IV 3.1纺丝溶剂的选择 ................................................... 22 3.2静电纺丝条件的优选 ............................................... 22 3.3 PLA/双氯芬酸钾复合纳米纤维的形貌分析 ............................. 29 3.4释放模型的提出与建立 ............................................. 31 3.5药物释放性能的评价 ............................................... 33 4.结 论 ................................................................. 40 致 谢 ................................................................... 41 参 考 文 献 ............................................................. 42 附 录 ................................................................... 48
聚乳酸电纺材料载药性能的研究 1
1.1生物高分子材料
1.1.1生物高分子材料的分类
1绪 论
生物高分子材料按照其来源的不同主要分为天然高分子材料、微生物合成高分子材料、化学合成高分子材料和掺混型高分子材料四类。 1)天然高分子材料
天然高分子物质如淀粉、纤维素、半纤维素、木质素、果胶、甲壳素、蛋白质等来源丰富、价格低廉，特别是天然产量居首位的纤维素和甲壳素，年生物合成量超过1010吨。利用它们制备的生物高分子材料可完全降解、具有良好的生物相容性、安全无毒，由此形成的产品兼具天然再生资源的充分利用和环境治理的双重意义，因而受到各国的重视，特别是日本。如日本四国工业技术实验所用纤维素和从甲壳素制得的脱乙酰壳聚糖复合，采用流延工艺制成的薄膜，具有与通用薄膜同样的强度，并可在2个月后完全降解；他们还对壳聚糖/淀料复合高分子材料进行了大量的研究工作，发现调节原料的比例、热处理温度，可改变高分子材料的强度和降解时间[1]。天然高分子材料虽然具有价格低廉、完全降解等诸多优点，但是它的热力学性能较差，不能满足工程高分子材料加工的性能要求，因此对天然高分子进行化学修饰、天然高分子之间的共混及天然高分子与合成高分子共混以制得具有良好降解性、实用性的生物降解高分子材料是目前研究的的一个主要方向[2]。 2)微生物合成高分子材料
微生物合成高分子材料是由生物通过各种碳源发酵制得的一类高分子材料，主要包括微生物聚酯、聚乳酸及微生物多糖，产品特点是能完全生物降解。其中聚酯类由英国ICI公司开发的商品名为Biopol最为典型，其成分是3-羟基丁酸酯(3HB)和3-羟基戊酸酯(3HV)的共聚物(PHBV)，由丙酸和葡萄糖为低物发酵合成[1]。聚乳酸是世界上近年来开发研究最活跃的降解高分子材料之一，它在土壤掩埋3-6个月破碎，在微生物分解酶作用下，6-12个月变成乳酸，最终变成CO2和H2O。微生物合成高分子材料有良好的降解性和热塑性，易加工成型，但在耐热和机械强度方面还需改进，而且成本较高，现在只在医药、电子等附加值较高的行业得到广泛应用[2]。目前，各国科学家正在进行改用各种碳源以降低成本的研究[3]。 1)化学合成高分子材料
由于在自然界中酯基容易被微生物或酶分解，所以化学合成生物降解高分子材料大多是分子结构中含有酯基结构的脂肪族聚酯。聚酯及其共聚物可由二元醇和二元酸(或二元酸衍生物）、羟基酸的逐步聚合来获得，也可由内酯环的开环聚合来制备。缩聚反
