聚乳酸（Polylactic Acid，PLA）是一種人工合成的、可由微生物充分降解的熱塑性脂肪族聚酯。其主要生產(chǎn)合成原料——乳酸具有顯著的環(huán)保性、無毒無害、可再生以及良好的生物相容性應用特征優(yōu)勢。
聚乳酸材料在生物體內(nèi)可被充分有效降解為二氧化碳和水?；诋斍拔覈嫱七M的現(xiàn)代化醫(yī)療服務體系建設規(guī)劃和醫(yī)療基礎(chǔ)設施建設規(guī)劃，以及可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的基本要求，聚乳酸材料在醫(yī)學領(lǐng)域中將擁有著更加寬廣的應用前景。
早在20世紀30年代，國外科研人員就已經(jīng)開始 著手研究聚乳酸材料的合成和實際應用，但受限于當時的科技環(huán)境和生產(chǎn)成本，直至 20 世紀 80 年代末， 聚乳酸材料憑借現(xiàn)代化生產(chǎn)工藝的升級和其在人體降解產(chǎn)物的顯著安全性應用成效才被世界各國接受。
1995年美國食品與藥物管理局正式批準了聚乳酸以及其衍生物作為生物降解醫(yī)用材料運用于臨床。近些年來，聚乳酸材料憑借其良好的可塑性、環(huán)保性特征優(yōu)勢，在外科手術(shù)縫合線、藥用控制系統(tǒng)、人造皮膚、眼科、牙科等相關(guān)醫(yī)藥學領(lǐng)域中，應用范圍與應用比例大幅度提升。
此外，伴隨著聚乳酸材料生產(chǎn)工藝技術(shù)的提升，以及在臨床之中的廣泛運用以及在相關(guān)科研人員、一線臨床工作者的高度支持下，聚乳酸材料生長成本大幅度降低，為聚乳酸材料在醫(yī)學領(lǐng)域中擁有更加寬廣的應用前景提升了可能。
01
聚乳酸的合成
聚乳酸材料從環(huán)保性、能源性、安全性三個角度均具有著較高的應用優(yōu)勢，近年來，聚乳酸材料的合成與生產(chǎn)已然成為了化工與生物科研領(lǐng)域重要的研究 課題。當前，我國聚乳酸材料生產(chǎn)力求解決“無材可用”“有材不好用”“好材不敢用”等直接影響著聚乳酸材料在醫(yī)學領(lǐng)域中的長期應用和可持續(xù)性供給的問 題。從聚乳酸材料合成層面來看，主要包括2種合成 方式，①乳酸直接縮聚法，②乳酸催化法（又稱“丙 交酯開環(huán)聚合法”）
1.1 乳酸直接縮聚法
乳酸直接縮聚法，具有合成工藝操作簡便，能夠有效地降低聚乳酸材料的生產(chǎn)成本。但是，采用乳酸直接縮聚法在直接聚合過程之中有小分子產(chǎn)物—— H20 的存在，合成的聚乳酸材料的相對分子量小于 4000，強度過低，這使得其在醫(yī)療領(lǐng)域中的運用具有很大的局限性。
圖1 乳酸直接縮聚法
1.2 乳酸催化法
乳酸催化法，又稱“丙交酯開環(huán)聚合法”。采用 丙交酯開環(huán)聚合法是通過將乳酸脫水環(huán)化制成丙交酯，并且經(jīng)過重新結(jié)晶過程之后，通過丙交酯開環(huán)聚合制成，實現(xiàn)了由低分子量聚乳酸到高分子量聚乳酸的提升。與乳酸直接縮聚法相比，丙交酯開環(huán)聚合法所得到的聚合乳酸分子量可以達到100萬左右，強度 較高。
因此，采用丙交酯開環(huán)聚合法生產(chǎn)的聚乳酸材料質(zhì)量較高、應用范圍較廣，但是，由于丙交酯開環(huán)聚合法在制備過程之中需要加入大量催化劑及試劑，因此，成本較高。
圖2 丙交酯開環(huán)聚合法
02
醫(yī)學領(lǐng)域的運用
2.1 骨折內(nèi)固定材料
