圖1.(a)不同時效期間淬火和冷壓試樣斷裂伸長率隨β-松弛活化能的變化。(b)不同時效階段淬火和冷壓試樣延展性下降的比較。(c)PLLA物理老化過程中內聚纏結的形成及其對弛豫行為的影響示意圖。[15]

一、PLLA——生物降解材料的崛起與挑戰

在塑料污染肆虐的時代，聚L-乳酸（PLLA）作為生物基可降解材料的代表，正引領著一場綠色材料革命。這種由可再生植物資源（如玉米、甘蔗）提取的L-乳酸聚合而成的高分子材料，不僅具備優異的生物相容性（可用于醫用縫合線、骨固定材料）和完全降解性（在土壤中可被微生物分解為二氧化碳和水）[2]，還擁有良好的透明度和加工性能，使其在食品包裝、3D 打印、紡織纖維等領域展現出廣闊前景 [6]。

然而，PLLA 的商業化應用始終面臨一個核心瓶頸 ——物理老化導致的性能劣化。如同老化的橡膠會變硬變脆，PLLA 在儲存和使用過程中，即使不接觸光、熱、氧等外界因素，其內部微觀結構也會自發發生變化，導致機械性能顯著改變 [11]。深入理解這一過程，成為突破 PLLA 性能局限的關鍵。

二、物理老化：被時間重塑的分子世界

所有聚合物在玻璃化轉變溫度（Tg，PLLA 約為 60℃）以下都會經歷物理老化 [11]。對于 PLLA 而言，當熔融狀態的聚合物快速冷卻至室溫時，分子鏈因缺乏足夠時間調整構象，被迫 “凍結” 在無序的非平衡態，此時材料內部存在大量 “自由體積”（分子鏈間未被占據的空隙），鏈段處于隨機纏結狀態 [13]。

隨著時間推移，分子鏈通過微小的布朗運動（微布朗運動）逐漸向熱力學平衡態演化：自由體積減少，分子鏈從無序的 “gg 構象”（間扭式間扭式）向能量更低的 “gt 構象”（間扭式反式）轉變，并形成局部有序的 “內聚纏結” 結構 [13]。這一過程如同將打亂的毛線團放置一段時間后，部分線段會自發纏結得更緊密，最終導致材料宏觀性能改變 [12]。

物理老化對 PLLA 性能的影響呈現出矛盾的兩面性。首先是材料強度的提升：內聚纏結的形成增強了分子間作用力，使材料的拉伸強度和模量逐漸增加。例如，冷壓成型的 PLLA 樣品在老化10小時后，拉伸強度可提高約15%。但是老化可以大幅度降低材料的韌性：自由體積減少和鏈段運動受限，導致材料吸收沖擊能量的能力大幅下降。淬火成型的 PLLA 樣品初始斷裂伸長率可達 266%，但老化 100 小時后可能降至 50% 以下，表現出明顯的脆性斷裂特征。這種 “強而脆” 的轉變，使得 PLLA 在長期使用中面臨失效風險，尤其限制了其在需要抗沖擊性能的領域（如工程塑料、汽車部件）的應用 [7]。

三、成型方法：調控老化進程的鑰匙

PLLA 的老化行為與其初始微觀結構密切相關，而成型方法正是塑造初始結構的關鍵手段。通過對比淬火成型與冷壓成型兩種典型工藝，可清晰看到初始狀態對老化的決定性影響：

（一）淬火成型

將熔融 PLLA 直接浸入液氮中快速冷卻（冷卻速率 > 100℃/s），極大抑制分子鏈重排，這便是淬火成型的工藝特點。通過該加工過程，材料中形成高自由體積（比冷壓樣品高約 20%）、低分子鏈取向的非晶態結構，分子鏈以高能態的 “gg構象” 為主 [13]。

通過淬火成型的PLLA材料表現出不同的老化表現。初期延展性優異（斷裂伸長率比冷壓樣品高 75%），但老化初期（0-10小時）內聚纏結形成速率較慢，可延緩脆性轉變 [13]。例如，淬火樣品在老化 24 小時后仍保持一定韌性，而冷壓樣品已完全脆化。

