聚乙醇酸改性及其应用研究进展

董露茜，徐 芳∗，翁云宣∗∗

（北京工商大学化学与材料工程学院，北京 100048）

0 前言

随着全球对塑料污染问题的逐渐重视，“减量、循环、回收再利用和可降解”成为了塑料污染治理的举措，其中可降解塑料作为一些不易或不宜回收的塑料制品的替代品成为了关注热点。尤其是在易泄漏到环境中的一次性塑料制品的替代方面，生物降解塑料更是被人们寄予了厚望。生物降解塑料中目前已规模化应用的聚合物主要是聚乳酸（PLA）、聚对苯二甲酸己二酸‑丁二酯（PBAT），PLA目前主要原料为淀粉来源的乳酸，而PBAT主要来源于化石基。然而，PBAT和PLA目前的成本均较高，阻隔性能相对较差，且PLA在土壤和海水环境中降解速率较慢。PGA无毒无害，可快速降解，且具有良好的生物相容性、力学性能和阻隔性能，拥有广阔的应用前景。传统合成PGA所用的原料价格昂贵，导致PGA仅被用于医疗等高端领域，随着神华公司以煤基乙醇酸甲酯合成PGA的产业化，PGA的生产成本降低，其应用开发成为了研究热点。

PGA是脂肪族聚酯中最简单的一种，早在20世纪30年代，著名高分子化学家Corothers用乙醇酸直接缩聚得到了PGA，从此人们对PGA的研究就未停止过。1962年，研究者们通过采用乙交酯开环聚合制备了高相对分子质量的PGA，并被用来作为可生物降解的手术线［1］。2010年，煤基合成气制取PGA的技术取得了突破，使乙醇酸甲酯大规模生产PGA成为可行的工艺路线，通过这一技术可大幅度降低PGA的生产成本，为PGA的工业化提供了有力保障［2］。2010年，日本吴羽公司在美国建设了产能4 000 t/a的工厂，让PGA实现了商业化。上海浦景化工技术股份有限公司2018年与中国神华煤制油化工有限公司进行股权合作，在内蒙古建设了万吨级PGA生产线项目［3］。2020年4月，国家能源集团神华榆林化工有限公司50 kt/a的PGA示范项目已审核备案，计划于2021年年底建成投产。中国石化在贵州规划建设500 kt/a的PGA生产项目，项目一期工程于2021年7月开工。随着这些项目的落地，我国PGA产能将持续攀升，PGA或将逐渐实现国产化，市场规模也将不断扩大，展现了较好的发展前景。PGA拥有较好的生物降解性、生物相容性、阻隔性等优点，也存在熔点高、热加工温度区间窄、材料硬而脆等缺点，对PGA的适当改性，成为了其推广应用的关键。本文就PGA的改性以及应用进展等内容进行讨论综述。

1 PGA的性能

PGA又称聚乙交酯或聚羟基乙酸，是单元碳数最少、降解速度最快的线形脂肪族聚酯，其结构式如图1（a）所示。

图1 PGA的结构式（a）和晶体结构（b）［4］Fig.1 Structure（a）and crystal structure（b）of PGA

1.1 物理性能

PGA的晶胞为斜方晶系，每个晶胞包含两条平面锯齿构象的分子链，如图1（b）所示。与其他酯类聚合物相比，PGA的C—O键长较短，而C—C—O键角较大，分子链紧密堆积且酯基基团的距离非常近，使PGA表出了优异的物理性能，结晶度较高、熔点较高、力学性能良好，其主要性能参数如表1所示［4‑5］。但不同的合成途径和催化剂得到的PGA分子量、端基数量、链结构等分子性能不同，会导致其拉伸强度、断裂伸长率、热性能等性能略有不同。此外，因PGA是致密结晶聚合物，其溶解性能差，除微溶于六氟异丙醇外，一般不溶于水溶液和所有的有机溶剂。由于熔点高、溶解性差、晶体密度高以及晶格稳定性高，PGA的加工区间较窄，加工成型较为困难。

