聚乳酸长丝的体外降解行为研究论文完整版.docx
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聚乳酸长丝的体外降解行为研究论文完整版
分类号_______________密级________________
UDC_______________学号
毕业设计(论文)
论文题目
聚乳酸长丝的体外降解行为研究
ThesisTopic
ResearchOnDegradationofPLAFilamentinVitro
学生姓名
学号
所在院系
专业班级
导师姓名职称
完成日期
20年月日
20年月日
编号:
__________
毕业设计(论文)答辩许可证
学院系专业学生所编写的毕业设计(论文)页,字数,符合毕业设计(论文)大纲的要求。
经审查:
该生已学完教学计划规定的全部课程,成绩合格,毕业设计电子文档最后一稿已交,准予参加毕业设计(论文)答辩。
相关材料
材料名称
数量
毕业设计(论文)
1册
实习报告
1册
外文资料翻译
1册
毕业论文缩写
1册
毕业设计(论文)电子版
1套
指导教师:
(签名)
教研室主任:
(签名)
系主任:
(签名)
院长:
(签名)
年月日
毕业设计(论文)任务书
毕业设计(论文)题目;
聚乳酸长丝的体外降解行为研究
毕业设计(论文)要求及原始数据(资料):
1.开题报告
查阅有关聚乳酸纤维生物体中降解相关文献资料,了解目前国内外聚乳酸长丝降解实验的发展历史与现状,通过实验研究聚乳酸长丝在模拟人体体液环境中的降解行为,对实验结果进行分析,确定该课题的目的和意义、研究思路及方案,完成文献综述报告,要求字数不少于2000字。
2.论文正文
根据文献综述与研究方案,并在老师的悉心指导下,制定有效可行的实验方案,按时间规划合理完成相关实验,记录有关数据,分析并整理,完成论文。
3.实习报告
认真参加实习,根据工作内容以及行业内外发展现状,将实习所得归纳、总结,完成实习报告,要求不少于3000字。
4.外文文献翻译
仔细阅读课题相关的外文文献,准确翻译外文文献。
毕业设计(论文)主要内容:
开题报告
一、聚乳酸纤维研究领域概论
二、课题研究意义及目的
(一)已有成果的疏漏和不足
(二)观点及论文题目
(三)选题的目的和意义
三、研究思路及方案
(一)研究思路
(二)研究方法及手段
四、进度计划
五、参考文献
论文正文
一、前言
二、实验部分
三、结果与分析
四、结论
五、展望
六、参考文献
学生应交出的设计文件(论文):
1.开题报告
2.论文正文部分和实习报告
3.外文文献翻译
4.论文缩写
另需交:
5.有关文件的电子版
主要参考文献:
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专业班级:
学生姓名:
要求设计(论文)工作起止日期:
指导教师签字:
日期:
教研室主任审查签字:
日期:
系主任批准签字:
日期:
聚乳酸长丝的体外降解行为研究
【摘要】
作为一种良好的生物可降解材料,聚乳酸(PLA)被广泛应用于各个领域。
早在20世纪70年代,由于在人体内的易分解性和分解产物的高度安全性,聚乳酸成为少数被美国食品及药物管理局(FDA)批准的生物医用材料,用作可降解缝合线、伤口敷料、骨科固定及组织修复材料、生物传感器、药物控制释放体系等。
因此,人体体液环境条件下聚乳酸纤维降解性能的研究已成为一个热门课题。
本课题研究了聚乳酸长丝在模拟人体体液环境中的降解情况,主要研究聚乳酸长丝强力和质量的变化情况。
研究表明,聚乳酸纤维的强力比质量变化的更明显。
【关键词】
聚乳酸;体外环境;断裂强力;降解率
ResearchonDegradationofPLAfilamentinvitro
Abstracts:
Asawell-biodegradablematerial,Polylacticacid(PLA)hasbeenwidelyusedinvariousfields.Inthe1970s,asconsequenceoftheeasydecompositioninman'sbody,andthehighsecurityofthedecompositionproducts,polylacticacidwasapprovalledbytheU.S.FoodandDrugAdministration(FDA)foraMedicalmaterials,andusedasthebiodegradablesutures,wounddressings,orthopedicfixationandtissuerepairmaterials,biosensors,drugcontrolledreleasesystemsandsoon.Therefore,thestudyofPLAfiberdegradationinman'sbodyfluidshasbecomeahottopic.