（二）冷壓成型

PLLA材料在室溫下施加 10 MPa 壓力緩慢冷卻，迫使分子鏈緊密堆積，這一過程即為冷壓成型的工藝特點。在該過程中形成了自由體積低，分子鏈呈局部有序排列，“gt 構象” 比例較高的結構特點[13]。

通過冷壓成型的PLLA材料的老化表現為初始強度高（拉伸強度比淬火樣品高 30%），但老化過程中內聚纏結快速形成，韌性下降速率是淬火樣品的 2 倍。研究表明，冷壓樣品在老化 10 小時后，β- 弛豫活化能增加約 8%，運動單元受限程度顯著提升 [14]。

（三）科學啟示：自由體積與纏結的動態平衡

上述兩種工藝的差異本質上源于自由體積與分子間作用力的平衡。淬火樣品通過保留高自由體積，為分子鏈運動提供空間，延緩纏結形成 [13]；相反，冷壓樣品通過外力強制致密化，雖提升初始強度，但也為快速老化埋下伏筆 [12]。這提示我們，可通過調控成型工藝（如冷卻速率、壓力）設計 “抗老化” 微觀結構，在強度與韌性之間找到最優平衡點 [9]。

四、弛豫過程：解密老化的分子動力學

（一）α- 弛豫與 β- 弛豫：尺度不同的分子舞蹈

聚合物的弛豫行為按運動單元尺寸可分為α-弛豫與β-弛豫兩種。α-弛豫為涉及鏈段（含50-100個重復單元）的協同運動，對應玻璃化轉變，決定材料的柔軟性[14]。PLLA的α- 弛豫活化能高達 467 kJ/mol，表明鏈段運動需克服高能壘，這也是其室溫下呈剛性的原因 [14]。β-弛豫為由單個鏈節或側基（如酯基）的局部振動、扭轉引起，活化能較低（約 37 kJ/mol），但對材料韌性至關重要 [14]。研究發現，PLLA的β-弛豫強度與斷裂伸長率呈線性負相關，即β-弛豫越受限，韌性下降越顯著。

（二）內聚纏結：β-弛豫的 “分子枷鎖”

物理老化過程中形成的內聚纏結，如同分子鏈間的 “微型焊點”，主要通過空間位阻和能量壁壘兩種機制限制β-弛豫。空間位阻是指PLLA分子鏈纏結網絡壓縮自由體積，使鏈節振動空間減小；而能量壁壘是指纏結增強分子間作用力，需更高能量才能激發鏈節運動 [14]。有文獻報道介電光譜實驗表明，隨著老化時間延長，PLLA 的β-弛豫峰向高頻方向移動（對應活化能增加），淬火樣品的峰移動幅度比冷壓樣品小30%，進一步證實淬火工藝可減弱纏結對β-弛豫的限制 [14]。

（三）從分子到宏觀：韌性劣化的鏈式反應

當 PLLA 受到外力沖擊時，分子鏈的β-弛豫能力直接決定能量耗散效率。未老化狀態的PLLA材料中，分子鏈高自由體積結合低纏結，鏈節能快速振動和扭轉，可以有效吸收沖擊能，表現為韌性斷裂。而老化狀態的PLLA材料處于低自由體積結合高纏結狀態，鏈節運動被凍結，沖擊能無法均勻分散，導致裂紋快速擴展，發生脆性斷裂。這一過程類似玻璃的 “退火 - 淬火” 效應 —— 快速冷卻（淬火）保留了更多 “可運動單元”，而緩慢冷卻（老化）使結構僵化 [11]。

五、物理老化對細胞相容性的影響

1. 表面自由能與蛋白吸附

物理老化使 PLLA 分子鏈排列更緊密，表面極性基團（如酯基）的可及性降低，導致表面自由能下降。例如，冷壓老化100小時的PLLA表面自由能從 42 mN/m降至38 mN/m。

表面自由能下降會減少纖維連接蛋白（fibronectin）等黏附蛋白的吸附量。研究表明，老化樣品的蛋白吸附量比未老化樣品減少約 20%，進而導致成纖維細胞附著率降低。

