图1.(a)不同时效期间淬火和冷压试样断裂伸长率随β-松弛活化能的变化。(b)不同时效阶段淬火和冷压试样延展性下降的比较。(c)PLLA物理老化过程中内聚缠结的形成及其对弛豫行为的影响示意图。[15]

一、PLLA——生物降解材料的崛起与挑战

在塑料污染肆虐的时代，聚L-乳酸（PLLA）作为生物基可降解材料的代表，正引领着一场绿色材料革命。这种由可再生植物资源（如玉米、甘蔗）提取的L-乳酸聚合而成的高分子材料，不仅具备优异的生物相容性（可用于医用缝合线、骨固定材料）和完全降解性（在土壤中可被微生物分解为二氧化碳和水）[2]，还拥有良好的透明度和加工性能，使其在食品包装、3D 打印、纺织纤维等领域展现出广阔前景 [6]。

然而，PLLA 的商业化应用始终面临一个核心瓶颈 ——物理老化导致的性能劣化。如同老化的橡胶会变硬变脆，PLLA 在储存和使用过程中，即使不接触光、热、氧等外界因素，其内部微观结构也会自发发生变化，导致机械性能显著改变 [11]。深入理解这一过程，成为突破 PLLA 性能局限的关键。

二、物理老化：被时间重塑的分子世界

所有聚合物在玻璃化转变温度（Tg，PLLA 约为 60℃）以下都会经历物理老化 [11]。对于 PLLA 而言，当熔融状态的聚合物快速冷却至室温时，分子链因缺乏足够时间调整构象，被迫 “冻结” 在无序的非平衡态，此时材料内部存在大量 “自由体积”（分子链间未被占据的空隙），链段处于随机缠结状态 [13]。

随着时间推移，分子链通过微小的布朗运动（微布朗运动）逐渐向热力学平衡态演化：自由体积减少，分子链从无序的 “gg 构象”（间扭式间扭式）向能量更低的 “gt 构象”（间扭式反式）转变，并形成局部有序的 “内聚缠结” 结构 [13]。这一过程如同将打乱的毛线团放置一段时间后，部分线段会自发缠结得更紧密，最终导致材料宏观性能改变 [12]。

物理老化对 PLLA 性能的影响呈现出矛盾的两面性。首先是材料强度的提升：内聚缠结的形成增强了分子间作用力，使材料的拉伸强度和模量逐渐增加。例如，冷压成型的 PLLA 样品在老化10小时后，拉伸强度可提高约15%。但是老化可以大幅度降低材料的韧性：自由体积减少和链段运动受限，导致材料吸收冲击能量的能力大幅下降。淬火成型的 PLLA 样品初始断裂伸长率可达 266%，但老化 100 小时后可能降至 50% 以下，表现出明显的脆性断裂特征。这种 “强而脆” 的转变，使得 PLLA 在长期使用中面临失效风险，尤其限制了其在需要抗冲击性能的领域（如工程塑料、汽车部件）的应用 [7]。

三、成型方法：调控老化进程的钥匙

PLLA 的老化行为与其初始微观结构密切相关，而成型方法正是塑造初始结构的关键手段。通过对比淬火成型与冷压成型两种典型工艺，可清晰看到初始状态对老化的决定性影响：

（一）淬火成型

将熔融 PLLA 直接浸入液氮中快速冷却（冷却速率 > 100℃/s），极大抑制分子链重排，这便是淬火成型的工艺特点。通过该加工过程，材料中形成高自由体积（比冷压样品高约 20%）、低分子链取向的非晶态结构，分子链以高能态的 “gg构象” 为主 [13]。

通过淬火成型的PLLA材料表现出不同的老化表现。初期延展性优异（断裂伸长率比冷压样品高 75%），但老化初期（0-10小时）内聚缠结形成速率较慢，可延缓脆性转变 [13]。例如，淬火样品在老化 24 小时后仍保持一定韧性，而冷压样品已完全脆化。

（二）冷压成型

PLLA材料在室温下施加 10 MPa 压力缓慢冷却，迫使分子链紧密堆积，这一过程即为冷压成型的工艺特点。在该过程中形成了自由体积低，分子链呈局部有序排列，“gt 构象” 比例较高的结构特点[13]。

