全降解材料聚乙交酯或聚乙醇酸（PGA）的發(fā)展

（中國紡織科學(xué)研究院有限公司 生物源纖維制造技術(shù)國家重點實驗室 北京 100025）

PGA是一種可完全生物降解材料[1，2]，可在1～3個月內(nèi)完全降解，無毒無害，綠色環(huán)保。其在美國、歐盟和日本已獲得可安全生物降解的塑料材料認證。PGA目前主要應(yīng)用于醫(yī)用可吸收手術(shù)縫線，藥物控制釋放，骨固定等高端醫(yī)用領(lǐng)域。

1 PGA概況

PGA是聚羥基脂肪酸酯中最簡單的線性聚酯，其化學(xué)結(jié)構(gòu)如圖1：

圖1

PGA是結(jié)晶型的聚合物，熔點220℃～226℃。同別的聚合物一樣，PGA的物理性能強烈依賴于其分子量大小及分子量分布等，具有良好的可加工性能，能用通用的設(shè)備吹塑、擠出、紡絲、注射。

1962年美國Cyananid公司合成了第一種可吸收縫合線PGA，并將其商品化，商品名為Dexon；目前PGA在醫(yī)用可吸收縫合線中占有重要地位。在國內(nèi)尚沒有大量工業(yè)化產(chǎn)品，市場產(chǎn)品主要自國外進口，價格昂貴。

2 PGA合成方法

2.1 PGA的合成方法

PGA的合成主要有兩種途徑，羥基乙酸的直接縮聚法和乙交酯的開環(huán)聚合法。

2.1.1 羥基乙酸的直接縮聚法

羥基乙酸的直接縮聚法（見圖2）是將羥基乙酸中的羧基和羥基在高溫高真空下或在脫水劑的作用下直接脫水，生成聚乙醇酸，此法主要問題是體系中存在游離酸、水、聚合物和乙交酯的平衡，反應(yīng)副產(chǎn)物在高粘的熔體中難于去除，不易得到高分子量的聚合物，且通常帶有顏色。這種方法原料充足，價格便宜，但一般只能得到分子量在幾十至幾千的聚合物，不能滿足醫(yī)用材料的要求。

圖2

2.1.2 乙交酯的開環(huán)聚合法

乙交酯開環(huán)聚合法（見圖3）分為兩步：1）將乙醇酸脫水合成低分子量聚乙醇酸，然后在高溫高真空下裂解成六元環(huán)乙交酯[3，4]；2）乙交酯在引發(fā)劑作用下開環(huán)聚合，得到高分子量聚合物。這種聚合方法是目前獲得高分子量聚乙交酯最主要的有效制備途徑，其聚合速度快，反應(yīng)控制難，成本較高，但得到的聚合物分子量較高，且純度較高，能滿足大部分醫(yī)用材料的要求。

聚合的引發(fā)劑種類主要有：質(zhì)子酸型、鹵化物型、陰離子型、有機鋁化合物、錫鹽類、稀土化合物等，引發(fā)劑不同，引發(fā)的機理也不同，一般可分為陰離子聚合、陽離子聚合、配位插入等。其中辛酸亞錫是目前公認的效果較好的引發(fā)劑，活性高、用量少，可制得高分子量聚合物。辛酸亞錫引發(fā)乙交酯開環(huán)聚合的機理存在不同的爭論，有人認為是陽離子聚合，但大多數(shù)人認為是配位插入聚合的機理，也有人認為辛酸亞錫只是催化劑，真正的引發(fā)劑是體系中含有的極少量雜質(zhì)（如水或含羥基化合物等）。

乙交酯開環(huán)聚合實施的方法：本體開環(huán)聚合、溶液聚合等，溶液聚合法雖能較好地解決反應(yīng)體系放熱和傳熱問題，但由于溶劑的使用，增加了后處理的成本，增加了醫(yī)用材料的不安全性，同時也可能造成對環(huán)境的污染，僅具有一定的研究價值，沒有實際應(yīng)用價值；本體開環(huán)聚合，單體濃度高，聚合反應(yīng)速率高，反應(yīng)控制較難，但得到的聚合物分子量較高，且純度較高，能滿足大部分醫(yī)用材料的要求。

圖3

乙交酯的本體開環(huán)聚合過程可以在熔融狀態(tài)下完成[5-7]，其制備方法通常為封管聚合、聚合反應(yīng)釜聚合、雙螺桿擠出機制備三種。封管聚合得到的聚合物分子量較高，可以達幾十萬，甚至一百萬以上，聚合物的顏色也較淺，這是因為聚合溫度較低，聚合物的熱降解較少以及副反應(yīng)較少的緣故。這種方法的缺點是制得的聚合物就是反應(yīng)容器的形狀，小批量生產(chǎn)時，反應(yīng)產(chǎn)物可以采用冷凍、粉碎的方法處理，大批量生產(chǎn)時，產(chǎn)物的后處理就相當困難了。聚合反應(yīng)釜聚合，這種聚合的方法產(chǎn)量較高，容易擠出切粒。缺點是這種方法得到的聚合物顏色比較深，批次之間差別較大，聚合反應(yīng)難于控制，難以實現(xiàn)分子量的按需合成。雙螺桿擠出聚合方法制備PGA的方法[8]，制備PGA過程相對簡單，容易大規(guī)模進行生產(chǎn)，切粒容易，缺點是制備PGA的分子量比較低。

3 PGA改性

PGA結(jié)晶度高、熔點高、加工成型困難等特點限制了其在更廣范圍內(nèi)的應(yīng)用。為了改善這方面的缺點，以使其滿足不同的醫(yī)用要求，通常采用共聚的方法對其分子鏈結(jié)構(gòu)進行設(shè)計調(diào)整，來實現(xiàn)改性的目標。

