近年来，由于支化聚合物具有新颖的结构、独特的性能和潜在的应用前景，已受到研究者的普遍关注[1]。聚乳酸(PLA)是生物相容性聚合物，可用作组织工程的支架、控释药物的载体、骨再生修复、手术缝合线和医用材料等[2]。PLA是一种应用较广泛的可降解热塑性聚合物，但由于PLA的脆性高、结晶速度慢，降解时间不易控制和缺乏功能性基团等问题，限制其应用范围[3-5]。为了改善PLA的性能，研究者提出各种支化分子结构，如长链支化、接枝、星形、树枝状和交联等[6-8]。支化聚乳酸具有黏度低、端基多、流体动力学半径小和结晶度较低等特点，有利于载药微球的药物封装、药物递送和药物释放，并有效地增加支化聚乳酸的可降解性和溶解性[9]，在功能化方面也具有突出优势。支化聚乳酸因具有独特的拓扑结构和优异的性能，在生物医学领域中获得广泛应用。目前，由于合成研究不够充分，制备的精准问题有待进一步加强。在应用方面，材料学科与医学学科需要进一步合作研究，推动支化聚合物在医学领域获得进一步发展。本研究介绍支化聚乳酸的结构及性能，并简述各种支化聚乳酸的合成方法，论述支化聚乳酸在药物封装、药物递送、生物医学材料和体内外细胞毒性等方面的应用研究进展，对支化聚乳酸材料研究发展方向进行展望。1支化聚乳酸的合成1.1星形聚乳酸的合成星形聚乳酸的合成主要包括两种方法，即“臂优先”和“核优先”方法。星形聚合物常用的合成方法是“核优先”，具有多羟基的化合物（核心）起引发剂的作用。对于星形聚乳酸，主要利用辛酸亚锡(Sn(Oct)2)作催化剂，多羟基化合物作引发剂，由丙交酯(LA)开环聚合而成[10]，在Sn(Oct)2作用下，LA根据配位-插入机制进行聚合。詹世平等[11]对星形聚乳酸合成方法和合成机理进行充分论述。Eldessouki等[12]基于一种溶剂聚合的方法，利用季戊四醇为引发剂，N,N-二甲基甲酰胺为溶剂，通过改变单体与引发剂的配比、催化剂浓度和反应时间，制备具有星形结构的四臂聚乳酸，并对其性质进行分析。单体转化率在高催化剂浓度下始终较高，而在较低催化剂浓度下较低，可能是由于单体在较低催化剂浓度下存在空间位阻效应。基于热分析仪(DSC)确定支化聚乳酸为半结晶结构，1H NMR和FTIR证实支化聚乳酸为交联网状结构，但支化聚乳酸支化度和臂的长度还需要借助其他检测方法确定，为使用溶剂和在较低温下聚合制备支化聚乳酸提供参考。George等[13]利用含有(2~12)个羟基的醇作共引发剂，Sn(Oct)2作催化剂，在本体中进行左旋丙交酯(L-LA)聚合，得到具有(3~10)臂的聚L-丙交酯低聚物(PLLAs)。结果表明：对于低分子量聚合物，引发聚合的羟基数量接近理论值（2个羟基的1，4丁二醇和4个羟基的季戊四醇），而聚甘油（8个羟基或12个羟基）引发聚合的羟基数量低于理论值，但是合成产物结构为星形聚合物，且臂数大于季戊四醇引发的聚合物臂数。对于制备高分子量聚合物，增加共引发剂中羟基的数目，可以增加聚合速度和分子量，但增加羟基含量不会使转化率下降。热学分析表明，共引发剂制备的星形聚合物较线型聚合物具有更低的熔点。Kim等[14]利用核优先法合成星形PLLA聚合物。结果表明：多数情况下，引发剂不能够引发羟基全部转化。当使用季戊四醇和Sn(Oct)2进行LA聚合，当LA与季戊四醇的物质的量比≥32才能够使四个羟基完全转化，这种效应归因于核心周围的空间位阻。