20世紀70年代，各國科研工作者開始嘗試將可吸收聚合物作為骨折內(nèi)固定材料進行醫(yī)學應用探索。例如，將聚乳酸類材料制作的螺釘和板放置于狗的下 頜骨骨折處，進而觀測聚乳酸類材料在狗下頜術(shù)后恢復之中生物降解效果。
但是，由于受當時科學技術(shù)發(fā)展整體水平以及聚乳酸生產(chǎn)工藝的局限，當時生產(chǎn)的 聚乳酸材料難以具備優(yōu)良的延展性，在具體的醫(yī)學實踐應用中未能滿足矯形外科骨折內(nèi)固定的要求。然而，關(guān)于聚乳酸類材料在骨折類患者醫(yī)治中的應用研究并未停止。
20世紀80年代，科研工作者與醫(yī)學工作者的持續(xù)努力研究發(fā)現(xiàn)，左旋聚乳酸 （PLLA） 的降解速度比外消旋聚乳酸（PDLLA）緩慢，并且在與傳統(tǒng)金屬板釘骨折內(nèi)固定材料相比，并無顯著差異性。
因此，認為將左旋聚乳酸作為骨折內(nèi)固定材料可取得更為優(yōu)良的醫(yī)療效果。但是，后續(xù)研究證明，左旋聚乳酸 （PLLA） 后續(xù)緩慢降解過程之中，會出現(xiàn) 系列并發(fā)癥。外消旋聚乳酸（PDLLA）作為具有更好生物相融性的特征，更為后續(xù)研究者所青睞。
骨折內(nèi)固定材料作為能夠直接將患者斷骨內(nèi)或外斷骨固定以確保骨折端復位的材料，要求其具有實用性、穩(wěn)定性、適配性等特征。傳統(tǒng)骨折內(nèi)固定材料一 般由不銹鋼、鈦及合金構(gòu)成。此類骨折內(nèi)固定材料與人體的骨骼生長環(huán)境、骨骼本身特質(zhì)具有顯著的差異性，即由不銹鋼、鈦或合金構(gòu)成的傳統(tǒng)骨折內(nèi)固定材料，剛性與患者體內(nèi)骨骼剛性不同。
這使得其雖然能夠確保在患者體內(nèi)保持正確的骨骼生長位置，但同時它也會破壞患者原有的骨骼應力分布環(huán)境，阻止患者周圍骨痂形成速率，進而導致導致骨質(zhì)疏松以及骨萎縮。因此，傳統(tǒng)骨折內(nèi)固定材料必須在患者病愈后 （后愈合階段） 進行二次手術(shù)，取出固定裝置，大大增加了患者的痛苦。
骨折內(nèi)固定材料特征要求以及聚乳酸材料的主要特征對比可發(fā)現(xiàn)，聚乳酸材料由于具有優(yōu)良的生物相容性，能夠有效地適配于當前我國骨折患者醫(yī)治環(huán) 境。將聚乳酸材料作為骨折內(nèi)固定材料進行合理應用，將不會在患者體內(nèi)產(chǎn)生排異反應。
相比傳統(tǒng)的骨折內(nèi)固定材料，聚乳酸材料可以充分契合患者體內(nèi)的骨骼生長環(huán)境，同時，在將由聚乳酸材料制成的骨折內(nèi)固定器置入患者體內(nèi)后，可按照病愈時間調(diào)整骨折內(nèi)固定器的降解速率，患者無需經(jīng)歷二次手術(shù)，可通過自身的生物代謝，將骨折內(nèi)固定材料進行排除，因此，聚乳酸材料能在骨折類病患的醫(yī)治中得以有效應用。
但是，聚乳酸類材料也有作為骨折內(nèi)固定材料的應用缺陷，即如果患者出現(xiàn)大量骨質(zhì)缺損狀況時，如果僅采用聚乳酸類材料，則會因其不具有骨傳導性的 特征，很難以為骨骼生長提供優(yōu)良的環(huán)境并修復全骨。 聚乳酸類材料在骨骼承力部位的應用效果不甚明顯，不能滿足新生骨骼的應力承受要求。另外，聚乳酸類材料在生物體內(nèi)的降解速率不均衡，早期過快而 后期過慢。當新生骨組織生長發(fā)育后，仍有部分殘留物存于患者體內(nèi)，易引發(fā)并發(fā)癥。
2.2 眼科植入材料