通过冷压成型的PLLA材料的老化表现为初始强度高（拉伸强度比淬火样品高 30%），但老化过程中内聚缠结快速形成，韧性下降速率是淬火样品的 2 倍。研究表明，冷压样品在老化 10 小时后，β- 弛豫活化能增加约 8%，运动单元受限程度显著提升 [14]。

（三）科学启示：自由体积与缠结的动态平衡

上述两种工艺的差异本质上源于自由体积与分子间作用力的平衡。淬火样品通过保留高自由体积，为分子链运动提供空间，延缓缠结形成 [13]；相反，冷压样品通过外力强制致密化，虽提升初始强度，但也为快速老化埋下伏笔 [12]。这提示我们，可通过调控成型工艺（如冷却速率、压力）设计 “抗老化” 微观结构，在强度与韧性之间找到最优平衡点 [9]。

四、弛豫过程：解密老化的分子动力学

（一）α- 弛豫与 β- 弛豫：尺度不同的分子舞蹈

聚合物的弛豫行为按运动单元尺寸可分为α-弛豫与β-弛豫两种。α-弛豫为涉及链段（含50-100个重复单元）的协同运动，对应玻璃化转变，决定材料的柔软性[14]。PLLA的α- 弛豫活化能高达 467 kJ/mol，表明链段运动需克服高能垒，这也是其室温下呈刚性的原因 [14]。β-弛豫为由单个链节或侧基（如酯基）的局部振动、扭转引起，活化能较低（约 37 kJ/mol），但对材料韧性至关重要 [14]。研究发现，PLLA的β-弛豫强度与断裂伸长率呈线性负相关，即β-弛豫越受限，韧性下降越显著。

（二）内聚缠结：β-弛豫的 “分子枷锁”

物理老化过程中形成的内聚缠结，如同分子链间的 “微型焊点”，主要通过空间位阻和能量壁垒两种机制限制β-弛豫。空间位阻是指PLLA分子链缠结网络压缩自由体积，使链节振动空间减小；而能量壁垒是指缠结增强分子间作用力，需更高能量才能激发链节运动 [14]。有文献报道介电光谱实验表明，随着老化时间延长，PLLA 的β-弛豫峰向高频方向移动（对应活化能增加），淬火样品的峰移动幅度比冷压样品小30%，进一步证实淬火工艺可减弱缠结对β-弛豫的限制 [14]。

（三）从分子到宏观：韧性劣化的链式反应

当 PLLA 受到外力冲击时，分子链的β-弛豫能力直接决定能量耗散效率。未老化状态的PLLA材料中，分子链高自由体积结合低缠结，链节能快速振动和扭转，可以有效吸收冲击能，表现为韧性断裂。而老化状态的PLLA材料处于低自由体积结合高缠结状态，链节运动被冻结，冲击能无法均匀分散，导致裂纹快速扩展，发生脆性断裂。这一过程类似玻璃的 “退火 - 淬火” 效应 —— 快速冷却（淬火）保留了更多 “可运动单元”，而缓慢冷却（老化）使结构僵化 [11]。

五、物理老化对细胞相容性的影响

1. 表面自由能与蛋白吸附

物理老化使 PLLA 分子链排列更紧密，表面极性基团（如酯基）的可及性降低，导致表面自由能下降。例如，冷压老化100小时的PLLA表面自由能从 42 mN/m降至38 mN/m。

表面自由能下降会减少纤维连接蛋白（fibronectin）等黏附蛋白的吸附量。研究表明，老化样品的蛋白吸附量比未老化样品减少约 20%，进而导致成纤维细胞附着率降低。

2. 表面粗糙度的间接作用

物理老化通常不会显著改变 PLLA 的宏观表面粗糙度（Ra <1 μm），但可能通过分子链重排形成纳米级有序结构（如局部结晶畴）。相反，纳米级粗糙度（如 50-200 nm）可能通过整合素介导的信号通路促进成骨细胞分化。然而，老化诱导的有序结构若尺寸过小（<20 nm），则对细胞行为影响有限。

