聚乳酸(PLA)生物可降解材料課件

1、聚乳酸生物可降解材料2022/10/15目 錄1 2 3 46 52 2022/10/15生物降解材料是20世紀(jì)80年代后隨著環(huán)境、能源等矛盾的凸顯而發(fā)展起來的新型材料，作為一種可自然降解的材料，在環(huán)保方面起到了獨(dú)特的作用，其研究和開發(fā)已得到迅速發(fā)展，作為解決“白色污染”最為有效的途徑，已引起環(huán)境專家、材料學(xué)家及更多領(lǐng)域人士的關(guān)注。生物可降解高分子材料一般是指降解溫度不超過50，可在幾個(gè)月到幾年時(shí)間內(nèi)完全降解的材料。3 1 生物可降解材料概況2022/10/15 1 生物可降解材料概況淀粉聚乳酸聚己內(nèi)酯五大熱門可降解材料近年來比較活躍4聚丁二酸丁二醇酯聚羥基脂肪酸酯 聚乳酸(PLA)生產(chǎn)過程無

2、污染，可以生物降解，實(shí)現(xiàn)在自然界中的循環(huán)，有著良好的生物相容性，是理想的綠色高分子材料,在各個(gè)行業(yè)中的應(yīng)用前景脫穎而出。2 聚乳酸降解概述 合成的聚乳酸材料，具有與聚酯相似的防滲透性，同時(shí)具有與聚苯乙烯相似的光澤度、透光性和加工性。2022/10/1552022/10/152 聚乳酸降解概述031719212426283338Day47Day47聚乳酸(PLA)屬于線型熱塑性生物可降解脂肪族聚酯。以玉米、小麥、木薯等一些植物中提取的淀粉為最初原料,經(jīng)過酶分解得到葡萄糖,再經(jīng)過乳酸菌發(fā)酵后變成乳酸,然后經(jīng)過化學(xué)合成得到高純度聚乳酸。聚乳酸制品廢棄在土壤或水中，47天內(nèi)會(huì)在微生物、水、酸和堿的作用

3、下徹底分解成CO2和H2O，成為植物光合作用的原料，不會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，因而是一種完全自然循環(huán)型的可生物降解材料。 6聚乳酸降解概述由于乳酸具有旋光性,因此對(duì)應(yīng)的聚乳酸有三種:PDLA、PLLA、PDLLA(消旋)。 PLLA和PDLA是部分結(jié)晶高分子，力學(xué)強(qiáng)度較好，常用作醫(yī)用縫合線和外科矯形材料。藥物控釋制劑常采用PLLA和PDLLA,但更多的是使用PDLLA。PLLA的降解產(chǎn)物L(fēng)一乳酸能被人體完全代謝，因而比D-PLA更具競爭力。2022/10/152 聚乳酸降解概述聚乳酸生物材料的制備及降解過程82022/10/153PLA的體內(nèi)降解PLA的水解是個(gè)復(fù)雜的過程，主要包括4個(gè)現(xiàn)象：吸水、酯

4、鍵的斷裂、可溶性齊聚物的擴(kuò)散和碎片的分解。 降解的主要方式：本體侵蝕。PLA材料浸入水性介質(zhì)中或植人體內(nèi)后，首先發(fā)生材料吸水。水性介質(zhì)滲入聚合物基質(zhì)，導(dǎo)致聚合物分子鏈松弛，酯鍵開始初步水解，分子量降低，逐漸降解為低聚物。聚乳酸的端羧基(由聚合引入及降解產(chǎn)生)對(duì)其水解起催化作用， 隨著降解的進(jìn)行， 端羧基量增加， 降解速率加快， 從而產(chǎn)生自催化現(xiàn)象 。 內(nèi)部降解快于表面降解， 這歸因于具端羧基的降解產(chǎn)物滯留于樣品內(nèi)，產(chǎn)生自加速效應(yīng) 。9 PLA的體內(nèi)降解隨著降解進(jìn)行，材料內(nèi)部會(huì)有越來越多的羧基加速內(nèi)部材料的降解，進(jìn)一步增大內(nèi)外差異。當(dāng)內(nèi)部材料完全轉(zhuǎn)變成可溶性齊聚物并溶解在水性介質(zhì)中時(shí)，就會(huì)形成表

5、面由沒有完全降解的高聚物組成的中空結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步降解才使低聚物水解為小分子，最后溶解在水性介質(zhì)中。整個(gè)溶蝕過程是由不溶于水的固體變成水溶性物質(zhì)。 宏觀上是材料整體結(jié)構(gòu)破壞，體積變小，逐漸變?yōu)樗槠?，最后完全溶解并被人體吸收或排出體外； 微觀上是聚合物大分子鏈發(fā)生化學(xué)分解，如分子量變小、分子鏈斷開和側(cè)鏈斷裂等， 變?yōu)樗苄缘男》肿佣M(jìn)入體液，被細(xì)胞吞噬并被轉(zhuǎn)化和代謝。4PLA的體外降解聚乳酸的分解有兩個(gè)階段：經(jīng)水解反應(yīng)分解之后再靠微生物分解 在自然環(huán)境中首先發(fā)生水解，通過主鏈上不穩(wěn)定的酯鍵水解而成低聚物，然后，微生物進(jìn)入組織物內(nèi)，將其分解成二氧化碳和水。在堆肥的條件下（高溫和高濕度），水解反應(yīng)可輕易

