modification experiment of poly-l-lactic acid for

中国组织工程研究与临床康复第 15卷第 51期 2011–12–17出版 Journal of Clinical Rehabilitative Tissue Engineering Research December 17, 2011 Vol.15, No.51

ISSN 1673-8225 CN 21-1539/R CODEN: ZLKHAH 9629

College of Medical Device and Food, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China Chen Bao-ai★, Master, College of Medical Device and Food, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China baoai_chen@ 163.com Received: 2011-06-29 Accepted: 2011-10-20 上海理工大学医疗器械与食品学院，上海市 200093 陈宝爱★，女，1987 年生，福建省三明市人，汉族，上海理工大学毕业，硕士，主要从事生物可降解高分子材料方面的研究。 baoai_chen@ 163.com 中图分类号:R318 文献标识码:B 文章编号:1673-8225 (2011)51-09629-04 收稿日期：2011-06-29 修回日期：2011-10-20 (20110629001/WL·L)

左旋聚乳酸的改性实验★ 陈宝爱，谷雪莲

Modification experiment of poly-L-lactic acid for biodegradable stent

Chen Bao-ai, Gu Xue-lian

Abstract BACKGROUND: Current, metal stents mostly used in clinic will permanently stay in the human body, and they can provide potentially risks to human body. OBJECTIVE: To observe the effects of modification on poly-L-lactic acid (PLLA) and the feasibility of preparation of biodegradable stents with modified materials. METHODS: PLLA, polylactic acid/polycaprolactone (PLCL-J) and PLLA/polycaprolactone (PLCL-H) films were prepared by solution method with the modification ratio of PLLA/polycaprolactone of 95/05. Comparative observation of changes in mechanical property, intrinsic viscosity and mass loss, and changes in surface morphology of PLLA, PLCL-H and PLCL-J was performed with film degradation test. RESULTS AND CONCLUSION: Mechanical property test showed that the brittleness of PLLA materials was significantly increased after 3 months. The materials were easy to break, and this was a major defect in preparing stents; the mechanical properties of PLCL-J lost too fast, its yield completely disappeared at 3 weeks, its tensile strength began to decline sharply at 4 weeks, and its mechanical property completely disappeared at 10 weeks; PLCL-J material not only had high initial breaking elongation, but also kept a high flexibility during the degradation process. Intrinsic viscosity detection and surface morphology observation showed that PLCL-J material was not suitable for stent preparation based on its fast degradation rate, while the degradation rates of PLLA and PLCL-H materials were uniform, and the degradation rate of PLCL-H material was increased compared with PLLA material. The blending material of PLLA and polycaprolactone with modification ratio of 95/05 can not only ensure the mechanical strength of stents, but also increase breaking elongation of stents, and these make it can be used as a new type of material for preparation of biodegradable stents through an increase in plasticization and degradation rate of the material. Chen BA, Gu XL. Modification experiment of poly-L-lactic acid for biodegradable stent. Zhongguo Zuzhi Gongcheng Yanjiu yu Linchuang Kangfu. 2011;15(51): 9629-9632. [http://www.crter.cn http://en.zglckf.com]

摘要背景：目前临床上大量使用的金属支架永久存留于人体，对人体存在潜在的风险。目的：观察改性对左旋聚乳酸的作用以及改性材料用于可降解支架制备的可行性。方法：以左旋聚乳酸/聚己内酯为 95∶5的比例，用溶液法制备左旋聚乳酸、聚乳酸/聚己内酯共聚材料(PLCL-J 9505)和聚乳酸/聚己内酯共混材料(PLCL-H 9505)薄膜。结果与结论：力学性能测试结果显示，3个月左旋聚乳酸材料的脆性明显升高，材料变得容易断裂，成为制备支架的一大缺陷；PLCL-J材料力学性能损失过快，第 3周屈服完全消失，第 4周拉伸强度开始急剧下降，到第 10周已经完全丧失力学性能；PLCL-H材料不仅初始时断裂伸长率高，而且在降解过程中能始终保持较高的弹性。特性黏数测试和表面形态观测结果显示 PLCL-J 材料的降解速率过快，不适合在支架上应用，而左旋聚乳酸和 PLCL-H 基本是匀速的水解，且 PLCL-H 相对于左旋聚乳酸降解速率有一定程度的增加。提示左旋聚乳酸与聚己内酯共混改性比例为 95∶5 时不仅能保证材料具备支架所需的力学强度，还能显著提高材料的断裂伸长，达到了增塑目的的同时，也加快降解速率，有望成为制备可降解支架