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应因受反应程度和反应过程中产生的水或其他小分子的影响，很难得到高分子量的产物。开环聚合只受催化剂活性和外界条件的影响，可得到高分子量的聚酯，相对分子量高达106，单体完全转化聚合。因此，开环聚合成为内酯、乙交酯、丙交酯的均聚和共聚合成生物降解高分子材料的理想聚合方法。目前开发的主要产品有聚乳酸、聚己内酯、聚丁二醇丁二酸酯等。除了脂肪族聚酯外，多酚、聚苯胺、聚碳酸脂、聚天冬氨酸等也已相继开发成功。合成高分子材料比天然高分子材料具有更多的优点，它可以从分子化学的角度来设计分子主链的结构，从而来控制高分子材料的物理性能，而且可以充分利用来自自然界中提取或合成的各种小分子单体。不过在如何精确的通过设计分子结构控制其性能方面还有待进一步的研究[4]。 4)掺混型高分子材料
一种组分是可生物降解的，该组分多采用淀粉、纤维素、壳聚糖等天然高分子。以淀粉为例，它可分为淀粉填充型、淀粉接枝共聚型和淀粉基质型生物降解高分子材料三类。淀粉与聚乙烯、聚乙烯醇、聚苯乙烯混合属淀粉填充型，淀粉接枝丙烯酸甲酯、丙烯酸丁酯苯乙烯等属淀粉接枝型，但是这两类高分子材料大部分不能完全彻底降解，属于不完全生物降解高分子材料，所以其前景不是很好。淀粉基质型生物降解高分子材料是以淀粉为主体，加入适量可降解添加剂来制备。如美国Warner-Lambert公司的Novon的主要原料为玉米淀粉，添加可生物降解的聚乙烯醇，该产品具有良好的成型性，可完全生物降解[5]。这是一类很有发展前途的产品，是90年代国外淀粉掺混型降解高分子材料的主攻方向。
1.1.2生物高分子材料的应用
生物降解高分子材料具有无毒、可生物降解及良好的生物相容性等优点，所以其应用领域非常广，市场潜力非常大，下面就其在包装、餐饮业、农业及医药领域的应用作一简要介绍。
1)在包装、餐饮业的应用
据有关部门预测[6,7]，我国食品包装如餐饮业、超市、蔬菜基地等，工业品包装业如家电、仪器仪表、医疗卫生等，在21世纪塑料包装高分子材料需求量将达到500万吨，按其中30%难以收集计算，则废弃物将达150万吨。如果将这些不可降解塑料由可降解高分子材料代替，可为生物降解高分子材料在包装领域开辟很大的市场。另外，庞大的一次性餐饮具的市场需求也给生物降解高分子材料带来巨大的市场空间，如在2000年我国餐盒的使用量约150亿只，方便面碗也在150亿只以上，还有一次性杯、碗、盘、碟等，特别是国家经贸委下达禁止生产、销售、使用一次性发泡塑料餐具后，降解高分子材料的市场空间显得优为广阔。 2)在农业中的应用
生物降解高分子材料的第二大应用领域就是在农业上。可生物降解高分子材料可在
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适当的条件下经有机降解过程成为混合肥料，或与有机废物混合堆肥，特别是用甲壳素/壳聚糖制备的生物降解高分子材料或含有甲壳素/壳聚糖的生物降解高分子材料，其降解产物不但有利于植物生长，还可改良土壤环境。我国是农业大国，每年农用薄膜、地膜、农副产品保鲜膜、育秧钵及化肥包装袋等的用量很大。农作物地膜覆盖面积在2000年就超过1亿亩，地膜需求量50万吨，并以每年20-30%速度增长；化肥包装袋在2000年为23万吨，估计到2005年会增至36万吨；如此大的用量造成了大量的不可降解的废弃物，既污染了环境又浪费了高分子材料。如果用可生物降解高分子材料代替，农用地膜可在田里自动降解，变成动、植物可吸收的营养物质，这样不但减轻环境的污染，有益于植物的生长，还可达到循环利用的目的。在农业领域目前已开发的产品主要有地膜、育苗钵、肥料袋、堆肥袋等[6,7]。 3)在医药领域中的应用
生物降解高分子材料在医药领域上的一重要应用是药物控制释放。在药物控制释放体系中，药物载体一般是由高分子材料来充当的，它们可分别用在不同的控制释放体系中，如凝胶控制释放、微球和微胶囊控制释放、体内埋置控制释放、靶向控制释放等等。由于这些聚合物具有被人体吸收代谢的功能，与不可降解的药物载体聚合物相比，具有缓释速率对药物性质的依赖性小、更适应不稳定药物的释放要求及释放速率更为稳定等优点。正因如此。可生物降解高分子材料作为药物缓释载体的研究吸引了世界各国的科研工作者，成为研究的热点。