一、生物可降解材料概况

生物降解材料是20世纪80年代后随着环境、能源等矛盾的凸显而发展起来的新型材料，作为一种可自然降解的材料，在环保方面起到了独特的作用，其研究和开发已得到迅速发展，作为解决“白色污染”最为有效的途径，已引起环境专家、材料学家及更多领域人士的关注。生物可降解高分子材料一般是指降解温度不超过50℃，可在几个月到几年时间内完全降解的材料。

聚乳酸(PLA)生产过程无污染，可以生物降解，实现在自然界中的循环，有着良好的生物相容性，是理想的绿色高分子材料,在各个行业中的应用前景脱颖而出。

二、聚乳酸降解概述

 1、了解聚乳酸

合成的聚乳酸材料，具有与聚酯相似的防渗透性，同时具有与聚苯乙烯相似的光泽度、透光性和加工性。聚乳酸(PLA)属于线型热塑性生物可降解脂肪族聚酯。以玉米、小麦、木薯等一些植物中提取的淀粉为最初原料,经过酶分解得到葡萄糖,再经过乳酸菌发酵后变成乳酸,然后经过化学合成得到高纯度聚乳酸。聚乳酸制品废弃在土壤或水中，47天内会在微生物、水、酸和碱的作用下彻底分解成CO2和H2O，成为植物光合作用的原料，不会对环境产生污染，因而是一种完全自然循环型的可生物降解材料

2、聚乳酸降解概述

由于乳酸具有旋光性,因此对应的聚乳酸有三种:PDLA、PLLA、PDLLA(消旋)  。PLLA和PDLA是部分结晶高分子，力学强度较好，常用作医用缝合线和外科矫形材料。药物控释制剂常采用PLLA和PDLLA,但更多的是使用PDLLA。PLLA的降解产物L一乳酸能被人体完全代谢，因而比D-PLA更具竞争力。

3、PLA的体内降解

l PLA的水解是个复杂的过程，主要包括4个现象：吸水、酯键的断裂、可溶性齐聚物的扩散和碎片的分解。

l 降解的主要方式：本体侵蚀。

l PLA材料浸入水性介质中或植人体内后，首先发生材料吸水。水性介质渗入聚合物基质，导致聚合物分子链松弛，酯键开始初步水解，分子量降低，逐渐降解为低聚物。聚乳酸的端羧基(由聚合引入及降解产生)对其水解起催化作用，随着降解的进行，端羧基量增加，降解速率加快，从而产生自催化现象。内部降解快于表面降解，这归因于具端羧基的降解产物滞留于样品内，产生自加速效应 。

l 随着降解进行，材料内部会有越来越多的羧基加速内部材料的降解，进一步增大内外差异。当内部材料完全转变成可溶性齐聚物并溶解在水性介质中时，就会形成表面由没有完全降解的高聚物组成的中空结构。进一步降解才使低聚物水解为小分子，最后溶解在水性介质中。整个溶蚀过程是由不溶于水的固体变成水溶性物质。

l 宏观上是材料整体结构破坏，体积变小，逐渐变为碎片，最后完全溶解并被人体吸收或排出体外；

l 微观上是聚合物大分子链发生化学分解，如分子量变小、分子链断开和侧链断裂等，变为水溶性的小分子而进入体液，被细胞吞噬并被转化和代谢。

4、PLA的体外降解

l 聚乳酸的分解有两个阶段：经水解反应分解之后再靠微生物分解

l 在自然环境中首先发生水解，通过主链上不稳定的酯键水解而成低聚物，然后，微生物进入组织物内，将其分解成二氧化碳和水。在堆肥的条件下（高温和高湿度），水解反应可轻易完成，分解的速度也较快。在不容易产生水解反应的环境下，分解过程是循序渐进的。

l 微生物在自然界中普遍存在，聚乳酸可以被多种微生物降解。如镰刀酶念珠菌，青霉菌，腐殖菌等。不同细菌对不同构形的聚乳酸的降解情况是不同的。研究结果表明，镰刀酶念珠菌、青霉菌都可以完全吸收D,L     乳酸，部分还可以吸收可溶的聚乳酸低聚物。

