聚羟基乙酸

聚羟基乙酸
摘要：聚羟基乙酸（PGA）是一种具有优异的气体阻隔性、生物兼容性和可降解性的热塑性聚合物和最简单的线性脂肪族聚酯，因此是一种重要的生物医用高分子材料。

本文介绍了聚羟基乙酸的背景，性质，制备方法，并讨论了聚羟基乙酸的应用，展望了其发展前景。

关键词：聚羟基乙酸；背景；性质；制备；应用；前景
生物医用材料是用于人体组织修复、替换和人工器官制造的一类重要材料。

从本世纪30年代首次发现该类材料，至今已研制
出几十种可降解吸收的高分子聚合物，但能够满足医用所需要的力学性能、加工性能及生物降解性，并真正在临床上得到应用的不过十余种。

其中以聚羟基乙酸(PGA)、聚乳
酸(PLA)及其共聚物最为重要。

聚羟基乙酸(PGA)又称为聚乙醇酸或聚
乙交酯，在线性脂肪族聚酯中其结构最简单，是最早用于商用的体内可降解高分子材料【1】。

随着化学合成技术的不断发展，它也有了不断更新的合成方法，应用和更加广阔的发展前景。

所以本文着重介绍PGA这一生物医用高分子材料。

1.聚羟基乙酸的发展背景
聚羟基乙酸是一种简单的聚酯,它具有
优异的可生物降解性和生物相容性,其最终
降解产物为羟基乙酸、草酸、二氧化碳和水,通过机体正常的新陈代谢排出体外[2]。

所以认为是理想的完全的生物降解材料。

PGA还
具有优良的机械性能、优异的生物兼容性和出色的可生物降解性。

可安全地用作可吸收性手术缝合线、药物控释载体、骨折固定材料和组织工程支架等．是一类较重要的医用生物降解高分子材料{3}。

1930 年，Carothers首次合成了聚己内酯，Uninon和Carbide发现这种聚合物可被组织器官降解而成为可吸收性聚合物[4]。

但其降解速度较慢，完全吸收需1年甚至更多时间。

1962年，由乙交酯(GA)和丙交脂(LA)开环聚合，分别制得相对高分子质量的PGA和
聚乳酸(PLA)，由于其容易降解并且降解产
物可被人体吸收，研究人员将其作为可降解手术线取代应用欠佳的胶原手术线。

但在最开始它的使用收到了自身水解的不稳定性
的限制。

并且其用作可吸收固定物如小板、棒、螺钉等时，其力学强度不够理想。

1984年,Tormala等通过在PGA母体中编入PGA缝
线纤维，制得了自身加强的PGA
(self-reinforced Polyglycolide SR-PGA),作为内固定物的应用取得了成功[5]。

