1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 甘氨酸改性 聚乳酸 所在学院 专业班级 高分子材料与工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘要 ： 聚乳酸是一种可完全生物降解的材料，但其在生物相容性方面还不能满足组织工程材料的要求。本课题旨在研究开发出一种新型聚乳酸类材料，通过改变 其结构来改进聚乳酸材料的生物相容性。本文首先讨论了聚乳酸研究现状及其改性方法 ,再在聚乳酸聚合的理论基础上，通过采用化学改性的方法，用 D,L-甘氨酸对聚乳酸进行改性方面的研究。本文尝试用 3 种不同的合成路线来得到改性聚乳酸，最后用示差扫描量热仪（ DSC）、气相色谱分析仪（ PC）、傅立叶红外光
2、谱仪（ IR）及核磁共振（ 1H NMR）等仪器对所得的改性材料进行结构表征与分析。 关键词 ： 丙交酯；聚乳酸；改性交酯；改性聚乳酸；甘氨酸 II The Modifion of polylactic acid via glycine Abstract： Polylactide is the biomaterial that can completely biodegrade, but it has poor biocompatibility and does not meet the demand of the materials of tissue engineering. Our st
3、udies focused on the development of a novel polactide-based material with a good biocompatibility through the change of its structure. This paper firstly discussed the present research situation of polactide and its modification. Then, D, L-alanine were used to modify polylactide based on the polyme
4、rization theory of lactide. Modified polylactide were obtained through three different routes. Finally, we use DSC, PC, FT-IR, and NMR to characterize the obtained products. Keywords: lactide； polylactide； modified lactide； modified polylactide； glycine III 目录 1 绪 论 . 1 1.1 聚乳酸的研究现状 . 1 1.2 聚乳酸的改性方法
5、 . 2 1.3 聚乳酸 合成机理 . 3 1.4 本课题的提出和主要研究内容 . 5 2 聚乳酸（ PLA）的制备 . 7 2.1 主要试剂和仪器 . 7 2.1.1 试剂 . 7 2.1.2 仪器设备 . 7 2.2 实验内容 . 8 2.2.1 丙交酯的合成与提纯 . 8 2.2.2 D,L-聚乳酸合成与提纯 . 8 2.3 丙交酯与聚乳酸样品的分析 . 9 2.3.1 丙交酯样品的分析 . 9 2.3.2 聚乳酸样品的分析 . 12 2.4 实验小结 . 12 3 改性聚乳酸的研究 . 14 3.1 方案一 . 14 3.1.1 主要实验试剂与仪器 . 14 3.1.2 实验 过程 .
