聚乳酸-乙醇酸共聚物合成与降解

聚乳酸－乙醇酸共聚物合成与降解作者：周超闫玉华【关键词】聚乳酸－乙醇酸(PLGA)；,制备；,降解[摘要]本文对聚乳酸－乙醇酸(PLGA)的合成制备的多种方法进行了阐述，对聚乳酸－乙醇酸(PLGA)的降解性能和降解机理进行了概述。[关键词]聚乳酸－乙醇酸(PLGA)；制备；降解SynthesisandDegradationofPoly(lactic-co-glycolicacid)ZhouChao，YanYuhua.BiomaterialsandEngineeringResearchCenter，WuhanUniversityofTechnology，Wuhan430070[Abstract]Methodsoftenusedforsynthesizingpoly(lactic-co-glycolicacid)wasdescribedinthispaper.Thedegradationmechanismofpoly(lactic-co-glycolicacid)wasalsodiscussed.[Keywords]poly(lactic-co-glycolicacid)；synthesis；degradation聚乳酸－乙醇酸(PLGA)有良好的生物相容性和生物降解性能且降解速度可控，在生物医学工程领域有广泛的用途。目前已被制作为人工导管，药物缓释载体，组织工程支架材料[1，2]。各种PLGA药物微球制备应用多见报道，其中PLGA微球作为蛋白质、酶类药物的载体，是研究的热点[3～8]。寻求一种成本低廉工艺简单的生产无（低）生物毒性的PLGA的工艺，具有重大的意义。1聚乳酸－乙醇酸的合成1.1传统开环聚合法制备无规聚乙交酯丙交酯（Ran2PLGA）目前PLGA的制备多采用开环聚合法[9，10，11]。常见的开环聚合是将乙醇酸和乳酸分别脱水环化，合成乙交酯(GA)、丙交酯(LA)两种单体，再由GA和LA开环聚合得PLGA无规共聚物。反应示意如下图1：图1，开环聚合法制备无规聚乙交酯丙交酯反应示意图1.2三步法制备交替聚乙交酯、丙交酯(Alt2PLGA)[12，13]该法也是一种开环聚合法，是将乙醇酸(实验中用氯乙酸)和乳酸两种聚合单体制成六元环状交酯，再开环聚合得PLGA的交替共聚物。具体过程如下：(1)O-氯乙酰-DL-乳酸的制备在装有分水器、恒压滴液漏斗的三颈瓶中，加入适量的氯乙酸，强酸型离子交换树脂和甲苯;回流加热，机械搅拌下滴加等量的乳酸，以出水量控制反应进程。滤出树脂，升华除去未反应的氯乙酸;然后在110～120℃/0.11MPa下收集O-氯乙酰-DL-乳酸的粗产品。甲苯重结晶3～4次得白色晶体，熔点72～74℃。(2)DL-3-甲基-乙交酯的制备将0.102molNa2CO3溶于N，N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液，加入三颈瓶中;另用适量的DMF溶解0.1038molO-氯乙酰-DL-乳酸，恒压缓慢滴加到含Na2CO3的DMF溶液中，80℃反应2h，冷却至室温。减压蒸出DMF后，残余物加适量丙酮;滤去析出的无机盐，滤液浓缩后得棕色固体。异丙醇和甲苯中重结晶，得DL-3-甲基-乙交酯晶体，熔点56～60℃。(3)Alt2PLGA的制备把一定质量比的单体DL-3-甲基-乙交酯和辛酸亚锡置入经硅烷化处理的小聚合管中，在氮气保护下，130～150℃熔融聚合。产物用二氯甲烷溶解，在甲醇中沉析，经洗涤后真空干燥备用。反应式示意如下图2：图2，三步法制备交替聚乙交酯、丙交酯反应示意图该聚合物结构规整、组成固定、降解性能较稳定。但是工艺流程过长，生产成本高，不利于大规模生产。1.3直接熔融聚合法合成聚乙交酯丙交酯汪朝阳博士[14，15]用不同构型乳酸与羟基乙酸直接熔融共聚制得了不同的熔融共聚产物，并分析了它们各自的反应机理。该工艺简单，化学原料及试剂使用量少，有利于降低生物降解材料PLGA的成本。