近年来，脂肪族聚酯类生物降解材料成为了一个研
究热点，这使得PGA更加引人注目。

2.聚羟基乙酸的性质
2.1 聚羟基乙酸的物理性质
聚羟基乙酸的化学式为(C2H2O2)n 。

其密
度为1.530 g/cm3（25 ℃）。

聚羟基乙酸的玻璃化转变温度大概在35℃至40℃之间，熔点在225℃到230℃之间。

摩尔质量为（58.04）
n。

并且PGA有在45%-55%之间的较高的结晶度，因此导致了其不溶于水[6]。

PGA的溶解
性是有些奇怪的，对于高分子量的PGA其不
溶于大多数常见有机溶剂，例如丙酮，二氯甲烷，氯仿，乙酸乙酯，四氢呋喃等。

但是低分子量的PGA的物理性质却有很大不同，
其溶解度就相对来说更高。

但是PGA溶于高
浓度的氟化溶剂，如六氟-异丙醇（HFIP）[7]。

PGA纤维表现出很高的强度和模量（7 GPA），并且特别不易弯曲[8]。

当聚合物的
平均分子量在20000—145000时能制成纤维状，并且因为聚合物的分子排列具有方向性，同时也增强了PGA的强度。

PGA还能做成薄膜和不同的形状【9】。

2.2 聚羟基乙酸的化学性质
PGA的基
本结构单元
如右图所示。

它可以来自
单体乙醇酸的缩聚。

PGA在线性脂肪族聚酯中是结构最简单的，且具有优良的机械性能、优异的生物兼容性和出色的可生物降解性。

聚羟基乙酸的降解速度又与聚合物分子量，结晶度，熔点，试样的形状以及环境有关。

大量实验表明，聚羟基乙酸在体内完全降解而不需特殊酶的参与，而且降解后的产物可在体内吸收代谢，最终从尿及呼吸道排出。

（具体代谢途径如下所示）【10】。

3 聚羟基乙酸的合成
3.1 羟基乙酸的熔融缩聚法
简单的熔融缩聚即在常压下加热羟基乙酸，保持温度在175～185℃进行反应，并在水分蒸馏停止后把压力降低到2×104Pa，继续反应2h后得到相对分子质量在几十至几
千的低聚物。

这种方法虽然简便，但是不能有效地控制聚合物的相对分子质量，而且聚合温度高，常导致产物带颜色[11]。

20世纪80年代末，日本相继出现用缩合的
方法直接制备高分子量PGA的专利报道。

以
含锡或含锗的化合物作为引发剂，在惰性气流和减压脱水的情况下，当相对分子量达到2000—6000时，加入含磷的化合物或液体石蜡，阻止反应体系粘度升高，有效地提高水扩散速率，得到高分子量聚合物，或者在某一步反应、或者在全部反应过程中使用膜式干燥器，聚合物的相对分子量可达到十几万。

Takahashi和Kimura采用羟基乙酸直接熔融
/凝固法制备高分子量PGA。

通过比较不同的锌类、锡类催化剂，认为Zn（CH3CO2)2·2H20 是羟基乙酸本体缩聚获得高分子量的理想
催化剂，相对分子量可达90000以上[12]。

另外，日本化学技术研究所的增田,隆志以CO和甲醛为原料，在高温高压催化剂存在下，一步反应制备PGA，而且CO来自塑料燃
烧废料，原料便宜易得。

3.2 开环乙交酯的聚合
乙交酯开环聚合是制备高分子量PGA的常用方法。

此方法首先需要制备乙交酯，然后在催化剂的作用下通过聚合反应制取得到
聚羟基乙酸。

乙交酯是乙醇酸脱水的二聚体，乙醇酸在Sb2O2存在下，压强5kPa温度180℃
得到低聚物，然后升高温度降低压强脱水得乙交酯[13]。

乙交酯的开环聚合可以使用不同的催化剂来催化，包括锑化合物，
如三氧化
锑或锑的三卤化物，锌化合物（乳酸锌）和锡化合物如辛酸亚锡（锡（II）2-乙基己酸）或锡醇盐。

辛酸亚锡是最常用的引发剂，因为它由美国FDA批准而作为食品稳定剂{14}【15】【16】。

Bauds[17-18]等在配位开环聚合催化剂辛酸亚锡和十二醇存在下，通过反应使乙交酯开环聚合得高聚合度的聚羟基乙酸。

Piolr 和Janusz[19]用乙酰丙酮钙为引发剂，开环聚合后获得了高分子质量的乙交酯的均聚物
和共聚物。

具体的反应条件为：在温度为195℃，氮气保护的条件下，将起催化作用的引发剂加入乙交酯中反应约2h，之后升温到230℃进行反应约半小时，等到凝固后收集具有高分子量的聚合物【20】。

