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用于生物医学装置的聚乳酸合成 - 综述

摘要：生物可吸收聚合物被认为是改进和开发医学中许多应用的合适替代物。聚乳酸（PLA）是最有前途的生物聚合物之一，因为单体可以由无毒的可再生原料以及天然存在的有机酸生产。乳酸可以通过发酵从可再生资源甘蔗中获得的糖来制备。因此，PLA是一种环保产品，具有更好的人体特征（无毒性）。乳酸聚合物可以通过不同方法合成，以获得具有多种化学和机械性质的产物。由于其优异的生物相容性和机械性能，PLA及其共聚物在组织工程中广泛用于受损组织的功能恢复。为了最大限度的发挥其使用效益，有必要了解PLA材料特性，制造工艺和具有所需特性的最终产品之间的关系。本文综述了发酵生产乳酸和聚合物合成这种生物材料。本文旨在为生物医学应用中PLA的合理使用提供关键知识和发展。

关键词：甘蔗；乳酸；生物材料；可再生资源生物；可吸收聚合物

1. 简介

具有所需特征的生物材料（可生物降解和生物可吸收）的开发有助于恢复因事故或人类疾病而受损的组织，这是涉及诸如医学和工程学等领域的最大研究挑战之一。聚合物可替代传统的生物相容性材料（金属和陶瓷）和不可生物降解的聚合物，并且有了大量的应用（Chen et al，2002; Nair and Laurencin，2007; Peter et al，1998; Temenoff and Mikos，2000）。 合成的可生物降解的聚内酯如聚乳酸（PLA），聚乙醇酸（PGA）和聚己内酯（PCL）以及它们的共聚物现在常用于生物医学装置（Cheng等，2009）， 因为它们具有优异的生物相容性。 这些聚合物通过酯键的简单水解而降解，然后将来自这种降解过程的水解产物转化为无毒的副产物，其通过正常细胞活性和尿液消除。

另一方面，合成可降解聚酯已经在外科手术中用作缝合材料和骨固定装置约30年。早在1973年，乳酸和乙醇酸被提出作为可降解的基质，用于持续输送生物活性物质（Auras等，2004）。同样，聚乳酸（PLA）已被证明是一种适用于固定装置的生物可吸收聚合物，如可再吸收的板和螺钉（Lorenz，2010）。生物可吸收的固定装置已被广泛用作可溶解的缝合线网，并且最近被整形外科医生使用（Lovald，2009; Waris等，2004）。与钛板或其他金属植入物相比，可吸收系统是非常有利的，因为它们在放入人体时不会侵蚀骨骼（Dearnaley等，2007; Lindqvist等，1992）。此外，生物可吸收装置不需要第二次手术来移除植入物 - 这降低了医疗成本 - 并且随着装置退化而允许组织功能的逐渐恢复。此外，合成的生物可吸收聚合物可刺激分离的细胞再生组织并释放止痛药，抗炎药和抗生素等药物，这些药物最近在体外和体内均作为细胞移植支架的研究动机（Chen et al，2006 ; Dai等，2010; Kulkarni等，2010）。可再吸收板的另一个期望特征是，一旦被再吸收，它们就不会阻挡计算机断层扫描（CT）扫描，这有利于随后的医学成像评估。

关于PLA，它具有广泛的机械性能，是有高生物相容性和生物降解的热塑性塑料（Auras等，2004; Gupta等，2007）。PLA从乳酸中获得，并在水解降解时转化回后者。 乳酸是天然存在的有机酸，其可以通过从诸如甘蔗的可再生资源获得的糖的发酵来生产。因此，PLA可以在环境友好的循环中生产和使用。

虽然有多种方法可以制造PLA，但它们都不简单或易于执行。PLA合成需要严格控制条件（温度，压力和pH），催化剂的使用和较长的聚合时间，这意味着高能耗。为了理解反应行为，已经通过现代模拟器进行了PLA合成的动力学研究，其提供了一种有力的工具来确定获得用于特定应用的所需PLA聚合物的最佳条件。本综述总结了有关聚乳酸的性质和应用的信息，以及目前用于生产的不同合成方法， 还回顾了来自可再生资源的乳酸生产过程。

1. 乳酸

乳酸（2-羟基丙酸）是一种简单的手性分子，以两种对映体L-和D-乳酸（图1）存在，它们对偏振光的影响不同。 光学无活性的D，L或内消旋形式是D（- ）和L（ ）异构体的等摩尔（外消旋）混合物（Gupta等，2007）。 它被认为是最具潜力的化学转换单体，因为它含有羧基和羟基（Varadarajan和Miller，1999）。