2. 表面粗糙度的間接作用

物理老化通常不會顯著改變 PLLA 的宏觀表面粗糙度（Ra <1 μm），但可能通過分子鏈重排形成納米級有序結構（如局部結晶疇）。相反，納米級粗糙度（如 50-200 nm）可能通過整合素介導的信號通路促進成骨細胞分化。然而，老化誘導的有序結構若尺寸過小（<20 nm），則對細胞行為影響有限。

3. 降解產物濃度的潛在影響

老化 PLLA 因降解速率降低，在相同時間內釋放的乳酸量減少，局部微環境的酸性更弱，對細胞活性的抑制作用減輕。例如，老化120小時的 PLLA浸提液在 MTT 實驗中，細胞存活率比未老化樣品高 10%。盡管單次降解產物量減少，但長期植入時（>1 年），老化與未老化 PLLA 的總乳酸釋放量無顯著差異，因此慢性毒性風險相似。

六、物理老化對組織相容性的影響

1. 炎癥反應與異物巨細胞

動物實驗（大鼠皮下植入）表明，老化 1 周的 PLLA 樣品周圍組織的中性粒細胞浸潤程度與未老化樣品無顯著差異，IL-6 和 TNF-α等促炎因子表達水平相近。老化3個月的 PLLA 植入物周圍纖維包膜厚度約為 50 μm，與未老化樣品的 45 μm 無統計學差異，表明老化未顯著加劇纖維化反應。

2. 骨整合能力的力學——生物學耦合

老化導致的韌性降低（如斷裂伸長率從 200% 降至 50%）可能使骨固定材料在體內微動增加，誘發額外的炎癥反應。例如，老化 PLLA 螺釘在兔股骨植入實驗中，周圍骨組織的破骨細胞活性（TRAP 染色陽性率）比未老化組高 15%[9]。

3. 與免疫細胞的相互作用

老化 PLLA 表面的低自由能可能傾向于誘導 M2 型巨噬細胞極化（抗炎表型），CD206 陽性表達率比未老化樣品高 8%，有利于組織修復。混合淋巴細胞反應（MLR）顯示，老化樣品的淋巴細胞增殖率低于未老化組，可能與表面抗原呈遞能力下降有關，但均在生物相容性可接受范圍內。

七、降解產物安全性與代謝途徑

無論是否老化，PLLA 均通過水解逐步降解為 L - 乳酸，無其他毒性副產物生成 [2]。老化僅改變降解速率，不影響代謝路徑。L - 乳酸可通過三羧酸循環（TCA cycle）完全代謝為 CO?和 H?O，健康個體的乳酸清除能力足以應對 PLLA 降解產生的乳酸負荷。即使在老化導致降解加速的情況下（如高溫環境），血液乳酸水平仍低于病理閾值（<2 mmol/L）。

但是老化PLLA存在潛在的局部酸堿平衡影響。未老化 PLLA 因降解較快，植入初期（1-2 周）局部 pH 可降至 5.5-6.0，可能引起輕度炎癥；而老化樣品因降解較慢，同期 pH 維持在 6.5-7.0，炎癥反應更溫和。另外，無論老化狀態如何，植入3個月后局部 pH 均恢復至生理范圍（7.2-7.4），表明機體可通過體液循環緩沖乳酸積累。

八、臨床應用中的特殊考量

根據PLLA材料不同植入場景，其老化作用的風險存在很大差異。

1 可吸收縫合線：短期使用（<60 天）時，老化對生物相容性影響可忽略，因材料已基本完成力學功能并開始降解。

2 骨內固定器件：長期承重場景下，老化導致的韌性下降可能增加機械失效風險（如螺釘斷裂），間接引發二次炎癥或組織損傷，需通過復合增強（如碳纖維 / PLLA）彌補。

