乳酸（lactic acid），又名2-羟基丙酸，是一种结构极为简单的有机酸，它在发酵食品如酸奶、泡菜中自然产生。1780年，化学家舍勒（Carl Wilhelm Scheele）在酸奶中首次分离出了乳酸。1808年，贝采利乌斯（Jöns Jakob Berzelius）在运动的活体动物肌肉中发现了堆积的乳酸。随后，科学家们研究发现，乳酸是人体内糖酵解过程中的一个重要中间产物。
乳酸分子的结构
20世纪初，随着酚醛树脂的发明和实用化，人们开始尝试利用各种小分子制备聚合物。当时流行采用缩聚反应合成聚合物，由于乳酸分子同时带有羟基和羧基，因此是一种理想的缩聚反应的原料。1913年，法国科学家通过缩聚方法首次合成了聚乳酸，但是该方法制备的聚乳酸产量低，分子量小，力学性能差，几乎没有什么实用价值。时间转眼来到1932年，美国杜邦公司（Dupont）的科学家被誉为高分子化学之父的卡罗瑟斯（Wallace Hume Carothers）想到了一个很巧妙的方法间接制备量聚乳酸。他首先利用乳酸合成丙交酯（下文会展示它的结构），然后将纯化好的丙交酯进行开环聚合，从而得到了高分子量的聚乳酸。然而，卡罗瑟斯当时急于寻找一种高熔点并具有出色耐久性的聚酯纤维材料。聚乳酸在潮湿环境下可降解的特性在当时是一个很大的缺点，因此被卡罗瑟斯放弃。
1962年，美国Cyanamid公司发现用聚乳酸做成的手术缝合线可被机体吸收，克服了以往用蚕丝制备的缝合线所具有的过敏性，并且聚乳酸降解产物为乳酸、二氧化碳和水均是无害的天然小分子，这一发现开启了聚乳酸作为可降解医用材料的大门。1974年，杜邦公司正式推出聚乳酸手术缝合线。1987年，Leenslag等采用四苯基锡为催化剂，制备出高分子量的聚乳酸，其力学性能有了很大改善，使得聚乳酸作为骨科固定材料显示出广阔的应用前景。
聚乳酸按照分子结构不同可以分为聚左旋乳酸（PLLA）、聚右旋乳酸（PDLA）、外消旋聚乳酸（PDLLA）和内消旋聚乳酸（meso-PLA）。如此多的门类与乳酸分子的手性特征相关。手性，是指分子通常具有非对称的三维结构，就像左手和右手一样，它们是互为镜像的，但无法完全重合，这种特性在化学中非常重要。
乳酸分子手性结构示意图
左旋乳酸（L-乳酸）是人体天然存在的物质，在细胞中左旋乳酸（L-乳酸）可以在乳酸脱氢酶（仅参与左旋乳酸代谢）的作用下被氧化为丙酮酸，直接用作三羧酸循环的燃料，完全代谢为二氧化碳、水。右旋乳酸（D-乳酸）在人体内含量较少，由于人体内没有代谢D-乳酸的酶， D-乳酸累积会导致酸中毒，产生神经毒性作用。因此，婴儿及幼儿食品中禁用D-乳酸，成人每天摄入D-乳酸量限制在100mg/kg体重以下。将相同比例的右旋乳酸（D-乳酸）和左旋乳酸（L-乳酸）混合后，对偏振光的旋转相互抵消，称为消旋乳酸。
目前，聚乳酸的生产原料乳酸主要通过玉米、木薯等植物发酵获得。通过不同的菌株可以生产左旋乳酸（L-乳酸）或右旋乳酸（D-乳酸）。相对应的，由左旋乳酸（L-乳酸）作为原料合成的聚乳酸称为聚左旋乳酸（PLLA），由右旋乳酸（D-乳酸）作为原料合成的聚乳酸称为聚右旋乳酸（PDLA）。外消旋聚乳酸（PDLLA）是由等比例D型和L型乳酸单体随机排列聚合而成的，这种排列方式使得聚合物链不具有规整的螺旋结构。
聚乳酸的合成方法有很多种，例如乳酸直接缩聚法，另一种是国际上目前主流的聚乳酸合成方法，先由乳酸合成丙交酯，再在催化剂的作用下开环聚合。此外还有一种固相聚合法。
直接聚合法研究较早，但是由于涉及反应中的水脱除等关键技术还不能得到很好的解决，所以其产物的分子量较低（均在 4000 以下），强度极低，易分解，没有实用性。日本昭和高分子公司将乳酸在惰性气体中慢慢加热升温并缓慢减压，使乳酸直接脱水缩合，并使反应物在 220~260℃，133Pa 下进一步缩聚，得到相对分子质量在 4000 以上的聚乳酸。但是该方法反应时间长，产物在后期的高温下会老化分解，变色，且不均匀。日本三井压化学公司则尝试采用溶液聚合法使乳酸直接聚合得到聚乳酸。直接法的主要特点是合成的聚乳酸不含催化剂，因此缩聚反应进行到一定程度时体系会出现平衡态，需要升温加压打破反应平衡，反应条件相对苛刻。近几年来，通过技术的创新与改进，直接聚合法取得了一定的进展，在不久的将来随着技术的不断成熟，能够实现工业化生产。、