共聚改性可通過以下方法進行：1）將乙交酯和其他單體如丙交酯、己內(nèi)酯、二氧環(huán)己酮、氨基乙酸等共聚，通過改變共聚單體的種類和配比等，改變PGA的親水性，結(jié)晶性等，適應(yīng)不同的需要；2）將乙交酯與親水性高分子鏈段，如聚氧化乙烯等進行共聚合形成共聚物，這樣就可以把不同材料的特點結(jié)合起來，賦予PGA特殊的性能。目前乙交酯共聚物大致有以下幾種：聚乙丙交酯（PGLA）共聚物、乙交酯-丙交酯-己內(nèi)酯共聚物、乙交酯-聚乙二醇嵌段共聚物、聚（羥基乙酸-co-氨基乙酸）等。

4 PGA的生物可降解性

在現(xiàn)有的體內(nèi)可吸收聚合物中，PGA的降解速度比PLA、PDS、聚已內(nèi)酯等都快，一般條件下，PGA在組織體內(nèi)，大約60天完全降解，而且降解后的產(chǎn)物可被人體組織完全吸收代謝，排出體外。

PGA之所以能夠完全生物降解，主要原因是聚合物分子鏈中含有酯鍵，在體內(nèi)可分解成端羧基和端羥基化合物。同時端羧基化合物對PGA的降解起催化作用，隨著降解的進行，端羧基量增加，降解速度也加快，形成PGA降解的自催化現(xiàn)象。研究表明，對于PGA，其降解過程分兩步：第一步水迅速滲進無定形區(qū)引發(fā)水解，在這一步大部分機械性能會損失；第二步是結(jié)晶區(qū)水解。

PGA的降解速度不僅與其結(jié)晶度、分子量分布、分子量大小等有關(guān)，而且外界環(huán)境及PGA的外觀形態(tài)也對其具有很重要的影響，這使得對PGA降解速度的準確評價受到影響。

5 PGA的應(yīng)用

PGA及其改性后的共聚物由于材料自身生物安全性及完全易被人體組織吸收等特性，使其在醫(yī)療領(lǐng)域，人體組織修復(fù)和包裝領(lǐng)域等有著越來越廣泛的應(yīng)用。

5.1 可吸收縫合線

PGA是一種可完全生物降解及吸收性極好的綠色環(huán)保材料，市場上的應(yīng)用多作為手術(shù)縫合線，具有生物相容性，可制成手術(shù)縫合線，強度大于腸衣線，術(shù)后縫合線可完全被人體組織吸收，避免了人工拆線，或二次手術(shù)給病人帶來的痛苦。而且其可完全降解，降解速度快，不需特殊酶參與。目前PGA在醫(yī)院的手術(shù)縫合線方面應(yīng)用越來越廣。但由于其價格高昂，市場供應(yīng)量受到一定限制。

5.2 組織修復(fù)

在組織工程學(xué)修復(fù)方面，通常的做法是建造一個多孔聚合物支架，使細胞在支架內(nèi)部附上并生長，在體外經(jīng)過一段時間的培養(yǎng)，得到“聚合物-細胞”種植于體內(nèi)組織缺陷處，誘發(fā)新生組織生長。這種支架可以在體內(nèi)被吸收，能比較好地避免人體組織對外來材料排異現(xiàn)象的發(fā)生。PGA是可完全降解材料且可以被人體較好地吸收，具有較高初始彎曲強度和初始彎曲模量，使其在組織修復(fù)有了更廣泛的應(yīng)用，如廣泛應(yīng)用在人骨及人軟骨、人工耳、血管肌肉、人工肝等組織修復(fù)方面。

5.3 包裝材料

在包裝材料方面，現(xiàn)有包裝材料多為PE、PP 和PET 等材料，這些材料很難降解，會長時間留在大自然界中，引起嚴重的白色污染，隨著科技水平的進步和人們生活水平和環(huán)保意識的不斷加強，包裝領(lǐng)域使用完全可生物降解材料是大勢所趨，在這一領(lǐng)域可有10%～20%高性能包裝材料使用全降解材料PGA替代，將有21萬噸市場需求，PGA由于其良好力學(xué)性能和完全可生物降解特性在這一領(lǐng)域已有一定的初步應(yīng)用，相信隨著其產(chǎn)量的逐步加大，和生產(chǎn)成本的降低，PGA將在包裝領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

6 建議

PGA材料是目前生物降解高分子材料開發(fā)研究熱點之一，也是體內(nèi)可吸收高分子材料最早商品化的一個品種，目前得到了廣泛的應(yīng)用。隨著人民生活水平的提高，對身體健康和環(huán)境的日益重視，PGA的需求量會逐年遞增，應(yīng)用范圍更廣闊。特別是可吸收縫合線領(lǐng)域，PGA在市場上占主導(dǎo)地位，但目前PGA主要依賴進口，價格比較高。國內(nèi)許多研究機構(gòu)如中國紡織科學(xué)研究院有限公司、華南理工大學(xué)等都相繼開展了研究開發(fā)工作，取得了一系列進展。目前，中國紡織科學(xué)研究院有限公司已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)PGA的規(guī)模化紡絲，編織生產(chǎn)等。在此基礎(chǔ)上國內(nèi)科研單位可以整合上游的PGA單體的精制，高分子量PGA規(guī)模化連續(xù)聚合，盡早突破PGA原料依賴進口的限制，實現(xiàn)PGA從單體精制，PGA規(guī)模化連續(xù)聚合，PGA紡絲，編織成手術(shù)縫合線一體化的國產(chǎn)PGA生產(chǎn)線。