的新型材料。关键词：共混改性；聚乳酸；聚己内酯；共聚；可降解支架 doi:10.3969/j.issn.1673-8225.2011.51.030

陈宝爱，谷雪莲. 左旋聚乳酸的改性实验[J].中国组织工程研究与临床康复，2011，15(51):9629-9632. [http://www.crter.org http://cn.zglckf.com]

0 引言

目前临床上大量使用的血管支架均为金属

材料制备，与机体的亲和性、生物相容性均较

差，并且随着时间的推移金属材料逐渐老化，

在体液中被腐蚀释放出金属离子，对机体产生

不良影响[1]。因此，研究新型生物可降解材料制

备可降解的血管支架是当今热点问题。目前研

究最为广泛、生物相容性和力学性能较好的材

料为可降解脂肪族聚酯材料，尤其是其中的聚

乳酸材料。聚乳酸是一种以天然素材为原料合成的新

型高分子材料，由于它的完全降解性，因此广

泛应用于医用、包装等领域，并经过美国 FDA认证属于可用于人体的生物医用材料

[2]。聚乳酸

的乳酸单体分为左旋(L-)和右旋(D-)两种，一般选用左旋聚乳酸 (PLLA)。目前 Abbott 利用PLLA 制备的可降解支架 BVS 已进入临床阶段，临床实验表明，PLLA材料的力学强度是足够的

[3-4]。但是单一的左旋聚合物结晶度较高，

亲水性能较差，降解慢，强度高，是一种脆性

陈宝爱，等. 左旋聚乳酸的改性实验

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材料，用作支架易于断裂[5]。另外还容易在植入部位引

发炎症，这些都使 PLLA材料在医疗器械领域的应用受到限制，因此对 PLLA材料改性的研究就显得极为重要。

通常高分子材料的改性包括化学结构改性和物理

改性。前者主要包括共聚、扩链等，后者有共混、表面

改性、接枝、增塑等[6]。不同的改性材料和不同的改性

方法都会对材料性能造成很大影响。常用的 PLLA改性材料有聚己内酯、右旋聚乳酸、聚乙醇酸等。其中，聚

己内酯是由 ε-己内酯开环聚合所得的线性脂肪族聚酯。它是一种半结晶型高分子，玻璃化温度为-60 ℃，在室温下是橡胶态，易于延展不易断裂

[7]。聚己内酯降解后

的产物为 CO2和 H2O，对人体无毒。聚己内酯对PLLA进行共聚改性，可在一定范围内调

节共聚物的熔点、玻璃化温度，还能从结构方面改善PLLA的结晶性能，调节降解速率

[8]。将 PLLA与聚己内酯共混

后，材料之间的高分子链通过次价力作用(如库仑力，氢键作用，范德华力和电子转移作用等)形成分子聚集体，使官能团与结构发生变化

[9]。另外，两种改性方式对PLLA

的脆性都有明显降低，使之能更适于在支架上的应用。前期实验证实，在保证材料有足够强度的前提下，

尽量提高断裂伸长率，增强材料的韧性。选择改性配比

为 95∶5的聚乳酸/聚己内酯共聚材料(PLCL-J 9505)和聚乳酸/聚己内酯共混材料(PLCL-H 9505)进行改性是合适的。 1 材料和方法

设计：对比观察实验。时间及地点：实验于 2010-08在某公司生物医学材

料实验室完成。材料：聚乳酸及聚己内酯均由普朗克公司提供。实验方法：

样品制备及性能测试：用溶液法制备 PLLA、PLCL-H 9505和 PLCL-J 9505薄膜。配制磷酸盐缓冲溶液，将溶液 pH控制在 7.4±0.2。用裁刀将 PLLA薄膜和 PLCL薄膜切成宽 10 mm，长 100 mm的条状试样，每种材料准备 3个合格的条状试样样品进行机械测试。质量，黏度，SEM测试试样为宽 10 mm，长度为机械样一半的样品条。将样品条编号放入装有缓冲溶液的试管中，