Danko等[15]以芘为端基，合成具有3~6臂功能化的星形聚乳酸，对星形聚乳酸进行静态和时间分辨光谱分析。结果表明：动态的节段运动导致端到端的环化，并伴随有准分子形成。在含有三臂的大分子中，芘部分位于星形聚乳酸的内部。而在较高臂数(4~6)的情况下，位于星形PLA的边缘。因此，增加臂的数量容易导致臂从星形聚乳酸大分子的内部向外伸展。Malberg等[16]对比研究乙酸铋(Bi(OAc)3)、肌酐、Sn(Oct)2和酶等催化剂，用于L-LA开环聚合的催化活性。采用不同类型和不同浓度的催化剂和共引发剂（乙二醇、季戊四醇和肌醇）合成线型和支化聚左旋丙交酯。通过添加不同类型和不同浓度的催化剂和共引发剂，在120 ℃和140 ℃下进行本体聚合，获得不同分子量的聚合产物，得到不同的反应活性。结果表明：4种催化剂都适用于合成PLLA。同样条件下，Bi(OAc)3在120 ℃时与Sn(Oct)2在140 ℃时效果相当。然而，肌酐的反应活性低于Bi(OAc)3，但高于荧光假单胞菌脂肪酶。聚合物中的臂数与引发剂中官能团的数量有关。羟基在核中的位置和单体与多羟基化合物的比例决定能够引发PLA链生长的羟基有效数量。伯羟基能够有效引发单体聚合，并通过增加单体与引发剂的比例增加臂数，但有效引发的先决条件是引发剂在聚合体系中具有良好的溶解度。星形聚乳酸使用的催化剂种类较多，有效的催化剂是Sn(Oct)2，但为避免金属催化剂的残留问题，正在不断开发新型的催化剂，其中酶催化剂和氨基酸等催化剂的研究工作正在不断深入。1.2接枝或梳状聚乳酸的合成接枝或梳状聚合物可以通过“大单体聚合”“从主链接枝”和“接枝到主链”等方法聚合[17]。“大单体聚合”是利用一端封端的大分子单体进行聚合。“从主链接枝”过程中，侧链通过反应耦合接枝在具有活性点的聚合物主链上。“接枝到主链”是由大分子聚合物骨架上的活性点引发侧链单体进行聚合[18]。聚乳酸（或其衍生物）作为主链或侧链可以形成多种梳状或接枝聚合物，其中常用的骨架材料包括多糖、聚乙烯醇和聚丙烯酸等。引入多糖作为骨架与聚乳酸接枝，可以提高聚乳酸衍生材料的亲水性，并加速聚合物的降解速率。Kissel等[19]利用不同的多元醇（如环糊精、聚乙烯醇(PVA)和葡聚糖乙酸酯）合成梳状葡聚糖接枝聚丙乙交酯(dex-g-PLG)的共聚物。Li等[20]利用Sn(Oct)2催化水溶性葡聚糖硫酸钠(DSS)或二乙基氨基乙基葡聚糖氯化物(DEAED)作为主体，合成梳状dex-g-PLA共聚物。Nagahama等[21]研究表明：多糖的引入改善聚乳酸的亲水性，降解速率也得到增加，dex-g-PLA纳米凝胶作为治疗蛋白的载体具有较大的潜力。壳聚糖(CS)来源于甲壳素，可作为接枝共聚物的主链。CS具有良好的生物相容性和可生物降解性，结构中含有的氨基和羟基使其具有良好的活性。通过本体减压聚合，制备壳聚糖与聚乳酸-柠檬酸(PLCA)的接枝共聚物(CS-PLCA)，该共聚物具有可生物降解性和pH敏感性，在pH值为4以下和pH值为8以上，共聚物具有更高的溶胀度[22]。接枝或梳状聚乳酸具有多端基的特点，应用较广泛，特别在靶向供药方面具有突出的优势。1.3超支化和长链聚乳酸的合成超支化聚合物(HPs)是树枝状大分子的同系物，其结构从1个中心核为基础，由支化单体ABn逐级伸展；或者由中心核、数层支化单元和外围基团通过化学键连接而成。