Thedegradationofpolylacticacidfilamentinsimulatedfluidofman'sbodyisstudiedinthistopic,ThemainresearchofPLAfilamentinthistopicisthechangesofstrengthandquality.Researchshowsthat,polylacticacidfiberstrengththanthequalityofthemoreobviouschanges.
Keywords:
Polylacticacid;Invitro;Breakingstrength;Degradationrate
目录
开题报告-1-
一、聚乳酸纤维研究领域概论-2-
二、课题的研究意义和目的-2-
(一)已有成果的不足或疏漏-8-
(二)观点及论文题目-8-
(三)选题的目的和意义-8-
三、研究思路及方案-8-
(一)研究思路-9-
(二)研究方法及手段-9-
四、进度计划-9-
五、参考文献-10-
论文正文-13-
一、前言-14-
二、实验部分-15-
三、结果与分析-17-
四、结论-20-
五、展望
六、参考文献-23-
毕业实习报告-26-
外文资料及译文-30-
英文原文:
-31-
中文翻译:
-36-
论文缩写-41-
致谢-51-
开题报告
学院:
系别:
纺织系
专业班级:
姓名:
指导老师:
一、聚乳酸纤维研究领域概论
1.1聚乳酸的研究背景
聚乳酸,简称PLA,是从玉米、木薯等一些植物中提取的淀粉经酸分解后得到葡萄糖,再经乳酸菌发酵生成乳酸,乳酸分子中的羧基和羟基的反应性较高,在适当条件下容易合成高纯度的聚乳酸。
用玉米加工乳酸的工艺流程如下:
玉米→玉米淀粉→微生物发酵→乳酸。
聚乳酸的合成方法包括直接聚合法和间接聚合法两种方法,直接聚合法的过程:
乳酸→低聚物→聚乳酸,间接聚合法的过程:
乳酸→丙交脂→聚乳酸。
目前,乳酸聚合主要采用丙交酝法,又称两步法,其生产工序为:
第一步将乳酸脱水环化制成丙交醋;第二步将丙交酷开环聚合制得聚乳酸。
聚乳酸纤维是一种性能较好,可自然降解的纤维,也可以再生物体体液的环境下降解,可采用玉米的自然资源制取,从原料到废弃物完全是绿色、环保,同时还可以再生利用。
用玉米等天然原料加工聚乳酸产品对资源的综合利用、减少环境污染具有重要的意义和开发价值,因而受到了广泛的关注。
1.2聚乳酸纤维国内外发展的历史和现状
人类在21世纪的最大课题之一是保护环境。
当前人类生存的唯一家园——地球的环境污染已经引起所有人的关注,塑料和合成纤维虽然都很有用,但大多数不能自然分解,其废弃物会造成污染。
随着以石油的矿物质为原料制造合成纤维的生产过程所排放的二氧化碳已经造成严重的温室效应和大气的污染,同时由于世界范围的矿物质的开采和消耗量不断增大,原始自然资源的严重减少甚至走向缺乏。
绿色环保问题已成为全球关注的核心问题自20世纪60年代,人们开始研究和开发生物可降解聚合物,以保护环境。
其中以聚乳酸纤维最为瞩目。
聚乳酸也称为聚丙交酯,它属于聚酯家族,因为具有良好的加工性能,优良的生物相容性和合适的力学性能,所以制品种类很多,用途很广泛。
聚乳酸纤维是一种可完全生物降解的合成纤维,它可从玉米、木薯等物质中获取。
由其生产的制品废弃后在土壤中经微生物作用可降解为二氧化碳和水,燃烧时,不会散发有毒气体,不会造成环境污染,是一种可以循环利用的、可持续发展的绿色环保生态纤维,因此得到国内外广泛的关注和应用。