在开环聚合中，催化剂的选择，用量，聚合温度，反应时间都还是需要进行继续研究来达到产率最大化。

3.3卤代乙酸/卤代乙酸盐的缩聚法
卤代乙酸盐的聚合是固相缩聚，合成过程描述为：连续的通入氮气，加热类似氯乙酸化钠的卤代乙酸盐，反应温度保持在160～180℃。

在高分子聚合的同时，氯化钠或其他卤化金属盐生成并沉淀在聚合物基
体中。

反应完成后，用水清洗产品就可以方便地除去这些盐类。

其中，反应的原料卤化乙酸盐的通式为X—CH2COO—M+，其中，M应为一价金属，x是卤素【21】。

4 聚羟基乙酸的应用
4.1生物体吸收缝合线
最开始用于手术缝合的肠线是由羊或
牛肠粘膜排除杂质后得到的纯胶原纤维。

但是肠线具有组成不均匀，生物反应强烈，分解速度过快等问题。

但PGA具有优异的可生物降解性和生物相容性,其最终降解产物为羟基乙酸、草酸、二氧化碳和水,通过机体正常的新陈代谢排出体外，但其降解速度过快，现在多使用其共聚物PLGA当作手术缝合线。

4.2 缝合补强材料
在第一部分已经提到，通过在PGA母体中加入PGA缝线纤维，增强了PGA的强度使之可以作为内固定物。

在心脏外科、血管外科缺损部位及脆弱部分的补强和止血中，如果有轻微炎症，不取出填埋物无法治愈，但PGA 良好的生物降解性使之可以降解为水溶性
的单体，进而被排除体外。

PGA已应用于肺纵隔，内脏，脊柱及腹壁等疾病中的被覆，补强及填补材料。

4.3 聚羟基乙酸及其共聚物在药物缓释中的应用
药物缓释系统是利用聚羟基乙酸及其共聚物作为药物的可蚀性载体，将药物和共聚物制成药物剂型，进入体内靶部位，然后载体材料被生物降解，使药物被缓慢释放出来发挥作用。

聚羟基乙酸类产品现在广泛应用于蛋白质及多肽类药物的释放，如胰岛素的聚乙丙交脂双层缓释片。

药物缓释系统控制了药物在机体的释放部位和速率，有利于药物达到最佳治疗效果【22】。

4.4 骨骼固定材料
现在的骨骼固定材料多为金属，但是金属的生物相容性并不好，
一段时间后需要开刀取
出，并且会增加感染的风险。

但是PGA及其共聚物具有生物降解性，作为骨折固定材料在一段时间后可缓慢降解，不需要二次开刀取出，并且其生物相容性好，不会引发感染风险。

Baltzer【23】等在兔子腿骨和皮层骨上研究PGA作为固定材料的降解性，结果表明PGA生物相容性良好，一定时间内固定材料部分降解，并且在固定材料周围产生新骨。

4.5 可降解回收塑料
PGA是理想的完全生物降解塑料，其重复单元短，降解速度快，因此低相对分子质量PGA 可用作生物降解诱发剂。

4.6 气体阻透包装材料
PGA对二氧化碳和氧气的阻隔性能优于其他的聚酯瓶用材料，而且可加工性和力学性能良好。

如果保持PGA的价格与其他阻隔性材料相仿，由于加工厂可以减少材料的用量，在成本上可以与常用的气体阻透材料竞争【24】。

5 聚羟基乙酸的发展前景
由于PGA降解速度较PLA快，尤其是短时间内强度衰减快，以至在某些需较长时间固定的领域应用受到限制，且组织反应发生率较PLA高，因而人们研究开发了PLA/PGA共聚物用作可吸收医用聚合物材料，这使得PGA 的研究及应用进一步得到重视。

合成分子量可控的聚羟基乙酸类聚合物并研究其降解
性与分子量的关系，机械性能与分子量的相互关系，降低合成成本，找到最佳的合成条件，将其在国内商品化，仍是今后的工作重点。

并且高昂的成本使聚羟基乙烯的应用
受到限制。

可见降低聚羟基乙酸及其共聚物的合成成本，调整聚羟基乙酸的工业合成流程，是以后聚羟基乙酸类材料得到更广泛应用的关键。

同时，聚羟基乙酸及其共聚物用作组织工程细胞外基质材料时有细胞毒性，这种情况也不容忽视，将聚羟基乙酸及其共聚物的负影响降低也是科研人员今后研究
的方向。

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