当只设计有限数量的分支，聚合物为长链支化聚合物。ABn型单体缩聚是超支化聚合物常用的制备方法之一。ABn型单体常采用n=2型的单体，使用n2的单体，可以得到结构更加复杂的聚合物。反应需要加入适量的引发剂、稳定剂与催化剂，并在合适的温度使反应正向进行。尽管ABn型单体缩聚直接合成HPs过程简单，且在合成反应进行过程中不产生凝胶，但是在目前的市场中缺乏商品化的ABn型单体。为了得到目标HPs，需要预先合成所需的单体，此过程一般步骤较多，而且对产物进行提纯分离也存在一定难度。Jikei等[23]采用自缩聚法由AB2型大分子单体，制备一系列不同支化密度(5.0、8.4、19、29和42)的超支化聚乳酸(HP-PLLAs)，HP-PLLAs具有可控的支化密度。Zhao等[24]在叔胺和Sn(Oct)2作用下，将一系列AB2大分子单体与乳酸本体缩聚得到超支化PLLAs，作为缩合AB2单体。研究表明：2,2-双(羟甲基)丁酸(BHB)比2,2-双(羟甲基)丙酸更合适制备超支化PLLAs，因为BHB在熔融LA中的极性较低、溶解性更好。超支化及长链聚合物由于具有独特的支化分子结构，分子之间无缠结，并且含有大量的端基，表现高溶解度、低黏度、高化学反应活性等性能，使超支化聚合物在薄膜、高分子液晶及药物释放体系等方面具有较好的应用前景。2支化聚乳酸在药物封装方面的应用与相同摩尔质量的线型聚合物相比，基于星形聚合物分子结构的纳米载体表现较小的流体动力学半径、较低的溶液黏度、较高的药物含量和较高的药物包封率。Yin等[25]自组装合成两亲性具有囊泡结构的PEG-b-(PLLA)2多臂星形共聚物，并将水溶性抗癌药物盐酸阿霉素包封至制备的载体中，囊泡多臂星形共聚物中PEG的体积分数(0.2~0.7)较线型共聚物(0.2~0.4)高，具有更大的临界包封系数，可显著提高药物的包封率。支化聚合物具有更多能够与靶向分子连接的端基，这些端基可以将包封的药物大量运送至靶器官和靶组织。支化聚乳酸的降解速率较线型聚乳酸大，有利于调控包封药物的释放速率。Ouyang等[26]通过双乳液/溶剂蒸发法，制备包封牛血清白蛋白(BSA)星形聚乙丙交酯(PLGA)载药微球。最大载药量和封装率分别为67.51 μg/mg和78.39%，优于线型PLGA。Teng等[27]以赤藓糖醇为核心，采用水包油乳液溶剂蒸发法，得到包封利福平(RIF)的4臂星型PLLA微球。单体/引发剂物质的量比(s-PLLA98和s-PLLA99)较高，可以形成表面光滑的微球，粒径分布窄，能够较好地封装药物，其药物释放过程也没有突释性。s-PLLA99微球能够在相当长的一段时间内保持RIF的释放（在180 h内释放率为70%~80%），载药微粒中载体与药物均为非晶态。Zhang等[28]在高浓度Sn(Oct)2催化剂作用下，利用大分子引发剂聚乙烯亚胺(PEI)引发L-LA和外消旋丙交酯(r-LA)，经本体聚合得到两亲性多臂星形聚合物(PEI-b-PLA)。PEI-b-PLA聚合物由两部分组成，内部为亲水性的核，外部是由许多线型PLA链组成的疏水性壳。利用PEI-b-PLA纳米载体封装的亲水客体（甲基橙）可以持续释放，客体释放速率可以通过改变臂长或臂的类型调节，PLA的臂越长，释放速度越慢。