化学合成型生物降解高分子材料

4、生物相容性及临床应用研 究
生物相容性的概念
生物相容性是生物医用材料与人体之间相互作用产生各 种复杂的生物、物理、化学反应的一种概念。植入人体的生物 医用材料及各种人工器官、医用辅助装置等医疗器械，必须对 人体无毒性。无致敏性、无刺激性、无遗传毒性和无致癌性， 对人体组织、血液、免疫等系统不产生不良反应.
术。聚乳酸手术缝合线具有较强的抗张强度、能有效地控制聚 合物分解速度，随著伤口的愈合，缝合线会自动缓慢分解。目 前国内各大医院正使用从国外进口的性能优异的聚乳酸缝合线。 另外，聚乳酸还用作手术纱布，国外已进入临床应用阶段。
手术缝合线VICRYL（PGA90%-co-PLA10%）和DEXON （PGA均聚物）在临床上的成功应用，证明含PGA的共聚物 酯材料可以安全地使用在软组织中。但将PGA圆棒用作骨折 固定材料，5%~8%的病人在后期有较严重的异体反应。考虑 到PLA和PGA化学结构的相似性，一些研究者也认为PLA植入 物也会引起类似的反应。但是，尽管两者在化学结构上相似， 但降解行为却不同。首先，PGA的降解速率比PLA快许多，较 快的降解速率导致人体组织难以将PGA降解产物从植入位置 及时排除或吸收，因而可能导致炎症反应。再者，降解产物羟 基乙酸是通过细胞进行新陈代谢的，这一点与PLA也不同。 许多动物实验检验了PLA在软组织中的生物相容性。结果表明， 在治疗和PLA降解过程中，总的来看，只有正常的生理反应， 显示出具有良好的生物相容性。PLA用作骨折固定材料植入羊、 狗体内，也未发生不良反应。临床应用的研究也表明，
3、加工性能
PLA和PGLA共聚物可以注射加工成型，但在加工前，原料必 须很好地干燥。研究表明，即使存在很少的水分，加工时也会 导致分子量的下降。此外，加工温度和注射速率对材料的抗张 强度和分子量也有很大大影响。 PLA和PGA已成功地用于熔融和溶液方法纺丝。一种令人很感 兴趣的加工技术是结合纺丝和注射成型方法，并使纤维在本体 材料中保持良好的取向，来制备自增强的PLA和PGA植入材料。 这一技术可以显著提高产量的抗张强度和抗弯强度，因而在医 学领域，特别是骨科的临床应用中有重大的意义。
第三阶段，在强度丧失之后，聚酯材料变成低聚酯的碎片，整体 重量开始减少。 第四阶段，低聚物进一步水解，变成尺寸更小的碎片，从而被吞 噬细胞吸收，或进一步水解为单体溶解在细胞中。研究表明， PLA植入在体内的完全吸收需要20个月到5年的时间。与PLA不 同，PGA首先在细胞外进行水解和酶促水解，所产生的碎片通 过吞噬作用进入细胞，在细胞内再水解成甘醇酸酯。PGA的完 全吸收需要6~17周。 6~17 第五阶段，PLA和PGA的最终降解产物，通过新陈代谢和呼吸作 业，被吸收或排出体外。
聚左旋乳酸（PLLA）在缓冲溶液中的降解曲线 120 100 残 留 强 度 % 80 60 40 20 0 1 2 3 4 5 周数/10 6 7 系列1
残留强度%
聚羟基乙酸（PGA）在缓冲溶液中的降解曲线 120 100 80 60 40 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 周数 系列2
只有极少数(约4.9%)的病人晚期有异体反应。异体反应与人体植入的 部分（如软组织、骨等）、聚合物材料的形状（手术缝合线、膜、块 等）有很大关系。 总的来看，PLA和PGA及其共聚物PGLA都显示了良好的生物相容 性，在医学领域中有广泛的应用。
PLA在其他方面的应用
PLA 材料具有光洁的表面和高度的透明度，因此可以在某些 应用领域同聚苯乙烯和PET竞争。PLA已经应用于如水果蔬菜、 鸡蛋、熟食和烘烤食品的硬包装。机械性能及物理性能良好。 聚乳酸机械性能及物理性能良好,所以适用于吹塑、热塑等各 种加工方法，加工方便，应用十分广泛。可用于加工从工业到 民用的各种塑料制品、包装食品、快餐饭盒、无纺布、工业及 民用布。进而加工成农用织物、保健织物、抹布、卫生用品、室外
第一阶段，水合作用。植入的PGA和PLA材料从周围环境中吸 收水分，这一过程要持续几天或数月，取决于植入材料的质量 和表面积。聚合物非晶区的水合作用比结晶区快。由于PGA 和PLA都具有较好的亲水性，水能渗入到材料的本体内部。 第二阶段，聚合物主链由于水解而使化学键断裂，导致分子量 和力学性能下降。力学强度的损失主要取决于材料的大小、表 面积、聚合物的种类、纯度、结晶度、周围环境的PH值、消 毒方法和初始分子量等。非晶区首先开始降解，然后晶区发生 降解。图一和图二分别是PLLA和PGA在缓冲溶液中的降解曲 线。
