环境友好新型聚乳酸复合材料的研究及应用.pdf
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1、M 环境友好新型聚乳酸复合材料的研究及应用 盛敏刚 ,一,张金花,李延红(1 池 州学 院 工程材料实验中心,安徽 池州 2 4 7 0 0 0;2 合肥工业大学 农产 品生物化工教育部重点实验室,安徽 合肥 2 3 0 0 0 9)摘要:聚乳酸(P L )复合材料是一类重要的环境友好新型可降解材料。该材料通常是以 P L 高分子为基体,以无机钙质成分(如羟基磷灰石、磷酸钙、珊瑚、珍珠层)、碳纤维、生物活性成分、有机物等为增强材料复合而成。概述了近年来国内外通过共聚、共 混、复合等改性方法获得 P L A复合材料的研究进展;论述了 P L A复合材料的制备方法、生物相容性、力学性能、开发现状及
2、应用等;指出使用新型的复合工艺、采用超细的无机粒子或纳米增强材料或加入特殊填料,同时开发新型增强物质是 P L A复合材料的发展 趋势;展望了P L A复合材料的应用前景。关键词:聚乳酸复合材料;降解性;应用 中图分类 号:0 6 3 文献标 志码:A 文章编号:1 0 0 5 8 1 4 1(2 O O 7)1 1 1 0 1 2 0 3 Re s e a r c h P r o g r e s s a n d Ap p ff c a t i o n o f En v i r o n me n t a l F r i e n d l y Po l y l a c fi c Ac i d s
3、Co mp o s i t e s S H E N G M i n s a n Z H A N G J i n h u a L I Y a h h o n g 2 (1 E x p e rim e n t C e n t e r o f E n g i n e e ri n g Ma t e ria l s,C h i z hnu C o l l e g e,C h l z h O U 2 4 7 0 0 0,C h i n a;2 K e y L a b o r a t o r y o f B i o p r o c e s s M i n i s t r y o f E d u c a t
4、i o n,P R C,H e f e i U ni v e r s i ty o f T e c h n o l o g y,H e f e i 2 3 0 0 0 9,C h i n a)A b s t r a c t:P o l y l a c t i c a c i d s(P L A s)c o m p o s i t e s w e r e i m p o r t a n t e n vi m n m e n t a l f r i e n d l y a n d d e g r a d a b l e m a t e ri a l s P L A S c o m pos i t
5、e s w a s o b t a i n e d u s u a l l y b y u s i n g P L s as ma t r i x I n t h i s p a p e r t h e r e c e n t r e s e a r c h d e v e l o p me n t o n P L A s c o mp o s i t e s b y m 2 1 1s o f c o pol y me ri z i n g b l e n d and comp o s i t e W as d e s c ri b e d b ri e fl y I n t e r m s
6、o f d i ff e r e n t r e i n f o r c e m e n t s o r d l e r s s u c h as i n o r g a n i c c al c i u m m a t e ri a l s(h y d r o x y l a p a t i t e,c al c i um p h o s p h a t e,c o r a l,n a c r e),c a r b o n fi ber,o r g a n i c m a t e ri a l s and b i o a c fi v e c o m pon e n t s。e t c,r
7、e c e n t p r o g r e s s o f P L A s c o m p o s i t e s w e r e r e v i e w e d i n d e t a i l s T h e p r e p a r a ti o n,b i o c o mp a t i b i l i ty,me c h a n i c al p r o p e r ty and a p p l i c a t i o as o f P L As comp o s i t e s we r e a l s o i n t r o d u c ed I t W as poi n t ed o