支化聚乳酸在药物包封率和载药量方面均优于线型聚乳酸，包封的药物没有突释，释放稳定性能好；另外释放速率可以通过改变臂长或臂的类型调节。关于载药微球粒径和载体分子量，对药物封装和药物释放率的影响可以进行更深入的研究。3支化聚乳酸在药物递送方面的应用聚合物结构在药物递送的控制和药物递送系统的构建中起重要作用。通常情况下，支化聚乳酸具有较紧密的结构，流体动力学半径比线型聚乳酸小，具有较低的溶液黏度和特殊的形态，不易滞留在血液中，并确保包封药物的生物利用度。与二嵌段共聚物相比，支化聚合物释放药物更完全，较低的流体动力学半径，使载体聚合物被更好地排出体外，有助于减少对正常细胞的不良反应，克服化疗的副作用。支化聚合物作为“智能”药物递送载体，能够持续地将药物递送至靶组织，或作为热敏药物的存储仓库。Wang等[29]将一种抗肿瘤模型药物阿霉素(DOX)，通过纳米沉淀技术封装至聚（D-丙交酯）基胶束(PDM)、聚（L-丙交酯）基胶束(PLM)和4臂聚乙二醇-聚乳酸(PEG-PLA)立体复合胶束(SCM)中。负载DOX的胶束分别为PDM/DOX、PLM/DOX和SCM/DOX，与PDM/DOX和PLM/DOX相比，SCM/DOX的流体动力学直径最小，为(90±4.2) nm，且DOX释放最慢，均表现较稳定的流体动力学直径。负载胶束的直径约为100 nm，通过增强渗透滞留(EPR)效应选择性地富集在肿瘤组织。通过血清白蛋白耐受稳定性和血液相容性的测试，DOX负载胶束在牛血清白蛋白(BSA)溶液中72 h后直径几乎没有变化，DOX负载胶束在高浓度DOX·HCl溶液中没有明显的溶血现象，说明DOX负载胶束具有良好的稳定性和血液相容性。Salaam等[30]为了研究4臂星型PEO（聚氧化乙烯）-PLA共聚物中PLA链段的降解速率，通过测定不同降解时间下共聚物在水溶液中的乳酸含量，量化其降解速率。结果表明：高浓度共聚物样品在第21 d仍能够检测到胶束残留，但样品的降解时间相对较短，可用作短期药物释放制剂，并可以通过改变PLA的链长调整释放时间。Lin等[31]研究表明：4臂星形PDLLA-b-PEG共聚物可以接枝生物活性化合物，突出多端基的优势，在药物递送载体方面具有良好的潜力。Ben-Shabat等[32]制备具有1个PLA臂和3个PEG臂的两亲性杂臂共聚物。一端提供1个亲水表面，遮盖疏水核心，阻止网状内皮系统(RES)的吞噬细胞摄取；而另一端具有1个疏水核心，可以与药物相互作用，其结构适宜用作递送疏水药物的载体材料。Fan等[33]基于多面体齐聚倍半硅氧烷(POSS)的聚丙烯酸(PAA)与PLA和聚乙二醇共聚得到支化杂臂双亲性共聚物POSS-(PAA-(PLLA-b-PEG)4)8胶束。共聚物胶束由三层组成，最外层是生物相容的PEG，中间层是可生物降解的疏水PLLA，其内部是亲水性PAA空腔。相比传统的多分子胶束，该共聚物胶束具有更好的体内稳定性，其聚乳酸膜可以包封某些疏水性药物，内部PAA亲水空腔可以通过静电相互作用负载一些亲水性药物。支化PLA作为载药微球的递送载体材料，具有良好的稳定性和血液相容性，可用于多种药物递送系统。与线型PLA相比，星形共聚物的流体动力学直径较小，药物释放时间长，降解时间较短，表明其可用于短期持续药物释放载体。支化聚合物的多支化结构可选择性地递送亲水性或疏水性药物。