1.3聚乳酸纤维的性能
1.3.1聚乳酸纤维的机械性能
聚乳酸纤维的细度较细,强度30-50CN/tex,伸长率30%-40%,回潮率和聚酯纤维相近,约为0.4%-0.6%,卷曲30-50/10cm,比重1.25g/cm3,熔点170。
聚乳酸纤维的比重小于涤纶,大于锦纶6,因此聚乳酸纤维的制成品比较轻盈。
聚乳酸纤维的熔点与涤纶,锦纶比较要明显低,聚乳酸纤维的断裂强度和断裂伸长率都于涤纶接近;因此,聚乳酸纤维属于高强、中伸、低模型,这些使得其面料能够制成高强力、延伸性好、手感柔软、悬垂性好、回弹性好以及较好卷曲性和卷曲持久性的纺织品。
1.3.2聚乳酸纤维的热学和光学性能
聚乳酸纤维具有较高的结晶性和取向性,因此具有较高的耐热性,聚乳酸纤维的的燃烧热低于聚酯和聚酰胺纤维,燃烧时产生的烟雾很少;聚乳酸虽不能阻燃,但有一定的熄灭性,而且其持续时间短,通过比较简单的阻燃处理,即可获得较为理想的阻燃性能。
聚乳酸有很好的抗紫外线功能,在紫外线长期照射下,其断裂强度和断裂伸长率几乎不变。
1.3.3聚乳酸纤维的生物可降解性能
聚乳酸纤维及其共聚物有良好的生物降解性,在土壤、淤泥、海水或河水等具有一定温湿度的自然环境中,PLA纤维首先开始水解,生成为CO2和H2O,CO2和H2O通过光合作用,重新变成乳酸的原料——淀粉。
聚乳酸纤维制品具有抗菌和防腐性能,可用于服装、服饰医用防护及其他各领域的纺织产品。
聚乳酸纤维生物体内降解,同时也可以被生物体吸收。
在人体中聚乳酸也可以被吸收,对人体无害,无积累,聚乳酸纤维具有无毒、防毒和抗菌作用,它的人体可吸收性在医学上开发了免拆手术缝合线。
1.4聚乳酸纤维的降解特性
从分子结构角度看,高分子聚合物材料的降解主要有3种方式:
(1)主链降解生成低聚物和单体;
(2)侧链水解生成可溶性的单链高分子化合物;(3)交链点裂解生成可溶性的线性高分子。
聚乳酸的降解,一般认为主要方式为本体降解,即以第1种方式降解[1]。
从聚乳酸类材料来看其降解又可分为简单水解降解和酶催化水解降解。
简单水解降解是水分子攻击聚乳酸分子中的酯键,使其分解为羧酸和醇的反应,是酯化反应的逆反应。
聚乳酸的酶催化降解是一个间接的过程,首先是主链上不稳定的C-O键水解生成低聚物,然后在酶的作用下进一步降解为二氧化碳和水,和纤维素等天然聚合物的降解是不同的。
天然聚合物的降解,一般是直接和酶反应;而聚乳酸酯不接受直接的酶攻击,在自然降解环境下首先发生水解,使其相对分子质量有所降低,分子骨架有所破裂,形成较低相对分子质量的组分。
水解到一定程度,方可以进一步在酶的作用下新陈代谢,使降解过程得以完成[2]。
在这里,第一步的水解作用几乎是不可避免的,是发生在聚合物的晶区和非晶区表面。
因此,聚乳酸酯的酶降解过程是间接的。
研究表明,唯一能使聚乳酸酯不经水解而直接发生作用的只有蛋白酶K,但水的加入也起了重要的作用,它导致聚合物溶胀而容易被酶进攻。
聚乳酸及其共聚物由于主链上含有酯键,可以被酯酶加速降解。
1.5聚乳酸纤维的降解影响因素
高分子聚合物材料的生物降解机理是非常繁琐复杂的,而且影响其降解的因素更加繁多,其中:
分子结构、结晶度、取向度、分子量、pH值、温度等因素对其降解具有较显著的影响作用,以下就这些因素对聚乳酸的降解的影响作详细阐述。
1.5.1分子结构的影响
分子结构是影响聚乳酸特性的一个重要因素。