表1 PGA的主要性能参数［5］Tab.1 The main performance parameters of PGA

1.2 降解性能

（1）体内降解

PGA具有出色的可生物降解性能，最终可降解为对人体、动植物和自然环境无害的水和二氧化碳。大量的实验结果表明，PGA在体内能够完全降解而不需要特殊酶的参与，降解产物被人体吸收代谢，最终通过泌尿系统和呼吸系统排出体外［6］。PGA在体内的降解以水解为主，水分子进入到PGA分子中使主链上的酯键水解，逐步解聚形成乙醇酸单体。一方面乙醇酸可以随尿液排出体外；另一方面乙醇酸在酶的作用下可以生成甘氨酸，继而合成蛋白质，或转变为丙酮酸继而通过代谢作用生成二氧化碳和水，具体过程如图2所示。

图2 PGA体内降解示意图Fig.2 In vivo degradation process of PGA

（2）环境降解

PGA属于全生物降解材料，在水和微生物的作用下，PGA能够在自然界中实现快速降解。其降解过程也主要分为两步：第一步是水分子进入到PGA的非结晶区，使主链上的酯键水解而形成低聚物；第二步是在微生物的作用下进行进一步分解，最终降解为水和二氧化碳，如图3（a）所示。在自身端羧基的自催化作用下，PGA降解的速度不断加快，分子量逐渐降低，其力学强度也逐渐降低。PGA在海水中的降解性能优异，降解28天时降解速率能达到75.3%。此外，PGA可用于工业或家庭堆肥，在58℃的有氧条件下进行堆肥测试，其降解速率与纤维素相似［图3（b）］［7］。

图3 PGA环境降解示意图（a）及PGA和纤维素在58℃条件下的堆肥降解率（b）［7］Fig.3 Degradation process of PGA in nature environment（a）and tests of PGA and cellulose under aerobic conditions maintained at 58 ℃ in controlled compost（b）

1.3 阻隔性能

由于密度和分子体积较大，PGA具有优异的气体阻隔性能。如图4（a）所示，PGA的氧气透过率（OTR）和水蒸气透过率（WVTR）均低于其他材料，其对氧气和水蒸气的阻隔效果是PET的100倍，其阻隔性受环境温度的影响较小。并且，PGA的密度越大，其气阻性能越高［图4（b）］［7］。日本吴羽公司从减少石油原料的使用量出发，在聚对苯二甲酸类塑料瓶中加入了1%的PGA。结果表明，PGA的加入能使聚对苯二甲酸类塑料的使用量减少20%，同时保持较好的气体阻隔性能［8］。结合PGA较快的生物降解速率、较好的刚度和力学性能，PGA可以作为理想的包装材料，如食品和饮料包装［9］。

图4 PGA等聚合物OTR和WVTR（a）及PGA密度对OTR的影响（b）［7］Fig.4 OTR and WVTR of polymers such as PGA（a）and influence of PGA density on OTR（b）

2 PGA的改性

PGA具有优异的生物降解性、力学性能和阻隔性能，具有广阔的应用前景。然而，PGA固有的亲水性差、脆性大、热稳定性差、熔体强度低、加工成型困难等缺陷限制了其在许多领域中的应用。因此，对其性能的优化成为拓展PGA应用中的重点。目前，针对PGA的改性主要包括亲水性能和细胞相容性改性、力学性能改性、熔体强度和耐热性能改性、降解速率的调控以及抗菌性能改性（如表2所示）。

表2 PGA的改性研究Tab.2 Modifications of PGA

2.1 亲水性能和细胞相容性的改性

作为生物医学材料，PGA的表面亲水性会影响神经细胞的黏附和神经营养因子的传递。由于PGA分子上缺乏特定的细胞和分子相互作用位点，使其在促进细胞粘附、增殖和分化方面的表现不佳，影响了其在临床实践中的治疗效果。为了能在增强PGA亲水性和细胞相容性的同时，尽量保持其力学性能，研究者们开发了一些表面改性法。Wang等［10］将PGA和PLGA纤维浸泡在由无水乙醇和聚磷酸（体积比为1∶1）组成的混合溶液中，并用250 W的超声处理6 min，对PGA和PLGA纤维进行了表面改性。超声改性后的PGA纤维表面粗糙，出现了突起和微小的沟槽，表面的分子略有水解，产生了较多的极性基团。超声改性操作简便，改性PGA纤维的水接触角从61.17o降低到57.07o，成纤细胞在改性纤维上生长更加良好。Fu等［11］用氨水对PGA和PLA单丝进行了表面改性，改性后纤维表面的粗糙度和亲水性都显著增加，PGA纤维表面的水接触角从126.8o降低到75.9o。结果表明，氨水改性PGA纤维能够使纤维表面出现沟槽和剥落，纤维的比表面积增加、极性基团数量增加，有助于提高细胞黏附能力［图5（c）、（d））］，PGA纤维的48 h的最大细胞黏附值达到59.43%。Huang等［12］开发了一种双功能肽作为界面生物材料（IFBMs）用于PGA的表面修饰，促进内皮细胞在PGA上的粘附与扩散。表面修饰后的PGA与内皮细胞的结合增加了200%，细胞扩散增加了70%～120%。这些表面改性的方法能够在一定程度上提高PGA亲水性和细胞黏附性能，并使PGA保持良好的力学性能。