支化聚合物具有良好的稳定性，在接枝活性药物、靶向分子等方面具有突出的优势。4支化聚乳酸在生物医学材料方面的应用PLA作为基体材料，在组织器官的修复和再生、临时性假体、手术缝合线、人造皮肤和三维多孔支架等生物医学领域得到广泛应用。支化聚乳酸材料是生物医学应用具有吸引力的材料之一。Nagahama等[34]由8臂PEG作为核，LA为单体，Sn(Oct)2为催化剂，在135 ℃，反应24 h条件下，合成两亲性星形8臂PEG-b-PLA共聚物，共聚物在偶联剂作用下接枝胆固醇得到8臂PEG-b-PLA-胆固醇接枝共聚物。端基胆固醇形成温敏凝胶效应，该接枝共聚物在34 ℃的水溶液中能够形成温敏凝胶。8臂PEG-b-PLA-胆固醇接枝共聚物具有类似细胞外基质(ECM)微米级线网结构，具有良好的孔隙率，可用于3维细胞增殖。Li等[35]采用固体热拉伸技术制备高取向支链聚乳酸。拉伸可显著提高试样的拉伸强度和模量。体外血液相容性结果表明：链支化后的取向聚乳酸可减少血小板黏附、牛血清白蛋白(BSA)和牛血纤维蛋白原(BFG)蛋白吸附，活化的部分凝血活酶(APTT)和凝血酶(TT)凝血时间延长，溶血率降低，表明链支化后取向聚乳酸具有更好的血液相容性。Xie等[36]基于肌醇的星形PLLA-b-PEG植入物，显示可控的弹性力学性能，（拉伸强度为18 MPa，弹性模量为200 MPa，断裂伸长率为200%），生物降解能力和成骨细胞生物相容性。该植入物在骨组织再生和药物递送应用方面具有较好前景。Xie等[37]基于星形聚乳酸和苯胺三聚体(AT)，以六亚甲基二异氰酸酯(HDI)为交联剂，将不同链长的6臂PLA进行化学交联，合成形状记忆聚合物(SMP)和强电活性形状记忆聚合物(ESMP)。SMP和ESMP均具有较好的力学性能（模量大于1 GPa）和优良的形状记忆性能（短的恢复时间，高的恢复率和固定率）。这些ESMP具有较好的力学性能、可调节的降解性、良好的电活性和生物相容性。ESMP能够显著促进小鼠成肌细胞的成骨分化，显示具有良好的骨再生能力。Zhao等[38]利用物理包被法，制备载有碘佛醇的PLA-b-PEG多臂中空磁性二氧化硅微球(HMS)。在磁共振成像和计算机断层扫描技术中，包封超顺磁性氧化铁(Fe3O4)的微球可用作靶向造影剂。支化聚乳酸因其结构的改变，端基利于接枝功能小分子，可形成孔隙率较大的网状结构；高取向支化聚乳酸可减少生物质的吸附，具有更好的血液相容性。支化聚乳酸还具有可控的弹性，可用于组织工程材料。5结论PLA从线型到支化结构的改变，使聚合物的力学、降解性能和生物相容性均发生改变，拓展支化聚合物的应用范围。由于PLA具有独特的生物相容性，使其在生物医学领域或生物复合材料中获得广泛应用。在生物医学应用中，支化结构PLA基大分子通过控制药物释放速率，可以接枝更多不同的官能团，适应靶向性或特异性的需求，拓展其适应范围。支化聚合物的合成，理论上可以精确设置支点的位置，确定支点之间线型链的长度。支化聚合物的臂数，链长和共聚物的嵌段比均可以调节，其中支化度可以由单体链长度调节。但链增长与分支点的活化是1个随机过程，尽管线型链的平均长度可由进料中单体与AB2单体的比率调节，但高比例的AB2单体和高支化密度，由于位阻效应很难得到高分子量的支化聚合物。未来，可以通过动力学研究支化聚合物的合成机理，有助于更好地控制支化聚合物的结构。