6、 14 3.1.3 样品分析 . 15 3.2 方案二 . 17 3.2.1 主要实验试剂与仪器 . 17 3.2.2 改性交酯的制备与提纯 . 18 3.2.3 改性乳酸的制备与提纯 . 19 3.2.4 改性交酯分析 . 19 3.2.5 改性聚乳酸的分析 . 22 3.3 结果与讨论 . 24 4 总结与展望 . 25 参考文献 . 26 致 谢 . 错误 !未定义书签。 1 1 绪 论 1.1 聚乳酸的研究现状 近年来，由于大量不可自然分解聚合物生活垃圾和工业废弃物等白色污染的出现，使自然环境严重恶化，因此，寻找像聚乳酸（ PLA）这样的可降解材料也越来越引起了人们的重视。 PLA 并
7、非一种新的聚合物。早在 20 世纪四十年代，人们尝试由乳酸单体直 接缩聚成聚酯，但由于存在着种种难以解决的问题如：副产物和水很难从粘稠的聚酯熔体中蒸馏出来，反应难以进行完全，产物分子量不高。故视其没有实用价值。直到 1954 年， Du Pont 公司的化学家们用间接的方法制备出高分子量聚酯，即先制备出丙交酯，副产物水在这一步除去，然后将催化好的丙交酯进行开环聚合，从而得到高分子量聚酯 1。聚乳酸才真正得到研究和应用。 从二十世纪六十年代开始，可生物降解的 PLA 的合成和开发受到了人们的广泛关注。1966年 Kulkarni等首次报导了 PLA可作为手术植人材料，提出聚乳酸用于生物降 解的可
8、能性 2， 1971年 Yolles 第一次提出了用 PLA作为药物控释载体的设想，进入八十年代后，聚乳酸在医学领域中的应用得到了迅速发展 10。众多文献指出，聚乳酸材料植入体内时基本上没有明显炎症现象的发生，它降解的产物是生物体可代谢的乳酸，毒性相当小。且其已经美国食品和药品管理局 (FDA)批准可用作控释药物载体、医用手术缝合线和注射用微胶囊、微球、埋植剂及动物器官支撑弹性体材料 3。例如， PLA 用作输尿管连接用材料，使人体在经过肾脏切割手术以后，能有效地制止肾脏衰蝎；用于外科手术用的伤口复合剂，使得 伤口在愈合期间不会发生裂口，提高了伤口的愈合速率；还可用于血管的愈合材料和人造血容器
9、、可吸收的防粘材料、人工皮肤、骨折内固定、肌健修补等 4.， 5。可降解材料植入体内或作为手术缝合线时还有一个明显的优点，是避免二次手术或者拆线给病人带来痛苦。聚乳酸及其产品除了广泛应用于医学领域外 6， 7，还可应用于包装纸张、涂料 (食品和饮料盒 )、快餐食品包装用泡沫塑料、微波容器、一次性纸巾和废品袋等方面。 但是长期的观察和研究发现聚乳酸材料仍存在一些问题，这些问题制约了聚乳酸材料的大规模应用。它们主要是 8， 9：（ 1）有应用价值的骨固定器和手术缝合线基本上都是由 L型聚乳酸加工而来，合成 L型聚乳酸的原料是 L型乳酸，使用 L型乳酸时需要进行提纯达到旋光度一致，成本高。目前，国内
10、市场销售的大都是价格低廉的 D， L 型乳酸；（ 2） PLA 属聚2 酯有大量的酯键，其疏水性的表面所吸附的培养液中的因子不易被细胞生长过程中自身分泌的因子所置换，因而降低了其生物相容性。（ 3）在自然条件下 L型 PLA降解周期慢且难以控制，若作为生物材料，残留的一些结晶物，可能引起一些无法预测的后果 , 已有研究表明 D，L型聚乳酸作为组织工程支架材料，在能发挥类似于 L-PLA 的功能的基础上，还有在体内可完全降解的优点 10 。（ 4）聚合所得产物的相对分子质量分布过宽， PLA本身为线型聚合物，这都使 PLA材料的强度往往不能满足要求。同时，在实际应用中还有一些特殊的功能性需要，这
11、都促使人们对 PLA材料的改性展开深人的研究，所以从最近的文献报道中可以看出，大量的工作都集中在研究聚乳酸材料的性能改进上。在这些工作中，一部份工作是改进 PLA的合成工艺，试图能够寻找出比较理想的工艺条件得到高强度的 D， L 型聚乳酸或者通过直接法合成高强度 PLA；另一部分研究人员则是将更多的精力放于 研究通过改性手段改善聚乳酸材料的理化性能上。 1.2 聚乳酸的改性方法 目前国内外对聚乳酸的改性方法主要分为物理方法和化学方法两种 3， 11， 14。 物理方法主要有： 1）将材料加工成具有特定表面性质的多孔表面、纤维表面，纺成纤维、加工成复杂的三维形状等； 2）与可降解的聚己内酯，活性