图5 各样品的扫描电子显微镜（SEM）照片及细胞生长形态Fig.5 SEM of the samples and cell morphology

2.2 力学性能的改性

PGA的弹性和柔性较差，断裂伸长率小于20%。其固有脆性可能限制了PGA在许多其他工业领域中的使用，但有关PGA增韧改性的报道很少。由于PGA与PLA的结构非常相似，Chang等［13］借鉴PLA的增韧改性方法，选用聚氧化乙烯（PEO）增韧PGA。在PGA基体中添加不同含量的PEO制备PGA/PEO共混物，当PEO的添加量达到15%（质量分数，下同）时，PGA/PEO共混体系的韧性显著提高，其断裂伸长率由3.67%提高到54.14%，冲击强度从26.15 kJ/m2提高到36.87 kJ/m2。PEO含量较低时，少量的PEO不能相互关联，复合材料的脆性较大［图6（a）、（b）］；而当PEO的含量逐渐提高时，PEO之间出现关联，PEO和PGA逐渐形成了共连续的海岛结构，韧性提高。PBAT具有较好的延展性和断裂伸长率，冯申等［14］采用熔融共混的方法，制备出PGA/PBAT复合材料，以期达到二者性能互补的目的。结果表明，PBAT能够改善PGA固有的脆性，当PGA含量为90%时，复合材料注塑样条的断裂伸长率从14.31%提高到72.15%、冲击强度从3.53 kJ/m2提高到16.00 kJ/m2，但拉伸强度从113 MPa降低到了68.80 MPa；当PGA含量为20%时，吹塑薄膜的纵横向拉伸强度均在25 MPa以上，纵横向断裂伸长率均在600%以上，并且该复合膜的水蒸气透过率是纯PBAT薄膜的1/7。Wang等［15］采用熔融共混的方法，制备了PGA/聚乙二醇‑共环己烷‑1，4‑二甲醇对苯二甲酸酯（PETG）复合材料，并加入扩链剂ADR改善两者相容性，最终得到了强度和延展性都很好的复合材料。

图6 基于渗流理论的连续PEO的形成模型［13］Fig.6 Model interpretation of the formation of the continuous PEO phase based on percolation theory

PGA硬度低于金属，这限制了它替代金属材料在各种生物医学的应用，比如手指的固定装置等。Schmidt等［16］制备了氧化石墨烯‑聚酯复合材料，用于生物可降解支架。分别将PGA、PLA和PCL通过共价键接枝到氧化石墨烯的衍生物上，改性后聚酯不仅保持了生物降解行和相容性，而且极限抗压强度和弹性模量都有所提高。PGA的极限抗压强度和弹性模量分别为32 MPa和59 MPa，而PGA/氧化石墨烯复合材料的极限抗压强度和弹性模量分别提高到了78 MPa和216 MPa。此外，为了拓展PGA的应用领域，使其可以作为短期使用的高强度工程材料，杨海存等［17］通过混纤纱法制备了玻璃纤维（GF）增强的PP/PGA复合材料，并进行了熔融纺丝。当GF质量分数为70%时，纤维的拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量分别为291.5、288.3、13 815 MPa，力学性能得到提升，并且在缓冲溶液中降解28 d后其拉伸强度的维持率为66%。