并置于 37 ℃烘箱中，分别考察降解 1，2，3，4，6，8，10，12周样品各项性能的变化。测试机械性能前要调节样品的状态，将样品在

37 ℃的纯水中放置(60±15) min，然后保持湿态进行测试。采用 Instron拉伸仪，均匀拉伸管材样品直至断裂。特性黏度变化可间接反映聚合物相对分子质量在

降解过程中的变化。测试采用乌氏黏度计。质量测试采用Sartorius天平PM-05-006型号(精度

0.001 mg)测量每个样品初始的质量。然后在降解的各个时间阶段，将样品从缓冲液中取出，充分干燥样品至

恒重：干燥时间≥16 h，室温，压强≤-0.1 MPa。再次称量降解后的样品质量，精确到 0.001 mg。样品初始质量为 m0，过滤、干燥以后再次称量样

品的质量为 m1，则样品的失重率 η可由下式计算得到：

主要观察指标：PLLA、PLCL-H 9505和PLCL-J 9505

3种材料力学性能，质量损失，特性黏度和表面形态。 2 结果

2.1 机械性能变化测定结果见图 1~4。

η=(m0-m1)/m0×100%

Figure 1 Comparison of elastic modulus of poly-L-lactic acid (PLLA), polylactic acid/polycaprolactone (PLCL-J) and PLLA/polycaprolactone (PLCL-H) films

图 1 PLLA、PLCL-H 和 PLCL-J 弹性模量比较

Figure 2 Comparison of yield strength of poly-L-lactic acid (PLLA), polylactic acid/polycaprolactone (PLCL-J) and PLLA/polycaprolactone (PLCL-H) films

图 2 PLLA、PLCL-H 和 PLCL-J 屈服强度比较

Figure 3 Comparison of tensile strength of poly-L-lactic acid (PLLA), polylactic acid/polycaprolactone (PLCL-J) and PLLA/polycaprolactone (PLCL-H) films

图 3 PLLA、PLCL-H 和 PLCL-J 拉伸强度比较

Elas

tic m

odul

us (M

Pa)

Time (wk)

1 6001 4001 2001 000

800600400200

0 0 2 4 6 8 10 12

Time (wk)

Yiel

d st

reng

th (M

Pa)

0 2 4 6 8 10 12

50

40

30

20

10

0

Time (wk)

PLLA

(MPa

)

60

50

40

30

20

10

0 0 2 4 6 8 10 12


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从实验结果可以看出，前 4 周，PLLA 和 PLCL-H

两种材料的机械性能变化不大，弹性模量、屈服强度和

拉伸强度基本保持不变，断裂伸长率有一定的下降。

PLLA材料在 4~8周弹性模量、屈服强度和拉伸强度还有一定程度的升高，而断裂伸长始终随时间降低。8~12周 PLLA材料的弹性模量和断裂伸长都随时间降低，而屈服强度和拉伸强度可以继续保持。说明本阶段材料开

始变脆。PLCL-H材料在 4~6周弹性模量、屈服强度和拉伸强度也有一定的升高，断裂伸长缓慢下降。6~12周材料的各项力学性能指标均开始下降，并且弹性模

量、屈服强度和拉伸强度下降的速率要快于 PLLA，说明改性后材料的降解速度有一定程度的加快，断裂伸长

率也开始下降，但是在同一个降解阶段，PLCL-H 材料的断裂伸长率明显要高于 PLLA，说明改性后的材料达到了增塑的目的。而 PLCL-J材料的机械性能发生很大的变化，在第 3周屈服就完全消失，说明材料变脆，到第 10 周已经完全丧失力学性能。说明 PLCL-J 材料力学性能下降过快，并且材料极易发脆，不适于用作血管

支架植入体内。 2.2 特性黏度变化测定结果见图 5。

未降解的 3种材料样品特性黏数较为接近，PLCL-J

略低，说明 3 种材料降解开始前相对分子质量出于同一数量级。降解开始后 PLLA 和 PLCL-H 材料的特性黏数发生缓慢下降，说明降解初期，酯键断裂，分子链断开，

随之分子间的缠结程度减小，所以才表现出溶液黏度减

小。并且在降解过程中特性黏数的降低接近于匀速，说

明材料属于匀速的水解阶段，相对分子质量下降不是很

大，材料还能够保持一定的强度。PLCL-J材料在降解开始后，特性黏数就急剧下降，到降解 12周已经从 3.2 dL/g下降到 0.38 dL/g，说明材料发生明显的降解，力学性能实验中屈服点消失，材料完全变脆，10~12周机械性能丧失，发生降解的现象相符合。 2.3 质量损失测定结果 PLLA、PLCL-H 和 PLCL-J质量损失变化见图 6。

