PLGA薄膜在应变调控下聚集态演变与降解的机理研究

《Polymer Degradation and Stability》：Mechanistic Insights into the Strain-Regulated Aggregated State Evolution and Degradation of PLGA Films

　　

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  通过应变诱导的分子取向调控PLGA降解动力学。
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  单轴拉伸形成致密有序的纳米纤维网络（约9.0 GPa）。
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  取向的PLGA-85在360天后保留>75%的分子量。
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  PLGA-50中严重的链滑移限制了稳定网络的形成。

引言

聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）是一种用途广泛的生物可降解聚酯，凭借其优异的生物相容性、无毒性和高度可调的降解动力学，在生物医学领域得到了广泛应用[[1], [2], [3], [4], [5]]。PLGA被广泛应用于药物递送平台、组织工程支架和手术缝合线，其降解产物（乳酸和羟基乙酸）可通过生理途径安全代谢和排泄[[6], [7], [8], [9]]。然而，在实际临床应用中，基于PLGA的器械经常面临复杂的体内动态力学环境。例如，骨科承重植入物承受持续循环轴向载荷，而血管内支架则经历由心脏搏动引起的节律性振荡环向应力[[10], [11], [12]]。这些外部机械刺激不仅会调节聚合物基体的聚集态结构，而且不可避免地对其水解降解行为和降解产物的局部积累产生深远影响[[13], [14], [15], [16]]。

聚集态结构，包括结晶度、分子链取向和微相形态，是决定PLGA力学强度、溶胀倾向和水解敏感性的关键物理因素[17,18]。在常规静态降解模式下，人们普遍认为致密的晶区会延缓水的侵蚀，而松散的无定形区则有利于水的渗透并加速酯键的水解[19,20]。单轴拉伸提供了一种干净的物理途径，可以破坏聚合物固有的无规线团构象，驱动分子重新取向和重排，而不会引入化学不均匀性[21]。然而，目前的研究主要集中在静态降解机制上[[22], [23], [24], [25]]，关于应变调节的聚集态重构与长期水降解之间（即机-水解耦合效应）的动态耦合关系尚未得到充分探索[[26], [27], [28]]。先前的研究已确立LA/GA比率是PLGA水解降解的重要决定因素，同时分子取向和机械变形也被报道会影响生物可降解聚酯的降解行为[16, 27]。然而，变形途径和由此产生的聚集态组织如何随PLGA组成而变化，以及这些不同的变形诱导结构与长期水解降解之间的关联，仍缺乏足够的了解。

有趣的是，本研究中的初步力学评估表明，高乳酸含量（PLGA-85和PLGA-75）的PLGA膜在大变形单轴拉伸过程中表现出显著的宏观应变硬化。这种力学增强在视觉上类似于在半结晶聚合物中观察到的经典"应变诱导结晶"[29,30]。然而，这种宏观增强究竟源于真正的应变诱导相变（结晶），还是仅仅源于高度取向的无定形链堆积，仍然是一个开放性问题。解决这一微观结构状态至关重要，因为它决定了生理水环境中长期的水分扩散屏障和酯键断裂动力学。

为回答这一问题，本研究系统地研究了三种具有代表性的PLGA共聚物（PLGA-85、PLGA-75和PLGA-50），以阐明应变诱导的聚集态重构如何决定其后续的水解降解行为。利用二维广角X射线衍射（2D-WAXD）、偏振傅里叶变换红外（P-IR）光谱和定量纳米力学原子力显微镜（QNM-AFM）系统表征了跨多个长度尺度的变形诱导微观结构演化。在37°C的磷酸盐缓冲液（PBS）中，通过追踪分子量保留率和质量损失，对未拉伸（ε=0%）和高拉伸（ε=400%和500%）薄膜的长期体外水解降解动力学进行了评估，持续时间为360天。所选的大应变基于大变形时观察到的特征应力-应变响应，其中明显的应变硬化行为显而易见，并用于探究相关的变形诱导结构重排。本研究阐明了变形诱导的分子取向和链间滑移相关的不同降解行为背后的结构机制，提供了在不改变化学组成的情况下，关于变形诱导的聚集态重组与长期水解降解之间组成依赖关系的机理见解。

章节片段

材料

具有不同乳酸/羟基乙酸（LA/GA）摩尔比的聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA），具体为PLGA-85（LA/GA=85:15，M_w≈150 kDa）、PLGA-75（LA/GA=75:25，M_w≈140 kDa）和PLGA-50（LA/GA=50:50，M_w≈140 kDa），购自神华有限公司（中国玉林）。用作铸膜溶剂的分析级二氯甲烷（DCM，≥99.5%）购自Sigma-Aldrich（美国密苏里州圣路易斯）。用于体外实验的磷酸盐缓冲液（PBS，0.01 M，pH 7.4±0.1）片剂

应力-应变曲线分析

首先通过单轴拉伸测试研究了具有不同LA/GA比的PLGA膜的宏观变形行为。如图1a所示，工程应力-应变曲线显示出机械性能对组成的强依赖性。在环境温度（25°C）下，PLGA-50表现出特征性的橡胶状变形行为，具有相对较低的屈服应力，随后是一个较长的应力平台。它显示出显著的延展性，具有

结论

总之，本研究成功展示了一种简便的物理分子取向策略，用于研究和调控PLGA膜的体外水解降解行为，而不改变其体化学组成。通过施加单轴拉伸，PLGA-85中刚性的疏水LA富集段协同取向形成致密堆积的纳米纤维网络，其局部DMT模量高达约9.0 GPa。这种致密、高度取向的物理结构是

作者贡献声明

张曦：撰写——审阅与编辑、数据整理、概念构思。任志浩：撰写——初稿撰写、数据整理。陈泽宇：方法学、形式分析、数据整理。郭浩宇：调查、数据整理。张凌云：方法学、数据整理。李凡竺：可视化、监督、概念构思。傅烨：撰写——审阅与编辑、监督、调查。翁云轩：撰写——审阅与编辑、监督、概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所述工作的报道。

致谢

本研究得到中国国家重大科技项目，中国（编号 2025ZD0614601）、中国国家自然科学基金，中国（52473228）的资助。

张曦|任志浩|陈泽宇|郭浩宇|张凌云|李凡竺|傅烨|翁云轩