Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Упаковочные материалы на основе полилактида и древесного наполнителя. Монография
.pdf
В основе других способов (II и III) получения полимолочной
кислоты с высокой молекулярной массой лежит предварительный
синтез олигомера с достаточным количеством концевых гидроксильных и карбоксильных групп.
Так, по способу II полимолочную кислоту (Mw>100 кДа) синтезируют из олигомера с Mw=2¸10 кДа и модифицированными концевыми группами. Для этого из продукта поликонденсации молочной
кислоты отдельно получают олигомер с концевыми гидроксильными
группами и отдельно – с концевыми карбоксильными. Олигомер с
концевыми гидроксильными группами синтезируют с использованием
малых количеств полифункциональных ОН-содержащих веществ
(2-бутен, 4-диол, глицерин или 1,4 утандиол), а олигомер с концевыми
карбоксильными – при добавлении малых количеств карбоновых кислот (малеиновая, янтарная, адипиновая или итаконовая) или их ангидридов (малеиновый или янтарный). Полученные олигомеры подвергают поликонденсации между собой с получением полимолочной
кислоты, причем молекулярная масса продукта складывается из молекулярных масс прореагировавших олигомеров и зависит от их мольного соотношения.
Способ II более дорог, чем способ I, но в случае применения
специфических добавок, нейтрализующих или удаляющих нежелательные примеси и побочные продукты синтеза, можно получить высокочистый полимер без остаточных металлов, катализаторов и низкомолекулярных фракций.
Наконец, согласно способу III, из предварительно синтезированного и очищенного олигомера с Mw=1¸5 кДа путем деполимеризации при пониженном давлении получают циклический лактид. Затем
этот лактид подвергают полимеризации, в результате которой цикл
лактида раскрывается и получается высокомолекулярная полимолочная кислота. Полимеризация лактидного цикла может протекать как
по катионному, так и по анионному механизму. Катионную циклополимеризацию обычно проводят при катализе сульфокислотами или
тетрафенилоловом, а анионную – при катализе алкоксидами. В качестве агента, контролирующего молекулярную массу полимера, можно
использовать лауриловый спирт.
В настоящее время лактидный способ синтеза является единственным промышленным способом, позволяющим получать чистую
высокомолекулярную (Mw>300 кДа) полимолочную кислоту, тогда
как молекулярная масса продукта прямой поликонденсации молочной
21
кислоты намного меньше (192,5 против 8,6 кДа для LPLA и 245,5 против 8,5 кДа для D,LPLA). В связи с этим некоторые исследователи
различают собственно полимолочную кислоту (низкомолекулярный
продукт поликонденсации собственно молочной кислоты) и полилактид (высокомолекулярный продукт полимеризации циклического лактида), однако широко такая терминология не принята.
Высокомолекулярная полимолочная кислота представляет собой бесцветный стеклоподобный полимер со свойствами, напоминающими полистирол. PLA нерастворима в воде, этаноле и метаноле, но
растворяется в некоторых органических растворителях (метиленхлорид, четыреххлористый углерод, хлороформ, ацетон, диоксан, этилацетат, бензол, тетрагидрофуран). Температура термодеструкции PLA
превышает 200 °С: так, термическое разложение L-PLA начинается
при 310 и заканчивается к 400 °С.
Полимолочная кислота известна в трех изомерных формах:
D(-), L(+) и их рацемической смеси (D, L), в зависимости от того, из
какого энантиомера (или рацемата) ее синтезировали. Тип изомера
определяет многие свойства этого полимера, в частности кристалличность и условия растворения в органических растворителях.
Полимолочная кислота может находиться в кристаллическом
либо аморфном фазовом состоянии. По данным рентгенографического
анализа L-PLA, синтезированная из оптически активного L-изомера,
представляет собой частично кристаллический полимер, а D,L-PLA,
полученная из рацемической смеси, аморфна. Степень кристалличности L-PLA высока и составляет более 80%, а равновесная температура
плавления чистого кристаллического L-PLA Tm=207 °С. Однако
вследствие наличия примесей, дефектных кристаллов и возможной
рацемизации на практике обычно определяют заниженную величину
170-180 °С. Степень кристалличности L-PLA зависит от соотношения
оптически активных мономеров в смеси для синтеза.
Интересно, что в смеси чистых L-PLA и D-PLA происходит
стереокомплексообразование с образованием рацемических кристаллов (Tm=230°С), механические свойства которых превосходят свойства чистых энантиомеров.
С другой стороны, введение рацемической D,L-PLA в высококристаллическую L-PLA приводит к заметному падению и температуры стеклования, и температуры плавления (табл.3).