視網(wǎng)膜脫落作為致盲率極高的眼科疾病，在手術(shù)治療存在較高的醫(yī)治難度。傳統(tǒng)視網(wǎng)膜脫落手術(shù)治療過程中，一般采用眼鞏膜表面植入硅橡膠和硅橡膠海綿填充物方式。硅橡膠和硅橡膠海綿的生物相容性較差，因此，在植入患者體內(nèi)后往往會發(fā)生生物機體異物反應，不利于視網(wǎng)膜脫落患者術(shù)后恢復。
聚乳酸材料憑借其優(yōu)良的生物降解性和生物相容性能夠滿足視網(wǎng)膜脫落眼科疾病的材料應用需求，解決傳統(tǒng)填充材料在醫(yī)治過程中出現(xiàn)的排異問題。
聚乳酸類材料的密度為 1.20~1.30kg/L，特性粘度 IV：0.2~8dL/g，同時，其還具有優(yōu)良的拉伸強度和斷裂伸長率，分別為 40~60MPa 和 4%~10%。過科學實驗和系統(tǒng)測試發(fā)現(xiàn)，聚乳酸材料的彈性模量為 3000~4000MPa，彎曲模量為 100~150MPa，這種力學性能和理化性質(zhì)決定了聚乳酸材料具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和抗溶劑性。
因此，在眼科類疾病醫(yī)治過程中，聚乳酸材料可以應對復雜的手術(shù)環(huán)境和眼內(nèi)環(huán)境，具有優(yōu)良的抗異性和穩(wěn)定性。根據(jù)華中科技大學同濟醫(yī)學院附屬同濟醫(yī)院眼科陳建斌主治醫(yī)師開展的相關(guān)實驗表明，在5%，10%，20%的PDLLA鹽酸左旋氧氟沙星眼內(nèi)緩釋植片的制備過程中，由聚乳酸材料制作的左旋氧氟沙星眼內(nèi)緩釋植片，在體外釋藥研究中具有優(yōu)良的藥物緩釋性和結(jié)果表征。
另外，北京大學第三醫(yī)院眼科中心劉瑜玲在探索生物降解性的阿霉素聚乳酸微球 （ADRPLA-MS） 對兔眼實驗性增殖性玻璃體視網(wǎng)膜病變的防治作用實驗中，實驗結(jié)果表明，一次性注入含10g 阿霉素的生物降解性聚乳酸微球能夠有效地減少牽引性視網(wǎng)膜脫離的發(fā)生率。
此外，將聚乳酸類材料作為眼科植入材料進行應用，還能夠解決白內(nèi)障、青光眼、角膜移植等眼科疾病，其在眼科中的應用具有優(yōu)良的前景。
2.3 組織工程支架材料
伴隨著我國組織工程與再生醫(yī)學學科建設的快速發(fā)展，聚乳酸材料作為組織工程支架材料研究與各學科交叉與融合的重要組成部分，也得到科研人員與一 線醫(yī)務人員的高度關(guān)注與廣泛研究。
從方法層面來劃分，組織工程大致可分為“純活性細胞體系”“純生物材料體系”以及“綜合體系”。所謂“綜合體系” 是指“生物材料與活動細胞融合的混雜體系”。當前，“綜合體系”是組織工程之中最受關(guān)注。
組織工程支架（scaffold for tissue engineering），是指“在組織工程中，為細胞生長輸送營養(yǎng)及排泄代謝產(chǎn)物的三維多孔結(jié)構(gòu)的細胞載體”。根據(jù)組織工程的基本要求，應用于人體的組織工程支架材料，必須具有優(yōu)良的生物相容性和無毒性表征，聚乳酸材料可以有效地適配組織工程支架材料的各類具體應用需求。
聚乳酸材料在實際生產(chǎn)過程中操作靈活性較高，當前完全可以通過必要的科學技術(shù)和控制手段，生產(chǎn)出包覆纖維或多孔海綿體的醫(yī)療材料，能與組織活體細胞結(jié)合，并可植入生物體內(nèi)，為細胞提供獲取營養(yǎng)、氣體交換、排泄廢物和生長發(fā)育的場所，支持生物形成新的具有形態(tài)和功能的組織器官。同時，其憑借有孔結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的機械強度、合理的幾何形態(tài)滿足生物組織工程支架在臨床應用。