3. 降解产物浓度的潜在影响

老化 PLLA 因降解速率降低，在相同时间内释放的乳酸量减少，局部微环境的酸性更弱，对细胞活性的抑制作用减轻。例如，老化120小时的 PLLA浸提液在 MTT 实验中，细胞存活率比未老化样品高 10%。尽管单次降解产物量减少，但长期植入时（>1 年），老化与未老化 PLLA 的总乳酸释放量无显著差异，因此慢性毒性风险相似。

六、物理老化对组织相容性的影响

1. 炎症反应与异物巨细胞

动物实验（大鼠皮下植入）表明，老化 1 周的 PLLA 样品周围组织的中性粒细胞浸润程度与未老化样品无显著差异，IL-6 和 TNF-α等促炎因子表达水平相近。老化3个月的 PLLA 植入物周围纤维包膜厚度约为 50 μm，与未老化样品的 45 μm 无统计学差异，表明老化未显著加剧纤维化反应。

2. 骨整合能力的力学——生物学耦合

老化导致的韧性降低（如断裂伸长率从 200% 降至 50%）可能使骨固定材料在体内微动增加，诱发额外的炎症反应。例如，老化 PLLA 螺钉在兔股骨植入实验中，周围骨组织的破骨细胞活性（TRAP 染色阳性率）比未老化组高 15%[9]。

3. 与免疫细胞的相互作用

老化 PLLA 表面的低自由能可能倾向于诱导 M2 型巨噬细胞极化（抗炎表型），CD206 阳性表达率比未老化样品高 8%，有利于组织修复。混合淋巴细胞反应（MLR）显示，老化样品的淋巴细胞增殖率低于未老化组，可能与表面抗原呈递能力下降有关，但均在生物相容性可接受范围内。

七、降解产物安全性与代谢途径

无论是否老化，PLLA 均通过水解逐步降解为 L - 乳酸，无其他毒性副产物生成 [2]。老化仅改变降解速率，不影响代谢路径。L - 乳酸可通过三羧酸循环（TCA cycle）完全代谢为 CO₂和 H₂O，健康个体的乳酸清除能力足以应对 PLLA 降解产生的乳酸负荷。即使在老化导致降解加速的情况下（如高温环境），血液乳酸水平仍低于病理阈值（<2 mmol/L）。

但是老化PLLA存在潜在的局部酸碱平衡影响。未老化 PLLA 因降解较快，植入初期（1-2 周）局部 pH 可降至 5.5-6.0，可能引起轻度炎症；而老化样品因降解较慢，同期 pH 维持在 6.5-7.0，炎症反应更温和。另外，无论老化状态如何，植入3个月后局部 pH 均恢复至生理范围（7.2-7.4），表明机体可通过体液循环缓冲乳酸积累。

八、临床应用中的特殊考量

根据PLLA材料不同植入场景，其老化作用的风险存在很大差异。

1 可吸收缝合线：短期使用（<60 天）时，老化对生物相容性影响可忽略，因材料已基本完成力学功能并开始降解。

2 骨内固定器件：长期承重场景下，老化导致的韧性下降可能增加机械失效风险（如螺钉断裂），间接引发二次炎症或组织损伤，需通过复合增强（如碳纤维 / PLLA）弥补。

3 药物涂层的稳定性：老化 PLLA 表面的致密结构可增强药物涂层（如抗生素）的附着力，减少早期释放，从而降低局部药物浓度过高引起的细胞毒性。

4 细胞载体的适配性：对于组织工程支架，老化可能降低细胞接种效率，需通过表面改性（如羟基化处理）恢复表面活性。

结语

PLLA 的物理老化看似是一个 “时间带来的麻烦”，实则蕴含着材料科学的深层规律。通过从分子构象、成型工艺到宏观性能的跨尺度研究，我们不仅能解码材料老化的 “密码”，更能主动设计抗老化的新型结构 [9]。随着可持续发展需求的日益迫切，深入理解并调控 PLLA 的老化行为，将为生物基材料的广泛应用铺平道路，让 “可降解” 不再局限于环境友好，更能实现性能持久的 “绿色承诺”[2]。

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