方法如下：分别以左旋乳酸(L2LA)、外消旋乳酸(D，L2LA)为原料与乙醇酸(GA)，按不同摩尔比投料，先进行除水处理，之后加入催化剂SnCl2(用量为反应物质量的0.5%)，在温度165℃、压力70Pa下反应10h。反应结束后，提纯、真空干燥得到白色固体即为聚乳酸－乙醇酸。LLA与GA熔融共聚反应机理：以LLA为原料时，GA具有较高的反应活性和反应率，LLA自身也易于聚合，故二者先形成各自的齐聚物聚乙醇酸(PGA)和聚左旋乳酸(PLLA)，再由二者末端的OH与COOH相互反应，最后形成无规共聚物LPLGA。主要反应示意如下图3：图3，LLA与GA熔融共聚反应机理示意图D，LLA与GA熔融共聚反应机理：以D，LLA为原料时，在反应开始时D，LLA的反应速率不仅落后于GA，也比LLA要慢，故熔融共聚初期的主要齐聚物为PGA。然后，D，LLA的OH、COOH在PGA的两个末端缓慢反应，通过向两个方向增长，最终形成无规共聚物D，LPLGA。主要反应示意如下图4：图4，D，LLA与GA熔融共聚反应机理示意图2催化剂的选择在PLGA开环聚合反应，与三步Alt2PLGA聚合反应中，通常使用辛酸亚锡。在直接熔融聚合反应中，使用氯化亚锡为催化剂。在合成医用PLGA类高分子材料时，催化剂对人体的安全性必须重视，目前广泛使用的锡盐类催化剂具有细胞毒性。尝试使用一系列对人体无害的化合物作催剂，如人体补锌剂(硫酸锌、醋酸锌、乳酸锌)、补钙剂乳酸钙，以及具有保健作用的食品营养强化剂牛磺酸，参考SnCl2作催化剂的反应条件，在165℃、70Pa、10h、w(催化剂)=0.15%反应条件下，对PLGA的熔融聚合进行研究，用上述无毒催化剂获得的PLGA的[η]虽然低(0.11036～0.12150dL/g)，但高于文献值，将其应用为药物缓释载体也是可行的[16，17，18]。3聚乳酸－乙醇酸的降解3.1PLGA降解机制降解材料的降解机制主要分为化学降解和生物降解两类[19]，前者指分子链中敏感键(如脂键，酸酐键)受水作用而断裂，导致分子质量降低;后者指酶解、微生物以及细胞的吞噬作用。PLGA的降解主要属化学降解，酶对PLGA降解的作用尚不明确。3.1.1PLGA的体外降解作为一种聚酯型降解材料，PLGA体外降解主要是通过酯键的水解来进行[20，22，22]，而分子链上酯键的水解断裂是无规则的，每个酯键都可能被水解，分子链越长，被水解的部位就越多，分子量降低也就越快，所以一般表现为体外降解前期分子量降低幅度较大，后期质量损耗幅度大。实验结果显示:体外降解(PBS，pH=7.4)前两周，质量损耗还未发生明显变化的时候，其黏均分子量已明显下降。PLGA分子链受水解作用而被随机切断，引起分子量的变化，但是只有当水解产物小到足以能游离出聚合物基体，才会发生明显的质量损耗，所以早期材料质量损耗的发生慢于分子量的变化。3.1.2PLGA体内降解聚酯类材料的体内降解从本质上讲也是由于酯键的水解所致，但它有别于体外降解主要表现在以几方面[23，24]:(1)由于机体组织不停地运动，使材料长期处于动态的应力环境之中，由应力作用使材料发生机械降解，故而加速了PLGA材料的体内降解过程。(2)体内的脂质或其它生物化合物可作为增塑剂促进聚合物对水分的吸收，从而增强了材料的亲水性，加速了酯键的水解。(3)体液中的脂质成分被材料吸收后，使聚合物分子链的运动(迁移率)增加，从而有利于水分子在材料内的扩散，同样也加速了酯键的水解过程。(4)体内降解过程中可观察到巨噬细胞对材料颗粒进行包裹和吞噬，由这些细胞产生的自由基、酸性产物或酶也可加速降解过程。自由基可使材料发生氧化降解。关于酶是否对聚酯类材料的降解有催化作用，文献对此报道不一。有的学者认为酶对降解过程不产生影响，但也有的学者发现某些酶在特定条件下对降解过程能够产生影响。溶酶体内的酸性水解酶对材料酯键是否有水解作用，尚难确定。(5)体内炎症反应使局部温度和pH值发生变化，也可对材料降解过程产生影响。