22
Таблица 3. Температуры плавления и стеклования
Содержание D,L-PLA в смеси с L-PLA, %
Тg, °C
Тm, °C
0
63
178 5 59
164
10
56
150
15
56
140
20
56
125*
+
+ + +
III
II
I
смесей L- и D, L-PLA
При отсутствии следов влаги PLA представляет собой довольно термостабильный полимер: согласно до 180 °С процессы деструкции в нем практически не протекают. По мнению этих авторов, основными реакциями при термической деструкции PLA являются те,
которые изображены на рис. 5.
Рис. 5. Основные реакции при термической деструкции
полимолочной кислоты
23
Протекание этих реакций обусловлено либо наличием следов
катализатора полимеризации (реакция I), либо концевыми гидроксильными группами PLA (реакции II и III). Однако в присутствии воды температура деструкции резко снижается и этот процесс успешно
протекает уже при естественных условиях. Основной вклад в деструкцию PLA при этом вносят следующие процессы:
- гидролиз под действием остаточных количеств воды, катали-
зируемый получающимися в результате мономерами (молочными
кислотами);
- деполимеризация по типу «расстегиваемой молнии» (zipper-
like depolymerization), катализируемая остатками катализатора полимеризации;
- хаотичная окислительная деструкция основной полимерной
цепи;
- межмолекулярная переэтерификация с участием олигомер-
ных и мономерных сложных эфиров;
- внутримолекулярная переэтерификация, приводящая к обра-
зованию олигомерных или мономерных лактидов с более низкой молекулярной массой.
Существенное влияние на закономерности биодеструкции PLA
оказывают ее молекулярная масса и степень кристалличности. Так,
время деструкции частично кристаллической L-PLA высокой молекулярной массы (поли-L-лактида) составляет от нескольких месяцев до
нескольких лет, тогда как для низкомолекулярной L-PLA (поли-Lмолочной кислоты) – всего несколько недель. С другой стороны, в
сравнении с ними для деструкции высокомолекулярной полностью
аморфной D,L-PLA требуется от нескольких недель до нескольких
месяцев.
Деструкция PLA с определенной молекулярной массой и кристалличностью определяется в основном условиями среды. Рассмотрим некоторые из них.
В основной среде гидролиз L-PLA протекает заметно быстрее,
чем в кислой. Интересно, что при рН, близких к нейтральной среде,
наблюдается тенденция к возрастанию молекулярной массы полимера, причем его молекулярно-массовое распределение резко расширяется. Это объясняется тем, что деструкция низкомолекулярных фракций протекает быстрее, т.к. мономерные продукты гидролиза растворяются легче. Таким образом, из полимера удаляются низкомолекулярные фракции, а среднюю молекулярную массу начинают опреде-
24
лять оставшиеся высокомолекулярные, что и обуславливает ее кажущееся увеличение. Таким образом, было отмечено, что после достаточного выдерживания в гидролитически активной среде (20 дней), LPLA вообще приобретает бимодальное молекулярно-массовое распределение, причем второй пик появляется как раз в области высоких молекулярных масс.
Ионная сила раствора: ионная сила раствора не оказывает заметного влияния на молекулярную массу L-PLA в широком диапазоне
рН (от 1,2 до 9,8). На молекулярно-массовое распределение в кислой и
нейтральной средах ионная сила раствора также практически не влияет,
однако при рН 9,8 картина меняется: в этих условиях с увеличением
ионной силы раствора молекулярно-массовое распределение L-PLA
становится шире. Другими словами, с повышением ионной силы раствора в основной среде возрастает скорость образования деструктировавших фракций с промежуточной молекулярной массой, которые пока
не растворимы в среде. Макино и др. объясняют этот эффект тем, что
на поверхности микрочастиц PLA адсорбированы промежуточные продукты деструкции, содержащие карбоксильные группы. Увеличение
ионной силы раствора способствует переходу карбоксильных групп в
растворимую форму карбоксилат-иона COO-, что облегчает деструкцию. Поскольку, как было отмечено выше, в первую очередь деструктируют более низкомолекулярные фракции, молекулярно-массовое
распределение нерастворенного полимера становится более широким.
Таким образом, на ранних стадиях деструкции гидролиз L-PLA начинается именно в поверхностных слоях, что создает отрицательные заряды
на ней (образуются карбоксильные группы). На более поздних стадиях
деструктировавшие фрагменты переходят в раствор, и заряд поверхности становится менее отрицательным. Концентрация буферного раствора: по данным Макино и др., с увеличением концентрации буферного
раствора скорость деструкции L-PLA увеличивается, даже несмотря на
одинаковую ионную силу. Это происходит потому, что в присутствии
буфера продукты деструкции переходят в солевую форму и облегчают
дальнейший гидролиз.