缩聚反应制备聚乳酸
开环聚合法是目前世界上用的较多的生产方法。早在 20 世纪中叶，杜邦公司的科研人员就用开环聚合法获得了高分子量的聚乳酸。近年来，国外对聚乳酸合成的研究主要集中在丙交酯的开环聚合上。美国 Cargill 公司用此法生产的聚乳酸经熔喷与纺粘后加工制备医用无纺布产品。聚乳酸的开环聚合多采用辛酸亚锡作引发剂，分子量可达上百万，机械强度高，聚合分离两步进行：
第一步，乳酸经脱水环化制得丙交酯；
第二步，丙交酯经开环聚合制得聚乳酸；
但是这种开环聚合法在聚合的时候对催化剂的纯度，单体的纯度要求极高，即使是极微量的杂质也会使 PLA 的分子量低于 10 万，而且聚合条件如温度、压力、催化剂的种类和用量、反应时间等等也会极大地影响 PLA 的分子量，所以高分子量 PLA 的合成是一个技术难点。目前，国内以陈学思院士团队为代表的研究人员着力于开发丙交脂的核心催化剂技术，相关技术已处于产业化阶段。
开环聚合制备聚乳酸
固相聚合法是将直接聚合法得到的低分子量聚乳酸在减压真空、温度在 聚乳酸熔点-玻璃化温度之间的条件下进行聚合反应，以提高其聚合度，增加分子量，从而提高材料强度和加工性能。
聚乳酸在临床上已使用了40多年，在组织工程、药物输送、手术缝合和骨科修复材料等领域都有广泛应用。聚乳酸最早应用于可降解手术缝合线，由于纯PLA结晶度较高、性脆，不能直接用来制作医用缝合线，往往要将其进行改性。一般是将乳酸单体与乙醇酸在摩尔比为90∶10的条件下进行共聚，该制品已于2002年由强生（上海）医疗器材有限公司将其商品化，名为薇乔（Vicryl）抗菌缝线，是当时全球第一种也是唯一的一种人工合成抗菌可吸收医用缝线。该产品具有一定的机械强度与吸收性能，可以根据伤口制成不同形状，在愈合初期具有一定强度能够帮助人体组织复位。童颜针是最近很火的一款再生医美产品，其主要成分是聚左旋乳酸（PLLA），与玻尿酸、少女针同属面部填充剂的一种。童颜针注射进入人体后其主要成分经分解产生左旋乳酸，该产物能激发皮肤内成纤维细胞的再生活力，促进人体自身的 III型和I型胶原再生，从而达到支撑面部塌陷，改善皮肤松弛不饱满的情况。一般来讲，童颜针填充持续效果较长可达两年以上，在整个持续过程会逐渐被被机体代谢为无害的二氧化碳和水。
薇乔（Vicryl）抗菌缝线
2021年12月31日，工信部发布《重点新材料首批次应用示范指导目录（2021年版）》，涵盖先进基础材料、先进有色金属、先进化工材料、关键战略材料、前沿新材料五大类共304种材料。在先进化工材料中，聚乳酸入列，应用领域生物医药及高性能医疗装备。聚乳酸具有良好的生物相容性，对人体有高度安全性并可被组织吸收，加之其优良的物理机械性能，除了一次性医用口罩、手套、床单、护垫、药物盒、器皿之外，在体内医用材料方向也有广泛应用，如采用聚乳酸制得的可吸收螺钉、可吸收手术线，可用作人体组织修补的纤维编织物或膜材料，骨折内固定材料，眼科植入材料，组织工程支架材料等。在欧美等国已被用来替代不锈钢，作为新型的骨科内固定材料如骨钉、骨板而被大量使用，其可被人体吸收代谢的特性使病人免收了二次开刀之苦。
从乳酸的自然发现到聚乳酸的人工合成，再到其在生物医学领域的广泛应用，这一过程展现了人类对自然界物质的深入理解和创新利用。聚乳酸的故事不仅是科学进步的见证，也是人类对可持续发展和环境保护理念的体现。未来，随着科技的不断发展，聚乳酸及其衍生物将在生物医学领域扮演更加重要的角色。
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