目前作为药物控制释放载体被广泛研究的生物降解高分子有聚乳酸、乳酸-己内酯共聚物、乙交酯-丙交酯共聚物等脂肪族聚酯以及天然高分子材料甲壳素/壳聚糖及其衍生物。生物降解高分子材料在医药领域上的另一重要应用是作为骨内固定装置。此应用包括两个方面，一是要求植入聚合物在创伤愈合过程中缓慢降解，主要用于骨折内固定高分子材料，如骨夹板、骨螺钉等；另一类要求在相当时间内聚合物缓慢降解，在初期或一定时间内在高分子材料上培养组织细胞，让其生长成组织、器官，如软骨、肝、血管、皮肤等。长期以来，国内外一直采用不锈钢金属高分子材料作骨折内固定高分子材料，由于其应力遮挡保护易形成骨质疏松，且愈合后需二次手术。若用可降解材料代替，则无需二次手术，材料在体内完成使命后会自动降解，所以用可生物降解的高分子材料来代替金属高分子材料成为另一研究热点。生物降解高分子材料在医药领域还可用作外科缝合线、组织修复、伤口敷料等[8]。
1.2聚乳酸及其载药系统
1.2.1聚乳酸及其应用
聚乳酸是以微生物发酵产物L-乳酸为单体用化学合成方法聚合而成的一种高分子降解材料，它无毒、无刺激性。乳酸有两种旋光异构体即左旋和右旋乳酸，聚合物有3种立体构型：聚右旋乳酸、聚左旋乳酸、聚消旋乳酸。聚乳酸有以下几种重要性能：
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2)降解性能。
聚乳酸是一种完全生物降解材料，了解其降解性能对其应用与各种领域有重要的作用，在这方面许多人做了大量的工作。王定国等[10]对PLA-PCL共聚材料的体外降解进行了研究。发现共聚材料5天开始降解，9个月内完全降解，是一种较为理想的医用生物降解材料[9]。而对PLA降解动力学和体内力学特征的研究则发现聚乳酸的分子量和强度半衰期为8-12周之间，体内降解速度快于体外降解速度，降解20周后才完全碎裂。同时对己内酯聚丙交酯共混物膜的降解性能的研究发现，在酶的作用下聚乳酸并不发生降解，降解的只是聚己内酯部分[11]。国产聚乳酸膜在植入后其完整性可维持12周以上，已达到引导组织再生术对膜材料降解速度的要求[12]。 3)力学性能。
聚乳酸的结晶性对其力学性能影响很大，用增强工艺制备的PL A棒材最大初始弯曲强度分为540Mpa左右，分子量增大，PLA的力学强度提高。王立等[13]的研究发现聚乳酸植入24周后体内弯曲强度在180Mpa以上，剪切强度75Mpa以上，剪切强度的下降比弯曲强度快，都大于皮质骨强度，是一种具有开发价值的新型吸收性接骨材料。卢泽俭等[14]用锌酸亚锡为引发剂，L-丙交酯为单体，采用本体聚合方法制备出粘均分子量高达80×104的PLL A，并采用成纤模压增强技术获了弯曲强度达240-260Mpa，剪切强度达170-190 M pa的高强度PLLA棒材，处于国内领先水平。王伟等[15]对国产聚乳酸接骨材料的研究发现其能够满足骨折内固定的基本要求，促使骨折早期骨性愈合。 4)毒性。
聚乳酸作为一种植入材料或医用缝线，有无毒性是考虑其应用的一个重要因素，以家兔为载体的聚乳酸毒性研究实验结果表明，其对机体无明显毒副作用，且具有防粘连、诱导骨生成及逐步降解、吸收等特性，为进一步研究应用提供了依据[16]。
聚乳酸目前主要应用在医学方面： ①医用缝线
聚乳酸缝线有生物降解性，随着伤口的愈合，缝线缓慢降解并吸收，无需二次手术。1975年，组成为92%GA和8%LA的PLGA首次作为缝合线(Vicryl)出现在市场上，即受到医生的青睐[17]。近来研究主要集中在三方面：其一，提高缝合线的机械强度，改进缝线操作性能。实验表明，用共聚物纺制成的纤维，对机体无毒性，组织反应极小，初始模量比PGA低，柔性较好，作为手术缝线具有比PLA更好的操作性[18]。其二，合成光学活性聚合物。半结晶的PDLA、PLLA比无定形PDLLA具有较高的机械强度、较大的拉伸比率及较低的收缩率，更适合于手术缝合线[15]。其三，缝合线的多功能化。在缝合线中掺入非甾体抗炎药来抑制局部炎症及异物排斥反应，在缝线中加入增塑剂，如骨胶原、低分子量PLA及其他无机盐增加缝线的韧性和调节聚合物的降解速率。
②药物缓释
近30年来，聚乳酸及其共聚物被用作一些半衰期短、稳定性差、易降解及毒副作