6、完成，分解的速度也較快。在不容易產(chǎn)生水解反應(yīng)的環(huán)境下，分解過程是循序漸進(jìn)的。2022/10/15PLA的體外降解12 微生物在自然界中普遍存在，聚乳酸可以被多種微生物降解。如鐮刀酶念珠菌，青霉菌，腐殖菌等。 不同細(xì)菌對(duì)不同構(gòu)形的聚乳酸的降解情況是不同的。研究結(jié)果表明，鐮刀酶念珠菌、青霉菌都可以完全吸收D,L 乳酸，部分還可以吸收可溶的聚乳酸低聚物。5降解影響因素(1) pH值 酸或堿都能催化PLA水解。 聚乳酸在堿性條件下降解速率酸性條件下降解速率中性條件下降解速率。(2)結(jié)晶度 降解過程總是從無定形區(qū)到結(jié)晶區(qū). 這是由于結(jié)晶區(qū)分子鏈段堆積緊密， 水不容易滲透進(jìn)去。先滲入無定型區(qū)，導(dǎo)致酯鍵的斷

7、裂，當(dāng)大部分無定型區(qū)已降解時(shí)，才由邊緣向結(jié)晶區(qū)的中心開始降解。在無定型區(qū)水解過程中，生成立構(gòu)規(guī)整的低分子物質(zhì)，結(jié)晶度增大，延緩了進(jìn)一步水解的進(jìn)行5聚乳酸降解因素(3)分子量及分子量的分布 分子量與降解速率成反比。分子量越大， 聚合物的結(jié)構(gòu)越緊密， 內(nèi)部的酯鍵越不容易斷裂；而且，分子量越大，經(jīng)降解所得的鏈段越長， 不易溶于水中，產(chǎn)生的水和氫正離子越少，使pH 值下降緩慢，這也是其降解速率比低分子量聚乳酸的低的原因之一。 對(duì)于平均分子量相同的聚合物來說，分子量分布越寬，降解速率越快。這是因?yàn)榉肿恿枯^小的聚合物先分解后， 環(huán)境pH值由中性向酸性轉(zhuǎn)變，從而加快了降解速度。聚乳酸降解因素(4)立構(gòu)規(guī)整性

8、的影響：在堿性條件下， 降解速率為PDLA (PLLA)P (LDL)APDLLA PDLLA 由于甲基處于間同立構(gòu)或無規(guī)立構(gòu)狀態(tài)， 對(duì)水的吸收速度較快， 因此降解較快； 而對(duì)PLLA及PDLA來說水解分為2個(gè)階段：第一階段，水分子擴(kuò)散進(jìn)入無定型區(qū)，然后發(fā)生水解；第二階段是晶區(qū)的水解，相對(duì)來說較為緩慢。（5)酶 聚乳酸主鏈上含有酯鍵，可以被酯酶加速降解。 如根霉屬菌酯肪酶、豬胰腺酯肪酶、豬肝臟的梭基酯酶。2022/10/156 生物體吸收代謝途徑16乳酸（CHO）的消除 乳酸大量存在時(shí)，會(huì)導(dǎo)致人體內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的喪失，尤其是固有的酸堿平衡將被打破，輕則代謝紊亂，重則危及生命，因此，人體內(nèi)必須消除乳

9、酸。直接氧化分解為CO和HO在氧氣充足的條件下，骨骼肌、心肌或其它組織細(xì)胞能攝取血液中的乳酸，在乳酸脫氫酶的作用下，將乳酸轉(zhuǎn)變成丙酮酸，然后進(jìn)入線粒體被徹底氧化分解，生成和，通過呼吸道、大小便、汗液排除體外。經(jīng)糖異生途徑生成葡萄糖和糖元缺氧時(shí)，乳酸大量進(jìn)入血液，血乳酸的濃度升高，激活肝臟和骨骼肌細(xì)胞中的糖異生途徑，將大量的乳酸轉(zhuǎn)變成葡萄糖，并且釋放入血液，以補(bǔ)充運(yùn)動(dòng)時(shí)血糖的消耗；在糖異生過程中，要吸收大量的H+，因此通過該過程可維護(hù)人體內(nèi)環(huán)境的酸堿平衡，使機(jī)體內(nèi)環(huán)境重新恢復(fù)穩(wěn)態(tài)。6 生物體吸收代謝途徑用于脂肪酸、丙氨酸等物質(zhì)的合成 在肝臟細(xì)胞中，乳酸經(jīng)由丙酮酸、乙酰輔酶A途徑轉(zhuǎn)變?yōu)橹舅?、膽固醇、酮體和乙酸等物質(zhì)，亦可經(jīng)由丙酮酸，通過氨基轉(zhuǎn)換作用生成丙氨酸，參與蛋白質(zhì)代謝。隨尿液和汗液直接排出 此過程消除量極少，僅占總消除量的5%左右。L乳酸作為一種動(dòng)物體內(nèi)自然的代謝產(chǎn)物，不會(huì)