PGA和PLA的结构相似，但PLA亲水性差、结晶度低。根据PGA和PLA的生物降解性、熔点、硬度、水解性能等进行不同比例的共聚，可以合成综合性能优良的聚合物PLGA。将乙醇酸和乳酸以摩尔比90∶10的比例共聚制得的手术缝合线，得到的复合材料PLGA的强度大于纯PGA，其商品名为Vicryl；用聚乙醇酸和三亚甲基碳酸酯共聚得到的缝合线，具有较高的拉伸强度和结节强度，甚至比聚丙烯线和聚酰胺线还高，这种缝合线的商品名为 Maxon［18］。张永祥等［19］采用浸涂法，将PLGA涂覆在经过等离子处理的PP补片一侧，得到的PLGA/PP腹壁复合补片比纯PP补片拥有更好的弹性和拉伸性能。

2.3 熔体强度和耐热性能的改性

PGA在熔体加工过程中熔体强度和热稳定性较低，加工性能差，高温易降解，限制了其在吹膜、吹瓶、注塑等工艺中的广泛应用。和PLA相似，PGA存在端羧基和端羟基，可以通过添加扩链剂对其进行改性。陈兰兰等［20］采用扩链剂SAG‑008与抗氧剂 9228复配对PGA进行改性，在降低热降解的同时达到扩链增黏的目的。改性后PGA的初始分解温度T‑5%由327.5℃提高到349.6℃，并且熔体黏度提高6倍以上，提高了PGA的熔体强度，并且抗水解稳定性也有一定程度提高。研究表明，单独使用扩链剂和抗氧剂均可使熔体强度提高，而扩链剂和抗氧剂复配则可以得到更高的熔体强度。Chen等［21］向PGA中加入了苯乙烯‑丙烯腈‑甲基丙烯酸缩水甘油酯三元共聚物（St‑AN‑GMA）和4，4’‑亚甲基双（苯基异氰酸酯）（MDI）两种反应型扩链剂，以提高PGA的熔体强度和稳定性。结果表明，MDI在扩链和提高稳定性方面比St‑AN‑GMA更有效，加入3%的MDI使PGA的T‑5%由310.8℃提高到334.5℃，同时熔体流动速率由47.2 g/10 min降低到13 g/10 min。

2.4 降解速率的调控

PGA的降解速度很快，存在降解后力学性能较差的问题，限制了其在组织支架、工程等领域的应用。对可生物降解材料的降解速率进行调控，以期满足不同领域的应用要求，具有非常重要的现实意义。将PGA与三亚甲基碳酸酯共聚得到的可吸收缝合线在体内降解速度减慢，28 d时仍维持其原始强度的59%［18］。此外，研究者们常将PGA和PLA混合/共聚，通过调控载体的比例以控制材料的降解速率。刘淑强等［22］采用乳化‑溶剂挥发法制备PLA/PGA载药微球，分析了不同比例下PLA/PGA微球的缓释性能。结果表明，载体中PGA的比例越大，降解速率越快，初期释药性能越好；而载体中PLA的比例越高，降解速率越慢，微球的缓释性能越好。王冉旭等［23‑24］探寻了不同比例的PLA‑PGA共聚物与羟基磷灰石（PLGA/HA）复合支架的降解速率，结果表明HA作为无机分子材料，具有低降解速率、高力学性能及促进细胞黏附等优点，含20%HA的复合支架具有较适宜的降解速率，并且支架的力学性能得到增强。

2.5 抗菌性能的改性

PGA由于其可生物降解的特性和优异的生物相容性，常被用作手术缝合线，通过添加可以抗菌的物质，让手术缝合线同时具有抗菌的特性，有望减少手术部位感染，使PGA缝合线应用更为广泛。Edis等［25］用天然肉桂皮提取物与聚乙烯吡咯酮碘等增强了具有良好抗菌活性的纳米银（AgNP），并将其浸涂在生物可降解PGA缝合线上，获得了较好的抗菌效果。结果表明，这些改性后的PGA缝纫线对革兰氏阴性和革兰氏阳性病原体均具有抗菌活性。

