聚羟基乙酸及其共聚物的合成与性能研究综述

　　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，是最早商用的体内可降解高分子材料。早在上世纪 30 年代，高分子化学家 Carothers 就合成了 PGA。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。近年来，脂肪族聚酯类生物降解材料研究掀起热潮，不仅使得 PGA引人注目，而且乙醇酸的各种共聚物也日益引起科学家们的重视。同时，随着化学合成技术的进一步提高，各种聚羟基乙酸类生物降解高分子材料不断涌现，新的合成方法被大量报道，应用领域也正逐渐扩大。本文主要概述了聚羟基乙酸及其共聚物的发展概况、合成方法、生物降解性能，并讨论了聚羟基乙酸及其共聚物的应用，展望了其发展前景。

　　1 聚羟基乙酸及其共聚物的合成

　　1． 1 聚羟基乙酸( PGA) 的合成
　　聚羟基乙酸的合成主要有两种方法: 缩合聚合法及开环聚合法。乙醇酸直接聚合是制备 PGA 的简单方法，使用直接聚合法得到的聚羟基乙酸的聚合度很低，一般为几到几十，强度不能达到外科手术的使用要求。山根和行等将 70%的工业级乙醇酸水溶液，在 170 ～200 ℃下搅拌反应2h，之后蒸出水分。然后再反应 2 h，蒸出未反应的原料，而后得到高收率的 PGA 低聚物。Takahashi 等将乙醇酸先熔融缩聚，然后再固态缩聚，可以得到相对高分子质量的PGA，但得到的聚合物相对分子质量不易控制。

　　乙交酯开环聚合是制备高相对分子质量 PGA 的常用方法。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℃得到低聚合物，然后升高温度降低压强脱水得乙交酯。Bauds 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。Piotr 和 Janusz用乙酰丙酮钙为引发剂，开环聚合后获得了高相对分子质量的乙交酯的均聚物和共聚物。

　　1． 2 聚乳酸 － 乙醇酸( PLGA) 的合成
　　聚 L － 乳酸 － 乙醇酸( PLGA) 是一种以乙醇酸和 L － 乳酸为原料制备的简单脂肪聚酯。高相对分子质量的 PLGA通常采用两步法，即先用乳酸、乙醇酸等分别环化合成丙交酯、乙交酯，然后再进行开环聚合反应。Gilding将乳酸和羟基乙酸分别脱水环化成 LA、GA 两种单体，然后使 LA和 GA 开环聚合，得到 PLGA 共聚物。

　　但是开环聚合中 GA、LA 单体的产率低，导致 PLGA 的生产成本较高，为了降低聚乳酸类生物医用材料的生产和应用成本，研究人员开发了多种制备聚乳酸的方法，如溶液缩聚法、熔融缩聚一扩链法和熔融缩聚 － 固相聚合法。在这些方法中熔融缩聚一扩链法对提高聚合物相对分子质量具有反应速度快、工艺流程短且操作方便等优点。Fukuzaki等以 HDI 为扩链剂，对双端羟基预聚物进行扩链反应，合成了高相对分子质量的 PLGA 聚合物。

　　以外消旋乳酸( D，L － LA) 和乙醇酸为原料可合成聚 D，L － 乳酸 － 乙醇酸。在制备 PLGA 时，为了提高其相对分子质量，使用的多为价格昂贵的左旋乳酸( L － LA) ，却很少使用价格低廉的外消旋乳酸( D，L － LA) 。目前 Masatoshi以GA和 D，L － LA 为原料 ，以氯化锡为催化剂 ，质量分数为0． 5% ，在温度 165℃ 、压力 70Pa 条件下，通过熔融共聚法合成了一系列不同投料比的 D，L － PLGA。当使用的乙醇酸和外消旋乳酸的物质的量比例相同时，直接熔融聚合法获得的D，L － PGLA 50 /50 的相对分子质量比 L － PGLA 50 /50 高，可降低 PLGA 50/50 的合成成本。

　　1． 3 乙交酯 / 丙交脂 / 己内酯三元共聚物( PGLC) 的合成
　　聚己内酯具有良好生物降解性和生物相容性，其熔化温度低，加工性能良好，是一种结晶型的聚酯。为了增大脂肪族聚酯的应用范围，使其具有更好的物化性质，蔡晴等用辛酸亚锡作催化剂，将乳酸( LA) 、羟基乙酸( GA) 、己内酯( CL) 三种单体直接进行共聚，在组成比例范围较大的情况下，获得的共聚物成无定形态。当 GA/LA 固定为比例 1: 1时，随着己内酯物质的量增加，所得到的共聚物的玻璃化温度不断降低。调节 LA、GA、CL 三种单体的比例，可以获得延展性良好的材料，同时还可以改变共聚物的亲水性，从而获得降解性能不同的材料。