8、 u t t h a t t h e r e s e a r c h e s o n t h e usi ng o f n o v e l p r e p a r a ti o n t e e t mo l o g y,mo l e t i n y i n o r g a n i c rei n f o r c e me n t p a r t i c l e o r n a n o me t e r o r n o v e l r e i n fo me me n t s o r f d l e rs w e r e d e v e l o p me n t d i r e c t i o
9、n s f o r P L A s c o mp o s i t e s F i n a l l y,t h e a p p l i c a t io n o f P L A s c o mpo s i t e s W as p r o s p e c t e d Ke y wo r d s:pol y l a c ti c a c i ds c o m p o s i t e s;d e gra d abi l i ty;a p p H c a ti o n 有机高分子材料的应用对人类社会的发展起了重 要作用,但塑料、橡胶等制品大部分是石油基产品,利 用的是不可再生资源,同时使用后的废弃物几
10、乎不具 备降解性,造成对环境的严重污染。为了减少对环境 的破坏,摆脱对 日 益枯竭的石油资源的依赖,开发可持 续利用、环境友好、可降解 的材料已经成为当前的研究 热点。在众多的可生物降解聚合 物中,刚进人工业化 的聚乳酸(P L A)受到了人们广泛的关 注。P I A来源于 可再生农作物,具有 良好的生物降解性,且在许多性能 上与聚乙烯(P E)、聚丙烯(P P)、聚苯乙烯(P S)等通用 塑料相似,具有广阔的市场前景,被全球公认为新世纪 最有前途的生物医用材料和新型包装材料,有望成为 通用塑料的替代产品 j。但 P I A材料在性质上也有 其 自身不能克服 的缺点 j:亲水 性。P L A分
11、子 中含 有大量的酯键,为疏水性物质,导致其亲水性差,降低 收稿 日期:2 O O 70 9 2 5;修订 日期:2 0 0 71 01 1 基金项 目:安徽省 自然科 学基金项 目(编 号:0 1 0 4 4 8 0 3);安徽 省高 校青年教师 自然科学 基金项 目(编 号:2 0 0 7 j q 1 1 8 6,2 0 0 7 j q l 1 8 7);池州学 院研究生资助项目(编号:x Y K 2 o D 5 0 5)。第一作者简介:盛敏刚(1 9 7 6一),男,安徽省安庆人,讲师,硕士,中 国化学学会会员,研究方 向为绿 色高分子 的合成及应用技术。】0】2 了它的生物相容性。机械
12、强度差。P I A本身为线型 聚合物,聚合所得 产物 的分子量分布较宽,这使 P L A 材料的强度往往不能满 足要求,抗 冲击性能差;同时 P I A对热不稳定,即使在低 于熔融温度 和热分解温度 下加工也会使分子量大幅度下降。降解速度难以控 制。价格高。乳酸价 格及其聚合工艺 决定 了 P I A 的成本较高,其制品若用于通用塑料行业,目前还很难 与石油基塑料竞争。于是,人们开始对 P L A材料的改 性展开了深入研究,采用复合材料的基本概念、基本理 论和基本方法研制出基体相和增强相都可降解的复合 材料,在满足绿色环保要求的同时,不降低甚至还可提 高其使用性能,将有利于环境友好型可降解材料
13、的推 广使用。1 P L A复合材料 为了克服 P I A 材料 的缺点,拓宽其应 用范 围,同 时满足它在实际应用 中某些特殊的功能性需要,有必 要对 P I A进行复合改性。P I A 的改性方法 有化学改 性和物理改性,化学改性包括共聚、交联、表面修饰等,主要是通过 改变聚合 物大分 子或表 面结 构改善其脆 维普资讯 http:/ 性、疏水性及降解速率等;物理改性主要是通过共混、增塑及纤维复合等方法实现对聚合物的改性。采用复 合技术是提高 P L A材料机械性能、降低成本、改善降 解性的有效途径,人们相继研究并制备 了一系列 P L A 复合材料。结果发 现,多数 P L A复合材料性
14、能优异、功能特别,具有优 良的生物相容性,较好的机械强度、弹性模量和热成型性,可用于药物缓释载体、骨折内固 定材料、手术缝合线、一次性快餐盒、食品包装袋、农用 覆膜、服装纤维等医用和工农业领域,是一类重要的绿 色可降解材料。目前,人们研究的 P L A复合材料通常以 P L A高分 子为基体,一方面通过复合超微细无机材料和有机成 分进行“内增强”,提高复合材料 的强度,如羟基磷灰石(H A)增强、碳 甲壳素纤维增强、天然碳酸钙增强、聚 乙醇酸(P G A)增 强等;另一方 面,需要通 过填料 的加 入,使复合材料进一步功能化,特别是利用填料的碱性 或药物作用,减少 P L A降解引起 的炎症【