2.4 藥物控釋材料
理想藥物釋放體系需要具備如下功能與特質(zhì)：① 藥物控制釋放功能，使血藥濃度能維持在所需正常范圍內(nèi)；②藥物靶向釋放功能，使藥物能夠精準輸送到 治療目標部位；③補藥量少；④毒副作用低；⑤服用方便，易于被患者接受；⑥在正常環(huán)境下，具有化學與物理穩(wěn)定性。
藥物控釋材料是藥物釋放體系的重要組成部分，也是直接影響藥效的主要因素。藥物釋放載體主要包含天然型載體和合成性載體，天然性載體一般由有機 材料、無機材料、高分子材料制成，而合成性載體主要由有機材料、無機材料、高分子材料、復合材料和 生物降解性和非生物降解性材料構(gòu)成。
藥物控釋材料是保證藥物以恒定速度在一定時間內(nèi)從材料中釋放的過程，實現(xiàn)藥物控制釋放，可以讓藥物在血液中保持對疾病治療所需的最低濃度，保持 血藥濃度恒定，避免了濃度偏高時藥物中毒，偏低時治療無效的問題。
通常條件下藥物載體采用高分子材料時，高分子材料載體中藥物含量的減少與釋放速度的降低呈現(xiàn)正相關(guān)狀態(tài)，藥物釋放速率往往呈現(xiàn)非恒量釋放狀態(tài)。如果采用可生物降解高分子材料（聚乳酸材料）替換普通高分子材料作為藥物載體后，可生物降解高分子伴隨著在患者體內(nèi)逐漸降解，其共聚物結(jié)構(gòu)會發(fā)生由緊湊到疏松的持續(xù)變化。
因此，可以通過控制藥物釋放速率與生物降解高分子載體之中藥物減少量之間的比例，進而控制生物降解高分子載體結(jié)構(gòu)的變動幅度，則可使載體內(nèi)所含藥物溶解與擴散阻力變小，進而實現(xiàn)藥物長期恒量釋放。
此外，末端沒 有修飾的聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）比末端修飾的聚乳酸-羥基乙酸共聚物有更小的突釋和更大的釋放率。根據(jù)聚乳酸材料的這一特點，可以通過選擇藥物與聚乳酸-羥基乙酸共聚物的結(jié)合方式控制藥物的釋放效率，呈現(xiàn)優(yōu)良、穩(wěn)定的治療效果。
由此可見，聚乳酸材料具有生物相容性和生物降解性，降解產(chǎn)物能夠滿足無毒和不發(fā)生炎癥反應的應用要求，聚乳酸材料的降解能夠發(fā)生在一個合理的期 間內(nèi)，具有可加工性、可消毒性以及良好的力學性能。
03
結(jié)語
伴隨我國工業(yè)技術(shù)水平的提升、醫(yī)療科研水平的不斷進步，加強聚乳酸材料的生產(chǎn)和研究，可打破原有的醫(yī)療材料應用框架限制以及臨床應用限制，進而 切實改善與提升當前我國醫(yī)療環(huán)境水平。
同時，在日后的研究中，可將重點分析聚乳酸類材料的生物降解性，通過相關(guān)現(xiàn)代化手段和科學實驗、研究理念，掌握聚乳酸材料的降解機理、合成工藝，使聚乳酸材料能夠與生物醫(yī)學和材料學進行有機結(jié)合。希望能夠拓展聚乳酸類材料將在骨折內(nèi)固定材料、眼科植入材料、組織工程支架材料、藥物控釋材料的應用范圍。
可降解塑料行業(yè)發(fā)展需解決三大問題
王紅秋 付凱妹合成樹脂
可降解塑料是指可以由自然界存在的微生物作用引起降解，并最終完全降解變成二氧化碳或甲烷、水及其所含元素的礦化無機鹽及新的生物質(zhì)。面對日趨嚴重的塑料廢棄物污染問題，歐、美、日等發(fā)達國家和地區(qū)近年來相繼制定和出臺了諸多政策法規(guī)，通過局部禁用、限用、強制收集及收取污染稅等措施限制塑料的使用。中國于2020年1月19日發(fā)布了新版限塑令—《關(guān)于進一步加強塑料污染治理的意見》，以2020年、2022年、2025年為時間節(jié)點，明確規(guī)定了控制“塑料污染”的禁限范圍，構(gòu)建起覆蓋生產(chǎn)、流通消費和末端處置全生命周期的政策體系。限塑政策在全國大范圍鋪開，可降解塑料受到空前關(guān)注。