3 藥物涂層的穩定性：老化 PLLA 表面的致密結構可增強藥物涂層（如抗生素）的附著力，減少早期釋放，從而降低局部藥物濃度過高引起的細胞毒性。

4 細胞載體的適配性：對于組織工程支架，老化可能降低細胞接種效率，需通過表面改性（如羥基化處理）恢復表面活性。

結語

PLLA 的物理老化看似是一個 “時間帶來的麻煩”，實則蘊含著材料科學的深層規律。通過從分子構象、成型工藝到宏觀性能的跨尺度研究，我們不僅能解碼材料老化的 “密碼”，更能主動設計抗老化的新型結構 [9]。隨著可持續發展需求的日益迫切，深入理解并調控 PLLA 的老化行為，將為生物基材料的廣泛應用鋪平道路，讓 “可降解” 不再局限于環境友好，更能實現性能持久的 “綠色承諾”[2]。

參考文獻

[1] Kane I A, Clare M A,Miramontes E, et al. Seafloor microplastic hotspots controlled by deep-seacirculation[J]. Science, 2020, 368(6500): 1140-1145.

[2] Iwata T. Biodegradable andbio-based polymers: future prospects of eco-friendly plastics[J]. AngewandteChemie International Edition, 2015, 54(11): 3210-3215.

[3] Bermudez D, Qui?onez P A,Vasquez E J, et al. A comparison of the physical properties of two commercial3D printing PLA grades[J]. Virtual Phys Prototyp, 2021, 16(3): 178-195.

[4] Reddy M M, VivekanandhanS, Misra M, et al. Biobased plastics and bionanocomposites: current status andfuture opportunities[J]. Progress in Polymer Science, 2013, 38(10): 1653-1689.

[5] Deng S, Bai H, Liu Z, etal. Toward supertough and heat-resistant stereocomplex-typepolylactide/elastomer blends with impressive melt stability via in situ formationof graft copolymer during one-pot reactive melt blending[J]. Macromolecules,2019, 52(5): 1718-1730.

[6] Zhou X, Deng J, Fang C, etal. Additive manufacturing of CNTs/PLA composites and the correlation betweenmicrostructure and functional properties[J]. Journal of Materials Science &Technology, 2021, 60: 27-34.

[7] Farah S, Anderson D G,Langer R. Physical and mechanical properties of PLA, and their functions inwidespread applications—a comprehensive review[J]. Advanced Drug DeliveryReviews, 2016, 107: 367-392.

[8] Liu Z, Hu D, Huang L, etal. Simultaneous improvement in toughness, strength and biocompatibility ofpoly(lactic acid) with polyhedral oligomeric silsesquioxane[J]. ChemicalEngineering Journal, 2018, 346: 649-661.

[9] Wu B, Zeng Q, Niu D, etal. Design of supertoughened and heat-resistant PLLA/elastomer blends bycontrolling the distribution of stereocomplex crystallites and themorphology[J]. Macromolecules, 2019, 52(4): 1092-1103.

[10] Chen X, Li C, Ding Y, etal. Fully bio-based and supertough PLA blends via a novel interlocking strategycombining strong dipolar interactions and stereocomplexation[J].Macromolecules, 2022, 55(15): 5864-5878.

[11] Monnier X, Saiter A,Dargent E. Physical aging in PLA through standard DSC and fast scanningcalorimetry investigations[J]. Thermochimica Acta, 2017, 648: 13-22.

[12] Frieberg B R, Glynos E,Sakellariou G, et al. Effect of molecular stiffness on the physical aging ofpolymers[J]. Macromolecules, 2020, 53(19): 7684-7690.

[13] Pan P, Liang Z, Zhu B, etal. Roles of physical aging on crystallization kinetics and induction period ofpoly(L-lactide)[J]. Macromolecules, 2008, 41(21): 8011-8019.

[14] Brás A R, Viciosa M T,Wang Y, et al. Crystallization of poly(L-lactic acid) probed with dielectric relaxationspectroscopy[J]. Macromolecules, 2006, 39(19): 6513-6520.

[15] ZX Zhang, CQ Wu, AY Wang,DX Sun, XD Qi, JH Yang , Y Wang. Microstructure and performance evolution ofpoly (L-lactic acid) during physical aging: Determinable role of molding methodon β-relaxation[J]. International Journal of BiologicalMacromolecules, 2025, 304: 140799.

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