本身有部分酸性成份的聚合物比放在酸性环境中的聚合物的降解速率要快,这说明聚合物本身的结构比降解的自然环境更重要。
S.H.Lee等[3]制备了3臂、4臂的聚乳酸,相同分子量的不同星形结构的聚乳酸分子的端基数目不同,降解速度也不相同。
Li等人[4]通过研究发现随着极性端基数目的增加降解速度呈上升趋势,由于含支化结构的聚合物具有较低的结晶度和较多的末端基,因此这同样可以解释相同分子量的星形结构的比线性结构的聚乳酸降解快的原理。
人们通过合成聚乳酸为基的各类共聚物来改变其化学结构及性能,达到控制其降解速度。
如PLGA共聚物[5],PEG的引入不但提高了PLA的亲水性,降低了其结晶度,使聚合物的降解速度加快,同时还赋予材料新的特性和功能。
共混改性中,引入基团的亲水性在聚合物的水解过程中起决定作用,亲水性越好,水解降解越显著。
S.M.N.Scapin[6]通过添加柠檬酸三乙酯改变PLLA的多孔性可以控制PLLA的降解时间,而且没有破坏聚合物的生物适应性。
端基的种类对PLA的降解也有重要的影响。
S.H.Lee等[3]合成了不同端基(胺基、氯酰基、羧基和羟基)的聚乳酸,并对其降解性进行了研究,发现NH2-PLA、C-lPLA比COOH-PLA、OH-PLA的降解速度较慢,说明NH2-PLA和C-lPLA有一定的抗水解性能。
可能由于Cl-和NH-2极性比OH-的小,导致较低的降解情况。
另外,NH-2能和加速水解降解的酸性基团配位,可能也是导致降解速度降低的原因之一。
乳酸的构型也会对其降解产生影响。
McCarthy的研究小组用K-蛋白酶在PLLA降解方面做了大量的研究。
根据实验观测,和D-聚乳酸相比,K-蛋白酶优先降解L-聚乳酸,D-聚乳酸几乎不能被降解。
在K-蛋白酶降解3种混合共聚物的实验中,可以得出结论,K-蛋白酶优先降解L-L、L-D、D-L,不降解D-D的共聚物。
1.5.2结晶度的影响
聚乳酸在蛋白酶中的酸性水解降解速率与结晶度有关,LijianLiu等[7]在用K-蛋白酶降解聚乳酸的研究中,发现K-蛋白酶优先降解PLLA的无定型区域,很难降解PLLA晶体。
无定型的PLLA-PDLA共聚物的降解速率比部分结晶的PLLA-PDLA的快的多,这可以认为是链的排列分布不同导致的,反映出K-蛋白酶对聚乳酸的结晶度具有很高的敏感度。
在结晶区域分子结构排列紧密,酶分子很难进入到聚乳酸分子内部,因此降解速度很慢。
但也有人认为结晶度的增加是由于无定型区的水解使得剩余样品中结晶相的比例增加的原因。
无定型领域降解速度快,生成的短链产物迅速增加,分子链重排也可能导致结晶度增加。
YoshihiroKikkawa等[8]用不可结晶的和可结晶的两种类型的聚乳酸来做实验的试样,研究它们在K-蛋白酶缓冲液中的降解。
在降解的初期同样可以直接的观察到,晶体周围的无定形区域优先降解,晶体PLLA薄片在酶的降解过程中没有明显变化,然而在碱性水解中薄片减少。
纯晶体PLLA的酶降解优先出现在晶体边缘而不是排列整齐的表面,而碱性水解同时侵蚀晶体边缘和表面。
Tsuji[9]也研究了在K蛋白酶作用下PLLA膜降解过程中晶粒的影响,发现和晶粒之间的无定性区域相比,降解主要发生在晶粒外界的无定形区域。
1.5.3分子量的影响
对于不同分子量的聚合物,在相同降解时间和相同降解环境下,分子量较高的降解相对较慢,分子量低的降解相对较快。
几乎所有降解实验的结果都符合这个规律。
尚春[10]认为:
