聚物的水解实验表明，第一周内分子量迅猛下降，其后几周开始有质量损失。王雪梅等通过端羟基PCL和端羧基聚酰胺1010的端基酯缩合反应，合成出含PCL软段和PA1010硬段的嵌段共聚物，产物呈坚韧固体，其中PCL软段分子量为1000～3000，提高了聚酰胺的韧性、降低了硬度，改进了染色性、亲水性及抗静电性。
[7]
6.发展方向
聚己内酯作为生物降解材料，是真正减少塑料垃圾，保护生态平衡以及开辟新的前沿原料的重要途径，对解决研究塑料发展的难题之一，即白色污染有着巨大的作用，但目前存在两个重要问题:
(1)降解塑料的可控性问题，由于可控性主要取决于配方，同时受到各地环境差异的制约，这是降解塑料发展的关键问题。
(2)成本过高。尽管随着生物解塑料的规模生产，成本可能会降低一些，但在短时期内，成本依然高于通用塑料。
塑料材料被广泛用在了农业、日用品工业、医疗上，然而，对环境友好的降解材料，尤其是完全生物降解材料却由于以上原因，仅仅在特殊领域用量可观，如中长期降解用的外科缝合线、骨丁、长效药物的控制释放载体，如果上述问题得以解决，一次性饭盒、农用地膜、包装材料及更多的医用产品就可能使用这种聚己内酯材料，当然，白色污染就可以解决。
参考文献