15、。1 1 与各种纤维复合 碳纤维(C F)与高分子树脂和碳基体复合,具 有独 特的物理及化学性能。碳也是人类生命的基本元素,具有 良好 的生物相容性,碳纤维植入人体后不过敏、不 引起炎症及毒性反应,具有 良好的相容性;同时碳纤维 具有强度高、机械性好 的特点,用碳纤 维来增强 P L A,可改善 P L A的力学性能及加工性能。M a j o l a 等【4 曾测 试 了一些增强材料的初始强度,发现用碳纤维增强的 P L A初始弯曲强度高达 4 1 2 M P a。碳纤维增强 P L A时,用浓硝酸对碳纤维进行表面处理,可显著改善 P L A基 体与碳纤维的界面粘接性能,提高 C P L A复
16、合材料的 力学性 能;进一 步研 究发 现,三维碳 纤维(c 3 )增 强 P L A的复合材料具有更高的拉伸和冲击强度,降解速 率更低,二次施压后材料孔隙率变小,可进一步增加机 械强度-5 j。目前,用 P L A处理过 的碳纤维编织物作为 关节 内植入物,已成功应用于预防和治疗关节僵直。甲壳素(C H I)是天然 的可生物降解 的有机纤维,也可作为 P L A复合 材料 的增强材料。陈长春等 研 究了 C H I P L A复合材料体内体外的降解性能,发现 C H I 的水解产物和 自身所含氨基可以中和 P L A降解后 的酸性,从而减少 P L A降解后期引发 的感染性炎症 的 发生。O
17、 k s m a n h K【7 J 等采用双螺杆挤出机制备 了聚乳酸 亚麻纤维复合材料,其中亚麻纤维的含量最高可达 4 0 w t,发现聚乳酸 亚麻纤维复合材料的力学强度 比 目 前用作汽车面板的聚丙烯 亚麻纤维高 5 0,而且 聚乳酸 亚麻纤维复合材料可与聚丙烯基复合材料一 样易于挤 出和模压加工。聚乙醇酸(P G A)是人工合成 的可降解有机高分子材料,其纤维的强度 比 P L A纤维 高,因此也有人将 P G A用于 P L A复合材料 的增强。如 将 P G A手术缝合线穿过 P L A溶液,使 P L A包 裹 P G A 纤维,蒸发掉溶剂后再切断,将获得的纤维置于模 中加 热、加
18、 压,可得 到 P G A P L A复 合增 强 材料。韩 可瑜 等 0 用反复涂覆、编织方法制成了超高分子量聚乙烯 纤维 聚乳酸复合材料,并经过一系列实验证 明,这种 材料与碳纤维同样具有 良好的生物学特性,且 不易破 损,便于制备和手术操作,将其作为人工肌腱具有较好 的临床应用前景。1 2 与无机钙质复合 与羟基磷灰石复合:羟基磷灰石(H A)是天然骨组 织的重要组成部分,它能与胶原蛋 白和细胞 紧密结合,促进骨骼的生长,因其 良好的骨传导性和骨诱导作用 常被用作骨替代材料【。因此,P L A H A有机无机杂 化材料是复合生物材料中的研究热点之一。近年来的 研究表明,将 P L A与
19、H A复合有助于提高 P L A材料的 强度,中和其酸性降解产物,提高材料的骨结合能力和 生物相容性。目前 P I。A H A复合材料的制备工艺主要 采用溶液共混法。程俊秋等 1 0 J 采用溶液共混法,选用 湿态纳米 羟基磷灰 石粒子,经 超声振 荡直接分 散于 P L A溶液中,由 T I P S(T h e r m a l l y I n d u c e d P h a s e S e p a r a t i o n)工艺制备了多孔纳米 HA P L A复合 材料。纳米 H A与 聚合物基体问具有良好的界面粘接效果和分散性,材 料的综合性能得到了提高,有望作为骨组织工程 中的 支架材料。
20、由于极性 H A粒子与非极性 P L A基体间相 互作用差,H A在有 机基体 中很 难均匀 分散,限制 了 P L A H A复合材料性能的提高。为 了改善 H A粒子和 P L A基体间的界 面相容性,提高 H A在基体 中的分 散 均匀性,人们相继开发了一些新方法。始胡庆军等 J 通过原位聚合法(I S P)制备 了 P L A H A复合材料。与 超声波辅助分散的溶液共混法(U S C)相比,原位聚合 法改善 了 H A在复合材料中的分散性,在 P L A与 H A 之间形成了较强的结合界面,从而提高 P I。A H A复合 材料中 P L A的玻璃化温度,综合力学性能得到改善。在国外
21、,M a P x等 1 2 3 深入观察 了在 HA P L A三维 多孔骨组织工程支架 材料 中 H A诱 导骨 的生长过程。他们发现,仅采用 P L A时造骨细胞主要附着在聚合物 表面,而复合时会渗透到支架材料内部,并均一分布,且存活率高。V e r h e y e n B J 等将 H A等离子喷涂在 P L A 表面,厚度达 5 0 m,促进 了 P L A与骨组织的早期结合。研究证明,H A作为一道疏水屏障,延缓 了 P L A的降 解;同时 H A被组织内细胞吞噬,体液溶解,形成许多 不规则孔穴,促进了材料与组织的结合。这种材料具 有很高的压缩强度和抗张强度,且降解速度较慢,可通
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- 环境友好 新型 乳酸 复合材料 研究 应用
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