3 PGA的应用

PGA及改性PGA具有优异的生物安全性能、力学性能、阻隔性能和生物降解性能，使其在生物医用、食品包装、页岩开采和农业生产等领域有越来越广泛的应用，如图7所示。

图7 PGA的应用Fig.7 Applications of PGA

3.1 生物医用

PGA主要被广泛应用于生物医学领域，包括药物释放、手术辅助（止血）、损伤愈合（器官再生、组织生长）、缝合线、组织支架（软骨）等［26］。

作为外科手术缝合线，PGA在伤口愈合后可降解为被生物细胞吸收代谢的小分子，无需拆线，弥补了最初使用的羊、牛肠线生物反应强烈、吸收不稳定、分解过快的缺陷。1962年美国Cyananid公司通过乙醇酸，制备出了可吸收缝合线，这是世界上首次合成的可吸收缝合线。PGA还可以制作代替传统疫苗的微针，将药物输入到皮肤组织中，在人体形成一层屏障［27］。

组织工程材料是将材料科学与细胞生物学相结合，从而研发出的材料在人机体中能够修复或是取代受损的组织或器官。且支架材料无毒、无刺激性、与人体相容性好。目前，PGA已经被用于软骨、肌腱、小肠、血管修复以及心瓣膜等领域。聚合物屏障膜是引导组织再生和引导骨再生所需的医用材料，可以在愈合过程中阻止上皮细胞或不良组织的迁移。PGA膜的力学性能和可生物降解性能好，用于屏障膜不需要进行第二次手术来将其移除［28‑29］。Zhang等［30］将PGA片用于胰腺切除手术后的胰瘘并发症；Kimura等［31］将PGA无纺布作为间隔器用于儿童癌症患者的化学质子治疗，采用PGA间隔器将肿瘤和周围组织分隔开，避免邻近的放射敏感组织影响治疗的剂量传递。Sakaguchi等［32‑33］研究了PGA用于预防食管内镜黏膜下剥离手术后狭窄和术后出血的问题，结果表明PGA薄片屏蔽与类固醇注射相结合，能有效预防术后狭窄的发生。Ta‑kimoto等［34］研究了在内镜黏膜下剥离术后的闭合技术，采用了PGA薄片和纤维蛋白胶，有效阻止了迟发性穿孔，并且安全性较高。Matsuda等［35］研究表明PLLA/PGA生物可吸收接骨板系统，在颌面部手术术后并发症发生率较低。对于难治性肠皮瘘闭，Tada等［36］研究用PGA片、氰基丙烯酸酯片和PGA片进行内镜联合夹心治疗，瘘管成功闭合。对于难治性内镜括约肌切开术（EST）后出血，中川喜贵等［37］尝试PGA片和纤维蛋白胶并用，有效止血，该方法有望成为针对难治性EST后出血的内窥镜止血法的选择。Fujimaki等［38］通过实验证实了去分化脂肪细胞填充的PGA导管具有促进神经再生的作用。

使用PGA作为药物传递材料的优点在于PGA在体内可以被分解为代谢分子，并通过正常代谢途径从机体中排出。初始分子量、结晶度和孔隙率都会影响PGA的药物释放行为和降解行为，因此通常通过改变PGA的合成途径或添加改性剂来控制分子质量分布，对PGA的给药速率进行调控。一般情况下，PGA载体材料用于释放多肽和蛋白药物，包括各种药物系统，如免疫、抗炎、解毒、抗癌和组织再生。

此外，PGA还可以用作骨科固定及组织修复材料，可以弥补传统材料存在的力学性能达不到要求、易感染、需要二次手术取出等缺陷。分子量在20×104～145×104的PGA可以拉伸成纤维状，用作骨钉或其他骨内固定物。Glasbrenner等［39］评价了由聚乙醇酸和透明质酸制成的基质修复组织的疗效，比传统的微骨折技术要好。Kondo等［40］使用在通气下摩擦纤维蛋白原的通气锚定法，使用纤维蛋白胶和PGA片可以修复胸膜缺损，并获得非常高的耐高压性能，未来打算应用于临床病例中。Cojocaru等［41］探索得出，半月板形状的聚乙醇酸‑透明质酸植入物可能是一种合适的治疗方法来支持半月板切除术中修复组织的形成。