共聚物的分子量和聚合度分布性可显著影响材料的水解速度。
分子链上的酯键水解是无规则的,每个酯键都可能被水解,分子链越长,被水解的部位越多,分子量降低地也越快。
分子量低了,端基数目增多,是直接加速其降解的原因之一。
且共聚物的结晶度和熔点亦与分子量直接相关,因此分子量的大小对聚乳酸的降解有着关联影响。
1.5.4PH的影响
聚乳酸类聚合物的化学降解是在酸性条件下,由于氢离子的作用是酯键断开引起的,因此溶液的pH是影响聚乳酸及其共聚物降解的又一因素。
HidetoTsuji[11]等研究了在pH范围从0.9~12.8的水溶液中聚乳酸的降解情况,GPC和DSC结果说明,残余晶体的水解从pH背离7时开始加速,说明氢离子和氢氧根离子的接触对晶体的水解有影响。
马晓妍等[12]的研究发现,聚乳酸在去离子水、0.01mol/L盐酸溶液、pH为7.4的磷酸缓冲液、0.01mol/L氢氧化钠溶液4种降解介质中的降解速率,从快到慢的顺序为:
碱液﹥酸液﹥去离子水﹥缓冲液。
在碱液中的降解速率最快,是因为聚乳酸水解生成羧酸产物与碱中和,促进了水解反应向正反应方向进行。
聚乳酸在磷酸缓冲液中的降解,虽然生成羧基使溶液酸性增加,但是由于磷酸缓冲液可以保持溶液的pH在一个恒定的范围内,因此降解较慢。
而在去离子水中,由于聚乳酸水解产生的羧基可以催化和加速酯键的水解,所以聚乳酸在去离子水中的降解比在磷酸缓冲液中快。
1.5.5湿度的影响
由于聚乳酸酯在降解机理上存在的特殊性,它的降解总是必须先行水解,并在水解至一定程度后方可以进行酶解。
因此,适宜水解的环境条件,可以明显地影响降解的速度。
聚乳酸酯的水解速度与环境温湿度条件有很大关系。
钱以宏专门对聚乳酸在不同湿度下的降解性能进行了研究,结果显示相对湿度为80%时的降解速度是相对湿度20%时的降解速度的3倍以上。
环境湿度越大,温度越高,水解就越快,降解时间便越短。
YoshihiroKikkawa等[13]在真空环境和在水环境下,用原子显微镜(AFM)研究300nm厚的PLAs膜的性质和薄膜表面分子的活性的关系。
观测发现PLA表面在水环境中比在真空条件下有更低的玻璃熔融温度。
在水环境下c-PLA的冷结晶温度比在真空条件下降低。
这些都充分证明环境湿度增大,分子活性增强,加快降解速度。
除了环境的湿度,材料本身的亲水性对其降解和应用也有重要的影响。
共混改性中,填料的亲水性在聚合物的水解过程中起决定作用,填料的亲水性越好,水解降解越显著。
Yun-QiWANG等通过改变聚乳酸表面的亲水性和粗糙度,用鼠L929纤维原细胞来测定PLLA表面的细胞亲和力,发现随着亲水性的改善和粗糙度的增加,PLLA表面鼠L929纤维原细胞的支持和生长都得到了明显的改进。
因此改良表面的亲水性是聚乳酸在组织工程方面应用的研究重点之一。
1.5.6其他
张敏等[14]考察了环境中微量金属离子的存在对PLA降解的影响。
实验表明Mg2+、Zn2+和Ca2+这3种金属离子对PLA的生物降解速度为:
Ca2+﹥Mg2+﹥Zn2+﹥普通土壤提取液。
此外UV照射、聚合物共混物的相分配、等离子体处理等均对聚合物的生物降解能力产生很大影响。
将醋酸纤维素膜在UV照射下进行微生物酶的降解,其质量损失率可提高37%,表明UV照射对生物降解性有大的影响。
共混物相分离情况的考
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