　　1． 4 聚乙丙交酯 － 聚乙二醇 － 聚乙丙交酯共聚物( PLGA － PEG － PLGA) 的合成
　　聚乙二醇( PEG) 和可生物降解聚酯形成的聚合物可作为药物缓释载体温敏型嵌段，它可以使药物在常温下溶于液体，在体温下转变为凝胶。PEG 嵌段具有亲水性，无毒性，并且在生物体内无抗原性和免疫原性，溶于水和许多有机溶剂。通过共聚合成的三嵌段共聚物，可以将 PEG 特性转移到共聚物中，从而改善共聚物的生物性能。孙敬茹等用相对分子质量为 1000 和及 4600 的 PEG 为引发剂，将 GA 和 L － LA 单体按不同比例进行共聚反应，合成一系列PLGA － PEG － PLGA 三嵌段聚合物。刘兆民等固定聚乙二醇的用量，在辛酸亚锡催化下，变换乙交酯和丙交脂的投料比可得到不同相变温度的共聚物。共聚物中 LA 和 GA 的比例越高，其溶胶 － 凝胶转变温度越低。
　　
　　2 聚羟基乙酸及其共聚物的生物降解性能及应用

　　可降解性是聚羟基乙酸类材料的基本性能，它们主要是通过水作用下裂解酯键。聚羟基乙酸的降解是通过主链上不稳定的酯键水解成为低聚物，然后在生物体内酶或者酸碱的作用下进一步降解为 CO2和 H2O。在现有的可生物降解聚合物中，PGA 的降解速度是较快的，尤其是力学强度衰减很快。

　　PLA 与 PGA 形成的共聚物可减缓降解速度，PLGA的降解反应可以分为两个阶段，降解前期，仅相对分子质量发生明显降低，样品的质量却没有明显减少; 降解后期，样品的表面出现明显的孔洞，并且质量明显下降。PLGA 的前期降解主要是在水作用下，酯键发生水解反应，而后期水解则是前期降解产生化合物中含有羧基，羧基再反作用到酯基的再催化水解过程。

　　2． 1 聚羟基乙酸及其共聚物在制备手术缝合线中的应用
　　聚羟基乙酸是第一种用作可吸收手术缝合线的高分子聚合物，在可吸收缝合线制备原料中占重要地位; 由于 PGA在组织内力学强度下降较快，人体内脏器官在缝合线降解周期内不能愈合，PLGA 制得的可吸收缝合线，其力学强度高于 PGA 线，在人体内可保持三到四周不降解，可满足器官愈合时间需求，并且 PLGA 缝合线具有无毒、生物兼容、可在体内外降解的特性，目前被广泛采用。

　　2． 2 聚羟基乙酸及其共聚物药物缓释系统中的应用
　　传统药物的给药途径对药物无控释性及组织特异性，初始给药后药物大量释放，其浓度升高明显，可能对机体存在毒性，同时机体对某些药物排泄较快，导致多次给药才能达到治疗目的。目前最有效的给药系统是药物缓释系统，它不需要频繁给药就能维持有效血药浓度，而且具有组织特异性的特点，可以明显提高药物的治疗效果，并且可以降低药物可能出现的不良反应。

　　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。

　　2． 3 聚羟基乙酸及其共聚物作为骨折固定材料的应用
　　骨折是骨科临床上的常见症状，目前使用的骨折固定材料多为金属材料，金属材料的力学性能与骨组织力学性能不相符，在一定时间内需要二次开刀取出，并且金属材料在人体内容易引发感染，增加了医学风险。聚羟基乙酸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。

　　2． 4 聚羟基乙酸在生态学上的应用
　　聚羟基乙酸在生态学上的应用是作为环境友好的完全生物降解性塑料，取代在农业生产中广泛使用聚氯乙烯塑料。使用聚羟基乙酸制成的塑料农用薄膜具有明显的优点，目前大量使用的聚乙烯和聚氯乙烯会造成白色污染，但是聚羟基乙酸制成的薄膜在使用几年后可自动降解，不会土地和水源造成污染。聚羟基乙酸塑料还可用作沙漠绿化、水产用材以及林业生产的保水材料。另外，聚羟基乙酸还可用作控制除草剂的释放速度的农业药物缓释系统，可以减少农药的使用量，从而不仅降低了农业生产成本，还可以对保护环境做出贡献。

　　3 结论及展望

　　综上所述，聚羟基乙酸及其共聚物具有良好的生物降解性能，已广泛应用于药物缓释系统、骨折材料、手术缝合线等医用领域，特别是羟基乙酸 － 乳酸共聚物。同时，聚羟基乙酸及其共聚物用作塑料时，也可解决聚氯乙烯使用造成的白色污染问题。但是，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。

　　随着研究水平的不断提高，聚羟基乙酸及其共聚物以其优越的性能特点，在医学和生态环境领域一定可以得到更大的突破。
　　
　　参考文献
　　
　　［1］Gilding D K，Reed A M． Biodegradable polymers for use insurgery polyglycolic / poly( lactic acid) homo － and copoly-mers［J］． Polymer，1979，20( 12) : 1459 － 1464．
　　［2］于德梅，曹有名． 可吸收性聚合物聚乙醇酸［J］． 化工新型材料，1996，24( 1) : 17 －18，29．
　　［3］杨 庆，郯志清，梁伯润，等． 人体可吸收医用材料的发展［J］． 产业用纺织品，2002，20( 10) : 39 －43．
　　［4］陈 莉，赵保中，杜锡光，等． 聚羟基乙酸及其共聚物的研究进展［J］． 化工新型材料，2002，30( 3) : 11 －15．
　　［5］吴 颖，郭士明，唐闻生． 生物降解聚酯 － 聚乙丙交酯的合成研究及其应用［J］． 化工新型材料，2000，28( 1) : 22－ 24．
　　［6］汪朝阳，赵耀明． 聚乙醇酸类生物降解高分子［J］． 广州化学，2004，29( 1) : 51 －55．