从图 6可以看出降解前 4周 3种材料的质量数值都

没有太大变化，质量损失均小于 5%。第 8周开始失重逐渐增加。聚合物降解的失重过程可以分为两个阶段：第

一阶段水分子通过扩散作用进入聚合物间隙，聚合物中

的酯键断裂，大分子降解为小分子，形成水溶性低聚物

或单体，此阶段聚合物失重比较缓慢，曲线趋于平稳；

第二阶段聚合物大块脱落，碎片溶解直至崩解，此外由

于降解过程产生了局部酸性，相对分子质量大幅下降也

导致整体结构发生变形和失重，逐步变为微小的碎片进

入磷酸盐缓冲液中，导致失重急剧增加[10]。从实验结果

来看，降解 12周均还处于第一阶段，质量损失比较缓慢。 2.4 SEM观察各降解阶段薄膜表面形态见图7。从未降解的照片可以看出材料表面光滑平整，说明

溶液法制作的薄膜满足实验要求，可以进行降解实验。

降解4周后，材料表面都出现条纹，尤其是改性后的PLCL-H和PLCL-J材料，条纹现象尤为突出。条纹的产生可能是由于薄膜材料中纵向取向的分子链中酯键断

裂产生的，因此条纹越严重说明材料降解程度越大。到

降解10周时，PLCL-J材料表面已发生断裂，12周表面也存在裂纹，这与该材料在力学性能测试中从10周开始丧失机械性能，以及特性黏数急剧下降的结果相符，说

明该材料在10周以后已经发生严重降解。从材料的表面形貌还可以看出，在相同的时间阶段，PLCL-H材料和PLLA对比，PLCL-H的降解情况较为显著，说明加入聚己内酯改性后加快了PLLA的降解。

Figure 4 Comparison of breaking elongation of poly-L-lactic acid (PLLA), polylactic acid/polycaprolactone (PLCL-J) and PLLA/polycaprolactone (PLCL-H) films

图 4 PLLA、PLCL-H和 PLCL-J断裂伸长率比较

Figure 5 Comparison of intrinsic viscosity of poly-L-lactic acid (PLLA), polylactic acid/polycaprolactone (PLCL-J) and PLLA/polycaprolactone (PLCL-H) films

图 5 PLLA、PLCL-H和 PLCL-J特性黏度比较

Figure 6 Comparison of mass loss of poly-L-lactic acid (PLLA), polylactic acid/polycaprolactone (PLCL-J) and PLLA/polycaprolactone (PLCL-H) films

图 6 PLLA、PLCL-H和 PLCL-J质量损失比较

Time (wk)

Brea

king

elo

ngat

ion

(%)

400350300250200150100500

-500 2 4 6 8 10 12

Time (wk) M

ass

loss

(%)

0 2 4 6 8 10 12

20

16

12

8

4

0

Time (wk)

Intri

nsic

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ty (d

l/g)

3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5

0 0 2 4 6 8 10 12


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3 讨论

理想的生物可降解支架应该具备与机械性能变化相

吻合的降解速率。理论上，最初应该缓慢降解，以确保支

架在动脉血管重塑过程中有足够的机械支撑力。通常认

为，血管在 6~12个月能完成重塑过程[11]。之后，降解速

率能保持在一定的水平既能防止降解产物在降解点的累

积，又能在血管治愈后尽快降解完成，排出体外。支架置

入后 12~24个月被认为是支架完全降解的合理时间[12]。

实验表明当PLLA与聚己内酯改性比例为 95∶5时不仅能保证材料具备支架所需的力学强度，还能显著提

高材料的断裂伸长，加快降解速率，使之更满足于在支

架上的应用。因此用 95∶5的比例对聚乳酸进行共聚改性和共混改性。在 PLLA、PLCL-H和 PLCL-J材料 3个月的降解实

验中，3种材料降解溶液的 pH值变化不大，能处于 7.4± 0.2 的要求范围内。从力学性能方面来看，3 个月 PLLA的脆性明显升高，材料变得容易断裂，成为制备支架的