我國可降解塑料發(fā)展迅速
可降解塑料按照原料來源可分為生物基可降解塑料及石油基可降解塑料兩大類。生物基可降解塑料主要為天然材料直接加工、微生物發(fā)酵或微生物與化學物質(zhì)合成得到的塑料，代表性產(chǎn)品主要有聚乳酸（PLA）、聚羥基烷酸酯（PHA）等。石油基可降解塑料是指以化學合成方法將單體聚合而得的塑料，如聚對苯二甲酸-己二酸丁二酯（PBAT）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）、二氧化碳共聚物（PPC）、聚乙醇酸（PGA)等。2019年全球可降解塑料產(chǎn)能117.4萬噸/年，主要分布在中國、西歐和北美，其中中國占全球產(chǎn)能約69.8%，居世界之首。
近年來，受環(huán)保政策法規(guī)的推動，我國可降解塑料發(fā)展迅速（如圖1所示）。2019年我國可降解塑料產(chǎn)能達到82萬噸/年，同比增長13.9%，產(chǎn)量為72萬噸左右，同比增長11%。當前及未來5年，可降解塑料仍處于快速擴張期，據(jù)不完全統(tǒng)計，已有36家公司宣布了在建或擬建可降解塑料項目的計劃，新增產(chǎn)能合計440.5萬噸/年（如表1所列），其中PLA和PBAT系列材料占比超過80%。我國將成為全球可降解塑料產(chǎn)能增長的主要驅(qū)動力。
可降解塑料需求量激增
受《巴塞爾公約》修訂（將廢塑料納入管控范圍）的通過，以及各國“限塑令”“禁塑令”等相關(guān)法律法規(guī)密集出臺，2019年全球可降解塑料需求量激增，需求量為92萬噸，占塑料總消費量的0.25%。其中淀粉復合材料占比最大，達到38%，PLA與PBAT分別排第二、第三，二者合計占比接近50%（如圖2所示）。淀粉屬于天然材料，但性能缺陷明顯，使用范圍受限，難以大規(guī)模應用。PLA具有獨特的硬度與透明度，PBAT在軟質(zhì)材料中最具成本優(yōu)勢，這兩種材料或?qū)⒊蔀槲磥砜山到馑芰现邪l(fā)展最快的品種。此外，PHA因具有良好的生物相容性，可用于醫(yī)療等高端用途，雖目前占比較小，但是其發(fā)展?jié)摿Σ蝗莺鲆暋?/p>
中國可降解塑料年需求量從2015年的32萬噸增長到2019年的52萬噸，年均增速為12.3%。隨著《關(guān)于進一步加強塑料污染治理的意見》頒布實施，中國可降解塑料市場需求增速將會進一步提升。食品包裝、餐具、袋子和農(nóng)膜市場是可降解塑料需求增長的主要動力（如圖3所示）。中國每年約消耗購物袋400萬噸、農(nóng)膜246萬噸、外賣包裝260萬噸，且隨著快遞、外賣業(yè)務的快速發(fā)展，塑料需求持續(xù)增長。將相關(guān)法規(guī)的執(zhí)行力度分為高低兩種情景，預計未來五年中國可降解塑料需求量在90萬~300萬噸，如果規(guī)劃的產(chǎn)能如期投產(chǎn)，屆時國內(nèi)產(chǎn)能不僅可以滿足我國需求，而且還需尋求出口等途徑消耗過剩產(chǎn)能。
發(fā)展存在三大問題
隨著中國環(huán)保政策的不斷收緊及人們環(huán)保意識的日益增強，可降解塑料受到廣泛關(guān)注，但目前仍處于初級階段，在發(fā)展過程中依然存在一些問題和風險。