3.2影响PLGA降解的因素3.2.1材料自身因素的影响(1)分子量对PLGA降解的影响WuXS[25]等人认为共聚物的分子量和聚合度分布性可显著影响材料的水解速度。分子链上的酯键水解是无规则的，每个酯键都可能被水解，分子链越长，被水解的部位越多，分子量降低的也越快。商业上，通常以共聚物的特效粘度来描述其特性，而这个特效粘度与共聚物的分子量直接相关。且共聚物的结晶度和熔点亦与分子量直接相关。(2)材料的分子结构对PLGA降解的影响YouxinLi等[26]认为，分子链呈刷状的共聚物PLGA较线状分子共聚物具有不同的物理化学性质，刷状分子共聚物明显较线状分子共聚物降解速度要快，其分子量和质量降低迅速。刷状共聚物的骨架具有极性有利于酯键的断裂。在刷状共聚物的降解过程中，没有发现线状共聚物的不连续质量损耗。(3)PGA和PLA在共聚物中的组成比例对PLGA降解的影响PLGA共聚物中PGA和PLA组成的比例不同，其结晶度也不相同，共聚物的结晶度不同，其吸水率不同。聚合物PLA以L2PLA、D2PLA和D，L2PLA形式存在D，L2PLA的结晶度和熔点较L2PLA和D2PLA低。L2PLA为半晶体，其聚合物链呈高度规则型而D，L2PLA因其聚合链不规则为不定形聚合物。PGA因其较PLA缺乏侧链甲基呈高度结晶型的，由L2PLA和PGA合成的PLGA共聚物为结晶型的，而D，L2PLA和PGA合成的PLGA共聚物为非结晶型的乙交酯和丙交酯的共聚物较之二单体各自同聚物的结晶度要低。乳酸较乙醇酸亲水性差，因而富含丙交酯的PLGA共聚物亲水性较富含乙交酯的共聚物亲水性要差，结晶度高吸水少而降解速度慢。因此，通过改变无定形共聚物中PLA和PGA的配比可调节共聚物的降解速度。当共聚物中的乙交酯的含量低于50%时，共聚物更多的表现出聚乳酸的特性。疏水性聚合物吸水量少，共聚物内部材料分子与水分子接触机会少，降解速率低。相反，亲水性聚合物可吸收大量水分，共聚物材料内部分子与水分子充分接触，增加降解速率。(4)材料孔径和孔隙率对PLGA降解的影响[27]多孔状PLGA材料，能作为较理想的细胞种植基质[28，29]。实验结果表明:薄而多孔的材料较厚而块状的材料降解速度明显要快。聚合物的体积和形态均不同程度影响材料的降解速度。孔隙率和孔径是三维多孔材料的两个主要指标，也是学者们普遍关注的指标，孔径大小和孔隙率到达多少材料的降解性能最合适，目前仍有争议。3.2.2环境因素对PLGA降解的影响(1)pH值对PLGA降解的影响共聚物的降解可导致基质内pH值急速下降至2，这样就形成一个酸性的微环境，使得共聚物可以进行自催化加速降解。Younes[30]等体外实验发现随着pH值的增大，材料的质量损耗也加快，这是因为酯键对碱性环境较敏感，一方面碱性环境能促进酯键的断裂，另一方面碱性环境中过量的碱可中和水解产生的酸性产物形成相应的盐，使水解反应脱离平衡，促使反应进行到底。这表明过酸和过碱环境都会使PLGA的降解加速。(2)体内酶解作用对PLGA降解的影响聚合物的体内降解被认为主要是化学水解、酶促反应以及体液内的氧化作用。与体液中的类脂体，微量元素，细菌活性也有关系，但主要是前者。WuXS等认为酶对PLGA的降解作用是不明确的。大多数文献认为PLGA只是单纯的水解降解，并不涉及任何酶解降解。但有一些研究者指出，PLGA的酶解作用表现为体内体外降解速度的差异。4结语1.文献报道的PLGA有三种聚合方法：乙交酯、丙交酯开环聚合法，三步法制备交替聚乙交酯、丙交酯，直接熔融共聚合成PLGA。最常用的是开环聚合法，比起开环聚合法来，直接熔融共聚合成法有工艺简单，化学原料及试剂使用量少等优点，能大大的降低PLGA的生产成本，因而具有更广阔的发展应用前景。2.合成过程中无毒催化剂的尝试性应用使生物可降解PLGA具有更好的生物相容性。3.PLGA的降解主要是化学水解，酶对PLGA降解的影响尚不明确。4.PLGA材料的分子结构、PGA和PLA在共聚物中的组成比例、材料的孔径和孔隙率以及环境的pH值，体内酶都是影响P