Определенное влияние на деструкцию PLA может оказывать
активное лекарственное вещество. Известно, что некоторые лекарственные препараты-амины катализируют гидролиз основной цепи
полимолочной кислоты: так, в ряду прометазин-метадон-меперидин
происходит заметное ускорение гидролиза L-PLA, тогда как в присутствие налтрексона гидролиз протекает ненамного быстрее, чем без не-
25
го. Присутствие альбумина,глобулина или фибриногенов также увеличивает скорость гидролиза микроносителей лекарственных средств
из PLA, которая тем выше, чем больше содержание этих веществ в
самом микроносителе.
Воздействие ультразвука также способствует деструкции PLA,
причем влияет как продолжительность воздействия, так и мощность
ультразвука. По данным ОДоннела (ODonnell) и др., под действием
ультразвука молекулярная масса PLA несколько снижается; впрочем,
этот эффект выражен не сильно.
Материалам из полимолочной кислоты свойственно объемное
разрушение, однако ряд приемов (например, действие некоторых активных веществ или повышение ионной силы среды) позволяет добиться усиления доли поверхностной составляющей, т.е. способствует
повышению воспроизводимости высвобождения.
Основным продуктом биодеструкции PLA является молочная
кислота - естественный продукт обмена веществ живых организмов.
Считается, что конечными продуктами превращения молочной кислоты в организме являются углекислый газ и вода, которые удаляются с
помощью дыхательной системы организма. Из-за отсутствия в PLA
пептидных цепей и биодеструктируемой природы ее действие на ткани живых организмов не вызывает иммунологических реакций. Однако рядом исследователей отмечались небольшие воспалительные реакции в течение первой недели после имплантации порошков, пленок
и микрокапсул из D,L-PLA с последующим образованием фиброзных
тканей вокруг имплантата. Следует отметить, что только L(+)-форма
молочной кислоты способна перерабатываться живыми организмами,
поэтому с этой точки зрения L-PLA считается более подходящей по
сравнению с D,L-PLA. С другой стороны, кристаллическая L-PLA менее удобна в переработке, а ее деструкция и высвобождение из нее
активного вещества, по сравнению с аморфной D,L-PLA, затруднены
и хуже прогнозируются. Из этих соображений для включения активных веществ все же чаще используют именно D,L-PLA.
В промышленности используется комбинация поликонденсации и полимеризации. Поликонденсацией молочной кислоты можно
получать только низкомолекулярный полилактид, так как в процессе
выделяется побочный продукт - вода, отвести которую из реакции
сложно, и, поэтому, растущая полимерная цепь разрушается. Получившийся низкомолекулярный полилактид деполимеризуют до димера молочной кислоты, лактида. Полученный лактид полимеризуют
26
при высокой температуре, с добавлением катализатора октоноата олова, получая высокомолекулярный полилактид.
Молочная кислота производится путем ферментации. При этом
начальная часть является периодическим процессом. При использовании определенного количества биореакторов (ферментеров) на последующих стадиях достигается переход процесса в непрерывный. Технологическую цепочку можно продолжить процессом непрерывной
полимеризации.
Классическое применение молочная кислота имеет в пищевой
промышленности в качестве консервирующей добавки к пищевым продуктам (E 270 и E 325-327 лактаты натрия, калия и кальция), в качестве
буферной субстанции и для придания кислого привкуса, в кожевенном
производстве для набухания и обеззоливания, в текстильной промышленности, как вспомогательное средство для крашения и печати.
В сельском хозяйстве с каждым годом растет применение мо-
лочной кислоты в качестве подкисляющей и консервирующей добавки, как средства для очистки, дезинфекции и нейтрализации, а также в
качестве добавки для кормов.
В низких концентрациях она применяется в качестве буферной
субстанции при производстве косметических и фармацевтических
препаратов для достижения кислотного значения pH.
Следующей, особенно важной в будущем областью применения молочной кислоты, является производство биологически разлагаемой полимолочной кислоты (полилактида) методом непрерывной
полимеризации. Исследования показали, что 22% всех произведенных
полимерных материалов применяется для упаковки, в основном для
упаковок одноразового пользования. Только в Германии это количество составляет 1,5 млн т/год.
Из полилактида возможно производство таких продуктов, как
покрывающая пленка для сельского хозяйства, системы укрепления
грунта для садоводства и возделывания виноградников, одноразовые
изделия медицинского применения для больниц, а также упаковка для
продовольственных продуктов и товаров широкого потребления.
1.8. Сырье для производства полимолочной кислоты (полилактида)
Молочная кислота это натуральная органическая кислота,
имеющая многолетнюю историю применения в пищевой, кожевенной,
косметической промышленности и в окрашивании тканей. Молочная
27
кислота впервые была получена в 1780 году в Швеции из кислого молока.
С 1881 года для промышленного производства молочной кислоты используется метод молочно-кислого брожения (ферментации).