3.2 食品包装

PGA的阻隔性能是PET的100倍，可以将其作为碳酸饮料等食品的包装材料。日本吴羽公司致力于将PGA作为包装材料投入工业生产，以PET和PGA为原料，制备PET/PGA/PET多层瓶，如图8所示。与传统单层饮料瓶相比，饮料的碳酸损失率明显降低，在饮料的保质期内，PGA能够保持较高的分子量和力学性能。此外，通过插入PGA作为中间层，可以减少瓶子的质量，同时能够延长饮料的保质期。多层PET/PGA/PET瓶中PGA层易于与PET层分离，有利于PET的回收循环利用。

图8 多层PET和PGA瓶［7］Fig.8 Multilayer PET and PGA bottles

PGA还可以应用于多层薄膜或纸杯，利用PGA的高阻隔性能与其他材料进行复合，具有较好的应用前景。由于PGA的熔点较高，和PBAT共混改性后的材料可以用做耐热餐具，这是未来PGA可以应用的一个市场方向［14］。

3.3 油气开采

由于PGA在降解性能和力学性能方面的竞争优势，PGA也有望成为制造井下工具专用部件的原材料，可以避免不能回收而对环境带来影响。PGA作为一种辅助材料，在页岩气/油井钻井作业中得到了广泛的关注（用作压裂球、桥塞、支撑材料等）。低渗透性页岩气/油储层需要进行压裂等增产作业，而压裂阶段都需要进行层间隔离，即堵上裂缝区域。使用的临时隔离在发挥了防止对井眼造成损害的作用之后，必须要在一定时间内消失，避免对环境造成污染。而PGA即使在较低温度下都具有良好的水解性能，并且其可以通过降解发挥缓释酸的作用。因此，PGA可以作为石油开采的暂堵材料，降低石油开采过程中对深层地质的污染［7］。

3.4 农业生产

PGA在农业生产中也有巨大的应用潜力。PGA作为农用地膜，在使用后自动降解，减少了不可降解塑料聚乙烯、聚氯乙烯等对环境造成的污染［42］。PGA作为除草剂的缓释控制系统，可以控制除草剂、农药的释放速度，减少除草剂、农药给环境带来的污染。此外，PGA还可以作为保水材料，用于林业、水产、沙漠绿化等［18，43］。

作为一种可生物降解且对人体和环境均无毒无害的环境友好型高分子材料，PGA在生物医用、工程塑料、食品包装、农业生产等领域具有广阔的市场前景。特别是PGA是综合阻隔性能（汽/氧阻隔性能）最好的材料之一，并且力学性能优于其他的可降解材料，接近ABS等工程塑料，其在食品包装、农膜保湿保温、一次性塑料制品、工程塑料等方面大有可为，可以部分取代在塑料工业中广泛应用的通用塑料，以及用作林业、土壤等农业生产中的不可生物降解材料，以减少全球的塑料污染问题。但由于传统合成PGA所用的单体和原理价格昂贵、加工性能差、生产规模小，PGA长期主要用于生物医药等高端精细领域，产品也主要依赖国外进口。随着煤基合成气制PGA技术的发展和成熟，产能不断攀升并逐渐实现国产化，PGA的生产成本不断降低，其应用范围和市场空间也将逐步扩大，有望成为生物降解材料领域的主流品种。

4 结语

与其他生物降解材料相比，PGA具有良好的力学性能和阻隔性能，但由于价格昂贵，PGA在很长一段时间内主要应用于手术缝合线、组织工程等生物医药领域。随着煤基合成气制PGA技术的发展和成熟，PGA的成本降低、产能和性价比大幅提高。但是目前其下游应用仍然不清晰、不明确，产能增加与下游消费领域过于单一的矛盾日益凸显，并且PGA固有的亲水性差、脆性大、热稳定性差、熔体强度低、加工成型困难等缺陷也限制了其下游产品的研发，因此如何开发成熟的市场应用是未来研究的重点。推动PGA进一步产业化应用，一方面需要加快PGA改性技术的开发，改善其固有缺陷以满足不同的加工要求和应用要求，研究PGA改性与性能之间的关系，改善PGA性能上的不足。特别是通过提高熔体强度、降低熔点等手段，提高PGA的加工性能，才能制备出更多种类的PGA制品。另一方面，开发PGA与其他材料的共聚物，也是拓展PGA应用的重要研究方向。只有通过加强研究开发，研制出价格低廉、性能优异的PGA基制品，突破PGA现有的加工和应用局限，才能为我国PGA产业注入新活力，促进可降解材料产业的高质量发展。