5、降解影响因素

l pH值

酸或碱都能催化PLA水解。聚乳酸在碱性条件下降解速率>酸性条件下降解速率>中性条件下降解速率。

l 结晶度

降解过程总是从无定形区到结晶区。这是由于结晶区分子链段堆积紧密，水不容易渗透进去。先渗入无定型区，导致酯键的断裂，当大部分无定型区已降解时，才由边缘向结晶区的中心开始降解。在无定型区水解过程中，生成立构规整的低分子物质，结晶度增大，延缓了进一步水解的进行

l 分子量及分子量的分布

分子量与降解速率成反比。分子量越大，聚合物的结构越紧密， 内部的酯键越不容易断裂；而且，分子量越大，经降解所得的链段越长， 不易溶于水中，产生的水和氢正离子越少，使pH 值下降缓慢，这也是其降解速率比低分子量聚乳酸的低的原因之一。对于平均分子量相同的聚合物来说，分子量分布越宽，降解速率越快。这是因为分子量较小的聚合物先分解后，环境pH值由中性向酸性转变，从而加快了降解速度。

l 立构规整性的影响

在碱性条件下， 降解速率为PDLA (PLLA)

 ，PDLLA 由于甲基处于间同立构或无规立构状态， 对水的吸收速度较快， 因此降解较快； 而对PLLA及PDLA来说水解分为2个阶段：第一阶段，水分子扩散进入无定型区，然后发生水解；第二阶段是晶区的水解，相对来说较为缓慢。

l 酶

聚乳酸主链上含有酯键，可以被酯酶加速降解。如根霉属菌酯肪酶、猪胰腺酯肪酶、猪肝脏的梭基酯酶。

6、生物体吸收代谢途径

l 乳酸（C３H６O３）的消除：乳酸大量存在时，会导致人体内环境稳态的丧失，尤其是固有的酸碱平衡将被打破，轻则代谢紊乱，重则危及生命，因此，人体内必须消除乳酸。

l 直接氧化分解为CO２和H２O：在氧气充足的条件下，骨骼肌、心肌或其它组织细胞能摄取血液中的乳酸，在乳酸脱氢酶的作用下，将乳酸转变成丙酮酸，然后进入线粒体被彻底氧化分解，生成ＣＯ２和Ｈ２Ｏ，通过呼吸道、大小便、汗液排除体外。

l 经糖异生途径生成葡萄糖和糖元：缺氧时，乳酸大量进入血液，血乳酸的浓度升高，激活肝脏和骨骼肌细胞中的糖异生途径，将大量的乳酸转变成葡萄糖，并且释放入血液，以补充运动时血糖的消耗；在糖异生过程中，要吸收大量的H+，因此通过该过程可维护人体内环境的酸碱平衡，使机体内环境重新恢复稳态。

l 用于脂肪酸、丙氨酸等物质的合成：在肝脏细胞中，乳酸经由丙酮酸、乙酰辅酶A途径转变为脂肪酸、胆固醇、酮体和乙酸等物质，亦可经由丙酮酸，通过氨基转换作用生成丙氨酸，参与蛋白质代谢。

l 随尿液和汗液直接排出：此过程消除量极少，仅占总消除量的5%左右。L－乳酸作为一种动物体内自然的代谢产物，不会在人畜体内留下有害物质。D－型乳酸则不能在体内代谢，并会因过量产生酸中毒。

总之，人体可通过自身的各种代谢途径加以消除，以确保内环境的稳定，以利于各项生命活动的正常进行。

三、聚乳酸材料的发展前景
当国内、国际市场都在追求环保、绿色、可再生、 低能耗、可持续的资源时，PLA材料就是优选，因此，简而言之，发展前景广阔