Ответственными за процесс молочно-кислого брожения являются
микроорганизмы и бактерии лактобацилус (Lactobacillus) и лактококкус (Lactococcus) и некоторые другие.
Задолго до того, как стало возможным ее коммерческое производство, молочная кислота образовывалась в процессе естественной
ферментации в таких продуктах, как сыр, йогурт, соевый соус, закваски, мясные продукты, маринованные овощи, пиво и вино. В теле животных и человека также вырабатывается значительное количество
L(+)-молочной кислоты во время ежедневной физической активности,
бега, ходьбы. Сегодня молочная кислота, ее производные и сложные
эфиры широко используются в пищевой, косметической, фармацевтической и других отраслях промышленности.
Молочная кислота является a-гидроксилированной карбоновой
кислотой, C
. Речь идет о прозрачной, похожей на сироп жидко-
3H6O3
сти, без запаха и приятно-кислой на вкус, которая хорошо растворяет-
ся в воде. На кожу и глаза молочная кислота оказывает раздражающее
действие.
Она имеет асимметричный атом углерода, обеспечивающей существование двух оптических изомеров, т.е. D- (или R-) и L- (или S-)
форм. L-Молочная кислота усваивается организмом, а D-изомер –
нет.
Молочная кислота в промышленности производится химическим (50%) и ферментативным (50 %) синтезами.
Химический синтез основан на реакции ацетальдегида с цианистым водородом, приводящим к получению лактонитрила, гидролиз
которого дает молочную кислоту.
При получении молочной кислоты с помощью молочнокислых бактерий и химическим синтезом образуется оптически недеятельная D,L-молочная кислота.(+)-Молочную кислоту образуют молочно-кислые стрептококки (S. termophilus, S. lactis, Leuconostoc
cremoris), а Lb. lactis и Lb. bukgaricus продуцируют около 90 % D(-)молочной кислоты.
Возбудителем молочно-кислого брожения в производстве молочной кислоты является культура Lactobacillus delbrukii.
28
1.9. Области применения полимолочной кислоты
Применение биоразлагаемых полимеров в упаковочной и пищевой промышленности позволяет решить проблему утилизации упаковки, сводя к минимуму вредное влияние на окружающую среду
(рис. 6). Сегодня такие технологии разрабатывают ведущие университеты мира и внедряют крупнейшие компании - производители упаковки. В России своих производителей упаковки из биоразлагаемых полимеров пока нет, но есть потребность в чистом производстве и утилизации (рис. 7).
Рис. 6.Оодноразовая посуда из биоразлагаемого синтетического
полимера – полимолочной кислоты
Рис.7. Разложение одноразовой бутылки из биоразлагаемого
синтетического полимера – полимолочной кислоты
29
Человечество привыкло четко различать полимеры искусственного происхождения, получаемые путем химического синтеза, и биополимеры, синтезируемые живыми организмами. Первые человек использует как материал для различных изделий, вторые являются важными
структурными элементами живых клеток. Но для некоторых биополимеров и синтетических полимеров эта грань не такая четкая. Особенно
ярко это проявляется при использовании таких полимеров в медицине и
фармацевтике. Именно в этих областях возможно использование как
биополимеров, так и синтетических полимеров для создания одного и
того же медицинского изделия или лекарственной формы.
Бурное развитие хирургии, трансплантологии и фармакологии
привело к активному использованию полимеров как основы множества имплантируемых медицинских изделий: эндопротезов и шовных
нитей в хирургии, искусственных тканей и органов в трансплантологии, материалов для стоматологии, матриксов для тканевой инженерии, и лекарственных форм в фармацевтике. Имплантируемые полимерные изделия частично замещают органы и ткани человека, а полимерные материалы, из которых состоят эти изделия, выполняют
функции биополимеров человеческого тела. Во всех этих случаях способность полимерного материала к биосовместимости и биоразложению имеет особое значение. Следует отметить, что медицинские полимеры играют важнейшую роль в современной науке. Каждый полимер медицинского назначения, как объект одновременно науки и технологии, формирует вокруг себя обширную мультидисциплинарную
сеть. Изучение медицинских полимеров перекидывает мост от науки к
технологии, от фундаментальной к прикладной науке, связывает различные естественные науки - математику, физику, химию, биологию,
медицину и их смежные направления – физическую химию, биофизику, биохимию, молекулярную биологию, медицинскую химию, фармакологию, молекулярное моделирование, биотехнологию, нанотехнологии, тканевую инженерию, генетическую инженерию и др.
1.10. Перспективы развития
Проблема придания свойств биоразлагаемости хорошо освоенным многотоннажным промышленным полимерам (полиэтилен, полипропилен, поливинхлорид, полистирол, полиэтилентерефталат) занимает важное место в исследованиях. Активно разрабатываются три
направления:
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]