聚乳酸的降解機(jī)理

1、降解機(jī)理與代謝途徑簡(jiǎn)述降解機(jī)理與代謝途徑簡(jiǎn)述 復(fù)旦大學(xué)復(fù)旦大學(xué) 生物可降解材料聚乳酸 1 1 概述概述 聚乳酸(PLA) 是一種具有優(yōu)良的生物相容性和可生物降解性的合成高分子材料。PLA這種線型熱塑性生物可降解脂肪族聚酯是以玉米、小麥、木薯等一些植物中提取的淀粉為最初原料,經(jīng)過(guò)酶分解得到葡萄糖,再經(jīng)過(guò)乳酸菌發(fā)酵后變成乳酸,然后經(jīng)過(guò)化學(xué)合成得到高純度聚乳酸。 1 1 概述概述 聚乳酸（PLA）分子結(jié)構(gòu)式如圖，其中的酯鍵易水解，能在體內(nèi)或土壤中經(jīng)微生物的作用降解生成乳酸，代謝最終產(chǎn)物是水和二氧化碳，所以對(duì)人體不會(huì)產(chǎn)生毒副作用，使用非常安全。因此聚乳酸已經(jīng)被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、藥學(xué)等許多方面，如用作外科手術(shù)

2、縫合線、藥物控制釋放系統(tǒng)等等。1 1 概述概述 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(jìng)爭(zhēng)力。2 PLA2 PLA體內(nèi)降解體內(nèi)降解 PLA的水解是個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，主要包括4個(gè)現(xiàn)象：吸水、酯鍵的斷裂、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。2 PLA2 PLA的體內(nèi)降解的體內(nèi)降解 PLA材料浸入水性介質(zhì)中或植人體內(nèi)后，首

3、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(kāi)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) 。2 PLA2 PLA的體內(nèi)降解的體內(nèi)降解 隨著降解進(jìn)行，材料內(nèi)部會(huì)有越來(lái)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)形成表面由沒(méi)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

4、性介質(zhì)中。2 PLA2 PLA的體內(nèi)降解的體內(nèi)降解 整個(gè)溶蝕過(guò)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(kāi)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。3 PLA3 PLA的體外降解的體外降解 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(guò)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)可輕易完成，分解的速度也

5、較快。在不容易產(chǎn)生水解反應(yīng)的環(huán)境下，分解過(guò)程是循序漸進(jìn)的。3 PLA3 PLA的體外降解的體外降解 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。4 降解影響因素降解影響因素(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。4 降解影響因素降解影響因素(2)結(jié)晶度 降解過(guò)程總是從無(wú)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

6、入無(wú)定型區(qū)，導(dǎo)致酯鍵的斷裂，當(dāng)大部分無(wú)定型區(qū)已降解時(shí)，才由邊緣向結(jié)晶區(qū)的中心開(kāi)始降解。在無(wú)定型區(qū)水解過(guò)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4 降解影響因素降解影響因素(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(zhǎng)， 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(lái)說(shuō)，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

7、速度。4 降解影響因素降解影響因素(4)立構(gòu)規(guī)整性的影響： 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(wú)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(lái)說(shuō)水解分為2個(gè)階段：第一階段，水分子擴(kuò)散進(jìn)入無(wú)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(lái)說(shuō)較為緩慢。4 降解影響因素降解影響因素（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。5 5 生物體吸收代謝的途徑生物體吸收代謝的途徑 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

8、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)必須消除乳酸。5 5 生物體吸收代謝的途徑生物體吸收代謝的途徑直接氧化分解為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(guò)呼吸道、大小便、汗液排除體外。5 5 生物體吸收代謝的途徑生物體吸收代謝的途徑經(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(guò)程中，要吸收大量的H+，因此通過(guò)該過(guò)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)。5 5 生物體吸收代謝的途徑生物體吸收代謝的途徑用于脂肪酸、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(guò)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(guò)程消除量極少，僅占總消除量的