专业：化学专业 学号：20071130047 姓名：范福英
化学合成型生物降解高分子材料
相对于天然高分子而言，采用化学方法合成的生物降解高分子， 可根据实际的需要对其结构和性能进行设计和调整，因而在医 药、农业及环境保护方面有广泛的应用前景。 目前开发研究 的生物降解高分子中，主链上一般含有可水解的酯基、酰氨基 或脲基。脂肪族聚酯是一类产品中的重要品种，其主链上的酯 基，很容易受到酶的攻击产生生物降解，或者进行单纯的的水 解反应，因而具有很好的生物相容性，同时它还具有较好的物 理化性能。
与其他生物降解高分子相比，PGA是结晶度很高的聚酯， 分子链能够进行紧密的堆积和排列，因而它有许多独特的物化 和力学性能。例如PGA的密度可高达1.5～1.7g.cm-3，这在聚 合物中是很高的。PGA不溶于大部分有机溶剂，只溶于极少 量溶剂六氟异丙醇。在较高的结晶状态下，PGA具有很高的 抗张强度和弹性模量，因而具有很高的力学强度。
防紫外线织物、帐篷布、地垫面等等，市场前景十分看好。如， PLA 薄膜正在用于三明治、饼干和鲜花等商品的包装上。还 有将PLA吹塑成瓶子用于包装水、汤、食品和食用油等方面的 应用。
2、生物降解性
PGA和PLA的降解是水解反应，主链上的酯基发生断裂，生成低 聚物或小分子。降解速率主要取决于聚合物的分子量、结晶度、样品 的几何形状和降解的环境等。与其他脂肪族聚酯相比，PGA尽管具 有很高的结晶度，但由于其独特的化学结构，具有很好的亲水性，因 而具有很快的降解速率来自百度文库而PLA由于侧链上甲基的存在，导致较差的 亲水性和空间位阻，使得PLA的降解速率较PGA慢。 PLA PGA 鉴于PLA和PGA的临床应用意义，大量研究集中在动物甚至人体 内，或者在模拟人体环境的缓冲溶液中，来观察聚酯是怎样在活性组 织内降解和吸收的。从化学的观点来看，PGA和PLA的降解可以分成 五个阶段，这五个阶段并不完全独立，有可能相互重叠。
/ ~57
熔融热（100%的 结晶度）/焦耳每克
密度/克每立方厘米
1.2~1.3
脂肪族聚酯既可以由羟基羧酸通过缩聚来制备，亦可由相 应内酯通过开环来制备。但高分子量的聚酯，只能通过开环聚 合来合成，因为缩聚反应程度和反应过程中产生的水的影响， 很难得到高分子的产物。 高分子量的PGA和PLA一般是以锌酸亚锡为催化剂，从 其相应的环状二聚体开环聚合来制备。之所以选择锌酸亚锡为 催化剂，一是因为其非常低的毒性，使合成的PGA和PLA可以 安全地在医药领域中应用；另一原因是锌酸亚锡引发的聚合反 应，具有较快的反应速度，其他一些化合物，如酸、金属有机 化合物、稀土配位化合物等，也可用做GA和LA开环聚合的催 化剂。
20世纪80年代聚乳酸已成功用於人体骨材料，通过多年大量 的临床试验表明，聚乳酸作为植入人体内的固定材料，植入后 炎症发生率低、强度高以及手术后基本不出现感染等情况。目 前人体内使用的高分子材料需求日益增加，而且要求也越来越 高，用於人体内的高分子材料必须无毒、具合适的生物分解性、 良好的生物兼容性以及对某些具体的细胞有一定相互作用的能 力，而聚乳酸在性质上基本符合上述要求，虽然目前在医用领 域，采用的高分子材料主要有聚四氟乙烯。矽油和矽橡胶等材 料，但是这些材料还有许多不理想的地方，聚乳酸的出现，可 弥补这些产品的不足，将成为未来人体内使用的高分子材料的 主导品。 聚乳酸及其共聚物用作外科手术缝合线，在伤口愈合后能自动 分解并被人体吸收，无需再次手术和拆出缝合线。聚乳酸缝合 线一经问世，立即受到医生的青睐，目前已经广泛应用於各种手
图一和图二分别是PLA和PGA在缓冲溶液中的降解曲线。从图 中可以看出，PGA比PLA降解快。20周后，PLA仍保持有 75%以上的强度，而PGA在一周后就下降到80%，3周后只留 不到10%。而对于PGLA共聚物，1周后强度残留初始的90%， 2周后为初始的55%，4~5周后基本没有强度。在第二阶段， 聚酯的重量基本没有变化。
聚羟基乙酸（PGA）、聚乳酸 （PLA）及其共聚物（PGLA)
1、合成及性能
聚羟基乙酸（PGA）和聚乳酸（PLA）是最简单的 羟基羧酸聚合物，它们的基本物化性质如下表所示：
PGA PLLA
PLA PDLLA
熔点/摄氏度 玻璃化温度/摄氏度
~225 ~35 191.0 1.5~1.7
~175 ~65 93.7 1.2~1.3