12、蛋白质，药物等进行简单的复合共混，这也是目前物理手段中最常用的方法，例如将聚乳酸和羟基磷灰石、胶原等复合后得到的骨修复材料比聚乳酸材料更接近于骨的生理状态；用蛋白质、多肽接到材料上后将促进细胞的粘附和生长；在聚乳酸中加入滑石粉 、硬脂酸盐等成核剂增加材料的透明度；还可加入一些无机材料、热稳定剂、增塑剂、润滑剂等添加剂来增加材料的某一方面的性能。物理方法虽然简便易行，也能够使材料的一些性能（力学性能、亲水性 /疏水性、表面活性等）改善，但作为组织工程支撑材料，更为重要的是材料要拥有特定的化学性质（表面电荷、细胞因子、特殊的官能团等）和长时性的效果 4，使细胞完成粘附、铺展、生长和分化。 化学方法
13、主要指通过分子水平上的设计，使聚乳酸分子骨架带上特定的链段、电荷、细胞因子。主要方法目前有如下几种， 1)共聚改性 ,通过调节乳酸和其他 单体的比例改变聚合物的性能，或由第二单体提供聚乳酸以特殊性能。如用廉价的 PEG 与丙交酯共聚 ,制得高分子量的 PLA-PEG-PLA嵌段共聚物 15。研究表明 ,随着 PEG含量增加 ,玻璃化温度降低 ,伸长率增加 ,当含量达到一定程度 (如 PEG的质量分数达到 7.7%)后 ,共聚物出现了屈服拉伸 ,克服了PLA的脆性。 2)交联改性 ,在交联剂或者辐射作用下 ,通过加入其他单体与聚乳酸发生交联反3 应生成网状聚合物改善其性能。常用的交联剂是多功能度
14、的酸酐或多异氰酸酯。如，以三乙醇胺 15，季戊四醇作为起始剂与丙交酯分别合成了三臂、 四臂共聚物。 3） PLA 表面改性， .PLA 膜的表面改性，如在表面引入 RGD 肽段、用 PEG 和藻胺酸衍生物改性薄膜表面等。CaiKaiyong 等利用天然高分子壳聚糖的生物活性来改性 PLA,得到了细胞亲和性优良的材料。他们还用不同分子量的蚕丝蛋白纤维 (SF)改性 PLA,化学电子能谱分析表明 SF/PLA复合表层充当了组织与细胞的界面 ,体外试验证实 SF 改性的表面增进了造骨细胞与 LA 膜的相互作用。 PLA 球面改性，聚乳酸球粒按直径大小分为微球、亚微球和纳米颗粒 ,主要用作静脉药物和基
15、因材料的载体。 与物理方法比较起来，化 学方法可通过选择带有不同化学结构的化学单元，就可以使材料拥有不同的性质，此外还可以调节反应时的投料比来改变材料中不同组份的比例从而改变材料的性质；化学方法还可大幅度的改变高分子的近程结构、远程结构以及整个体系的聚集态结构，所以化学改性具有更大的优势 3。本实验采用化学方法进行聚乳酸的改性研究。 1.3 聚乳酸 合成机理 聚乳酸的合成有两条不同的路线（包括旋光性和非旋光性的聚乳酸的合成）。比较这两种反应路线的优缺点就是： 1）直接缩聚法（ Direct Polymerization）工艺过程简单，成本低。但由 于反应过程中碳化现象明显，后处理相当困难（主要
16、是较难分离出碳化部份和小分子量部份） , 而且产物的平均分子量低，故没有多少实际用途。 2）丙交酯 (Lactide)开环聚合法（ Ring Opening Polymerization, ROP）工艺过程要复杂得多，该方法首先需要合成低分子量的聚乳酸，然后让其在高温裂解下获得丙交酯 , 丙交酯开环聚合得到高分子量的聚乳酸。通过该路线制备的聚乳酸在医学、环保等领域有着广泛的应用。 在本课题的研究中，聚乳酸通过 ROP法合成得到。 为了更好的解释最终的反应产物，本节先阐明辛酸 亚锡（ Stannous octoate, Sn(Oct)2）作为引发剂时聚乳酸反应的机理。 乳酸（见图 1-1a）是典