技術(shù)不夠成熟，產(chǎn)品性能還有較大提升空間。目前，市場上已有的可降解塑料品種綜合性能還存在這樣或那樣的不足。現(xiàn)有技術(shù)還不能生產(chǎn)出使用性能優(yōu)異、降解性能可控的可降解塑料，以PBAT為例，力學性能、耐氧化性能等均不及傳統(tǒng)塑料。這限制了可降解塑料的應用范圍，也將制約可降解塑料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
各環(huán)節(jié)成本高，難與傳統(tǒng)塑料競爭。目前，由于可降解塑料的組分構(gòu)成、生產(chǎn)工藝更為復雜，且原材料利用率、產(chǎn)能利用率、技術(shù)水平等均較低，生產(chǎn)成本高，約是傳統(tǒng)塑料的2~3倍，若無政策補貼，短期內(nèi)難以盈利。另外，可降解塑料的末端處置成本也更高，由于不同種類、不同用途的可降解塑料降解速率和降解條件不同，因此對廢棄可降解塑料的回收和分揀環(huán)節(jié)要求更為復雜和苛刻，這也是可降解塑料產(chǎn)業(yè)發(fā)展的難題之一。
相關(guān)政策法規(guī)行業(yè)標準不完善，尚存不確定性。目前陸續(xù)出臺的“限塑令”多以意見或通知的形式下達，在法律強制力上仍與法規(guī)存在差距。此外，仍未出臺限制用量增長最快的外賣、快遞等行業(yè)一次性不可降解塑料使用的具體措施，相關(guān)政策法規(guī)仍有待健全，執(zhí)行力度有待加大。在行業(yè)標準方面，對于不同用途的可生物降解塑料的配方，目前國內(nèi)還沒有統(tǒng)一的標準或者行業(yè)、團體標準。配方標準缺失或者滯后將給末端處置帶來不利影響，制約可降解塑料行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。
可降解塑料行業(yè)的發(fā)展建議
目前來看，可降解塑料產(chǎn)業(yè)發(fā)展尚處于探索階段，工藝技術(shù)、產(chǎn)品種類、標準制定、生產(chǎn)成本、下游應用及末端處置等方面還需做大量工作。
審慎建設項目，避免一窩蜂投資浪費。目前可降解塑料行業(yè)發(fā)展主要依賴政策驅(qū)動，缺乏系統(tǒng)性規(guī)劃及引導，據(jù)不完全統(tǒng)計，未來5年已有440萬噸/年的產(chǎn)能建設計劃，產(chǎn)能增速已遠超需求增速，行業(yè)發(fā)展急需規(guī)范。建議行業(yè)主管部門加強規(guī)劃引導，各企業(yè)根據(jù)自身實際情況理性對待，深入開展項目可行性論證，避免一擁而上。
完善法規(guī)政策、行業(yè)標準，促進產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。綠色低碳發(fā)展為可降解塑料發(fā)展提供了空間和機遇，政策執(zhí)行力度、相關(guān)鼓勵、監(jiān)管措施的制定和落實，以及行業(yè)標準的規(guī)范是可降解塑料健康發(fā)展的重點。為此，建議相關(guān)部門完善相關(guān)政策法規(guī)、行業(yè)標準，加強監(jiān)管，提倡綠色消費，促進行業(yè)可持續(xù)健康發(fā)展。
加大研發(fā)投入，盡快突破核心技術(shù)和降低成本。目前，可降解塑料行業(yè)在政策扶持下進入快速發(fā)展期，但受到技術(shù)尚不成熟、生產(chǎn)成本高等因素制約。建議國家和行業(yè)層面盡快制定可降解塑料科技發(fā)展戰(zhàn)略，進行研發(fā)布局，力爭突破核心技術(shù)和降低成本，形成可與傳統(tǒng)塑料相媲美的可降解塑料系列產(chǎn)品成套技術(shù)。
來源：中國石化雜志
（作者單位：中國石油石油化工研究院）返回搜狐，查看更多