一大缺陷；PLCL-J力学性能损失过快，第 3周屈服就完全消失，到第 10周已完全丧失力学性能，并且材料极易发脆，说明 PLCL-J 不适于用作血管支架植入体内。而PLCL-H不仅初始时断裂伸长率高，而且在降解过程中能始终保持较高的弹性，并且实验中显示出降解速率相比

PLLA有一定的增加。从特性黏数测试和表面形态的观测结果来看，PLLA 和 PLCL-H 基本上是匀速的水解，且PLCL-H相对于 PLLA降解速率有一定程度的增加。说明改性后的 PLCL-H 材料不仅加快了降解，而且还达到了增塑的目的，有望成为制备可降解支架的新型材料。

4 参考文献 [1] Mani G, Feldman MD, Patel D, et al. Coronary stents: a materials

perspective. Biomaterials. 2007;28(9):1689-1710. [2] Ren J. Beijing: Huaxue Gongye Chubanshe. 2003:89-109.

任杰.可降解与吸收材料[M].北京:化学工业出版社,2003:89-109. [3] Serruys PW, Ormiston JA, Onuma Y, et al. A bioabsorbable

everolimus-eluting coronary stent system (ABSORB): 2-year outcomes and results from multiple imaging methods. Lancet. 2009;373(9667):897-910.

[4] O'Brien B, Carroll W. The evolution of cardiovascular stent materials and surfaces in response to clinical drivers: a review. Acta Biomater. 2009;5(4):945-958.

[5] Cui FZ. Guowai Suliao. 2005;23(11):58-64. 崔福斋.可降解医用介入支架的研发进展[J].国外塑料,2005,23(11): 58-64.

[6] Wang GQ, Wang XZ. Beijing: Zhongguo Qinggongye Chubanshe. 2000:1-2. 王国全,王秀珍.聚合物改性[M].北京:中国轻工业出版社,2000:1-2.

[7] Wang YL, Yi GB. Huaxue yu Shengwu Gongcheng. 2006;26(3): 1-3. 王永亮,易国斌.聚己内酯的合成与应用研究进展[J].化学与生物工程,2006,26(3):1-3.

[8] He F, Li S, Vert M, et al. Enzyme-catalyzed polymerization and degradation of copolymers prepared fromε-caprolactone and poly(ethylene glycol). Polymer. 2003;(44):5145-5151.

[9] Liu F, Zhang KZ. Huaxue Tuijinji yu Gaofenzi Cailiao. 2006;4(3): 47-51. 刘峰,张康助.聚乙烯醇薄膜的共混改性[J].化学推进剂与高分子材料,2006,4(3):47-51.

[10] Zhu ZY, Luo GL. Cailiao Daobao Wangkan. 2007;2(1):35-37. 朱振宇,骆光林.聚乳酸降解机理及其方法探讨[J].材料导报网刊, 2007,2(1):35-37.

[11] Tamai H, Igaki K, Kyo E, et al. Initial and 6-month results of biodegradable poly-l-lactic acid coronary stents in humans. Circulation. 2000;102(4):399-404.

[12] El-Omar MM, Dangas G, Iakovou I, et al. Update on In-stent Restenosis. Curr Interv Cardiol Rep. 2001;3(4):296-305.

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作者贡献：第一、二作者进行实验设计，实验实施、实

验评估、资料收集为第一作者，第一、二作者成文，第二作

者审校，第二作者对文章负责。

利益冲突：课题未涉及任何厂家及相关雇主或其他经济

组织直接或间接的经济或利益的赞助。

本文创新性：实验表明当左旋聚乳酸与聚己内酯改性比

例为 95 5∶ 时不仅能保证材料具备支架所需的力学强度，

还能显著提高材料的断裂伸长，加快降解速率，使之更满足

于在支架上的应用。

Figure 7 Surface morphologys of poly-L-lactic acid (PLLA), polylactic acid/polycaprolactone (PLCL-J) and PLLA/ polycaprolactone (PLCL-H) films at different time points of degradation under scanning electron microscopy (×100)

图 7 扫描电镜观察 PLLA、PLCL-H和 PLCL-J降解阶段薄膜表面形态

No degradation PLLA No degradation PLCL-H No degradation PLCL-J

Degradation for 4 wk PLLA

Degradation for 4 wk PLCL-H

Degradation for 4 wk PLCL-J










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