17、型的型羟基酸，位的羟基和羧基的相互影响使它具有了特殊的化学性质，它们在受热时易相互酯化脱水（见图 1-2），生成稳定的六元环交酯（见图1-1b），所以增加了直接得到高分子量聚乳酸的难度。目前，合成手性或者非手性的聚乳酸基本上采用高纯度丙交酯在熔点以上开环聚合。 4 HCC H 3H O C O O HOOOOH 3 CC H 3a .乳 酸 b .丙 交 酯 图 1-1 实验中相关物 质的分子式 HCC H 3H O C O O HOOOOH 3 CC H 3HCC H 3O C OH O H聚 合解 聚n图 1-2 丙交酯的合成 辛酸亚锡引发丙交酯聚合的引发机理属于配位插入类型（见图 1-3
18、）。 丙交酯中的羰基 O 原子上的孤对电子首先和 Sn原子中的空轨道配位，形成络合物，然后丙交酯中 C-O键对 Sn-O键进行插入，丙交酯即产生开环。单体随后依次以这样的机理在 Sn-O键上进行配位、插入和链增长，直至形成大分子量的聚合物。 OOOOH 3 CC H 3S n R2OOOOH 3 CC H 3S n R 2R C C H O C C H O S n ROOC H 3 C H 3R C C H O C C H O S n ROOC H 3 C H 3OOOOH 3 CC H 3OOOOH 3 CC H 3R C C H O C C H O C C H O C C H O S n
19、ROOC H 3 C H 3( n - 2 ) L a c t i d eO OC H 3 C H 3O C H CC H 3On图 1-3 辛酸亚锡引发丙交酯聚合的引发机理 当反应体系中有极微量的含羟基官能团的物质（如水）存在时，其将与辛酸亚锡一起参与整个体系的反应 (见图 1-4)， R 代表氢原子或者烷基。 5 OOOOH 3 CC H 3S n R 2OOOOH 3 CC H 3O R HR O C C H O C C H O S n RC H 3O O( n - 1 ) L a c t i d eO C H CC H 3OnC H 3 图 1-4 含羟基官能团的物质与辛酸亚锡的反应历
20、程 1.4 本课题的提出和主要研究内容 氨基酸是生命机体的重要物质基础。每一个细胞的重要组成部分都要氨基酸的参与，没有氨 基酸就没有生命。而甘氨酸本身就是一种人体所需的氨基酸，其 分子内既含有氨基又含有羧基，由于两种官能团在分子内的相互影响， 其 具有一些特殊的性质。 若能将其直接共聚入聚乳酸，则对聚乳酸作为生物材料来说是很有现实意义的。预计： 1）改变聚乳酸的结构，由于引入甘氨酸将大大改善其在生物相容性等方面的性质； 2）使材料有了继续进行化学反应的分子基础。 以上这些被改善的性能正是聚乳酸材料所缺乏的。 基于 D， L型乳酸价廉易得，及其的可完全生物降解性能，本课题将以 D， L型乳酸溶液
21、和 D， L型氨基酸为原料，尝试通过不同方法改性聚乳酸，具 体研究思路如下： 1.首先在高温条件下裂解低分子量的聚乳酸制取丙交酯，然后以辛酸亚锡作为引发剂使高纯丙交酯与马来酸酐进行开环聚合合成改性聚乳酸。 2. 用辛酸亚锡作为引发剂使高纯丙交酯与甘氨酸在高温下进行反应，合成改性聚乳酸。 3. 乳酸与甘氨酸直接合成聚乳酸。 4. 乳酸与甘氨酸合成低聚物后，解聚得到改性交酯，再在引发剂作用下合成改性聚乳酸。 6 最后，用 差示扫描量热 仪 (DSC)、傅立叶红外光谱仪 (IR)、毛细管气象色谱仪 (GC)及核磁共振光谱 (1H NMR)、凝胶渗透色谱仪（ GPC）、全自动旋光仪（ Autopolarimeter）等分析方法对制得的交酯、聚乳酸及其改性共聚物进行表征。 1. 预计反应历程为： 聚 合 终 产 物引 发 剂HC N H 2C O O HH 3 COOOOH 3 CC H 32.预计反应历程为： C HC H 3H OC O O HCHCC H 3聚 合可 能 产 物N HO C H CC H 3OnC HCC H 3N HOmC CHOOC H 3OrC HC O O HH 3 CN H 2聚 合分 离 提 纯 终 产 物引 发 剂本次实验是对聚乳酸改性研究的一种尝试和创新，在国内还未见有相关的报道。
