生物可降解材料聚乳酸的制備改性及應(yīng)用

1、生物可降解材料聚乳酸的制備改性及應(yīng)用摘要：聚乳酸（PLA）是人工合成的可生物降解的的熱塑性脂肪族聚酯，其具有良好的機(jī)械性能、熱塑性、生物相容性和生物降解性等，廣泛應(yīng)用于可控釋材料、生物醫(yī)用材料、組織工程材料、合成纖維等領(lǐng)域。本文主要介紹了聚乳酸的合成、改性及其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：聚乳酸；生物降解；合成；應(yīng)用隨著大量高分子材料在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，廢棄高分子材料對(duì)環(huán)境的污染有著日益加劇的趨勢(shì)。處理高分子材料的一些老套方法如焚燒、掩埋、熔融共混擠出法、回收利用等都存在缺陷并有一定的局限性，給環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重的負(fù)荷，因此開(kāi)發(fā)環(huán)境可接受的降解性高分子材料是解決環(huán)境污染的重要途徑。而乳酸主要來(lái)源于自然界十

2、分豐富的可再生植物資源如玉米淀粉、甜菜糖等的發(fā)酵。聚乳酸（polylactide簡(jiǎn)稱(chēng)PLA)在自然環(huán)境中可被水解或微生物降解為無(wú)公害的最終產(chǎn)物CO2和H2O，對(duì)其進(jìn)行堆肥或焚燒處理也不會(huì)帶來(lái)新的環(huán)境污染1。此外聚乳酸及其共聚物是一種具有優(yōu)良的生物相容性的合成高分子材料。它具有無(wú)毒、無(wú)刺激性、強(qiáng)度高、可塑性強(qiáng)、易加工成型等特點(diǎn)，因而被認(rèn)為是最有前途的生物可降解高分子材料2。利用其可降解性，也可用作生物醫(yī)用材料如組織支架、外科手術(shù)縫合線(xiàn)、專(zhuān)業(yè)包裝、外科固定等。1 生物降解機(jī)理3，4生物降解是指高分子材料通過(guò)溶劑化作用、簡(jiǎn)單水解或酶反應(yīng)，以及其他有機(jī)體轉(zhuǎn)化為相對(duì)簡(jiǎn)單的中間產(chǎn)物或小分子的過(guò)程。高分子材

3、料的生物降解過(guò)程可分為4個(gè)階段：水合作用、強(qiáng)度損失、物質(zhì)整體化喪失和質(zhì)量損失。微生物首先向體外分泌水解酶，與可生物降解材料表面結(jié)合，通過(guò)水解切斷這些材料表面的高分子鏈，生成低相對(duì)分子質(zhì)量的化合物（有機(jī)酸、糖等)，然后，降解的生成物被微生物攝入體內(nèi)，合成為微生物體物或轉(zhuǎn)化為微生物活動(dòng)能量，在耗氧條件下轉(zhuǎn)化為CO2，完成生物降解的全過(guò)程。材料的結(jié)構(gòu)是決定其是否可生物降解的根本因素。合成高分子多為憎水性的，一般不能生物降解，只有能保持一定濕度的材料才有可能生物降解。含有親水性基團(tuán)的高分子可保持一定的濕度，宜生物降解，同時(shí)含有親水和憎水基的聚合物生物降解性好。一般分子量大的材料較分子量小的更難生物降解

4、；脂肪族聚合物比相應(yīng)的芳香族聚合物容易生物降解；支化和交聯(lián)會(huì)降低材料的生物降解性。另外，材料表面的特性對(duì)生物降解也有影響，粗糙表面材料比光滑表面材料更易降解。影響可生物降解性的化學(xué)因素主要有高分子的親水性、構(gòu)型、形態(tài)結(jié)構(gòu)、鏈段的活動(dòng)性、分子量、高聚物的組成以及上述因素之間的相互關(guān)系等。高分子的親水性越強(qiáng)越易水解，水解酶對(duì)酯鍵、酰胺鍵和氨基甲酸酯都有較強(qiáng)的作用；無(wú)定型態(tài)的高聚物比結(jié)晶狀態(tài)容易水解；分子鏈段越柔順，玻璃化溫度越低，越有利于降解；鏈段活動(dòng)性越大，自由體積越大，越容易受到酶的進(jìn)攻，也就越容易降解；可降解性隨著分子量增大而降低；高聚物的組成，如共混、共聚等也影響著高分子的可降解性。一般情

5、況下只有極性高分子才能與酶相吸附并能很好親和，因此高分子具有極性是生物降解的必要條件。具有生物降解性（包括水解）的分子化學(xué)結(jié)構(gòu)有：脂肪族酯鍵、酞鍵、脂肪族醚鍵、亞甲基、氨基、酰氨基、烯氨基、芳香族偶氮基、脲基、氨基甲酸乙酯等。2 聚乳酸的基本性質(zhì)聚乳酸是以微生物的發(fā)酵產(chǎn)物L(fēng)-乳酸為單體聚合成的一類(lèi)聚合物，可以分為聚左旋乳酸（PLLA)、聚右旋乳酸（PDLA)和聚消旋乳酸（PDLLA)三種。具體性能5見(jiàn)表1。其中，常用易得的是PLLA和PDLLA。PLLA是半結(jié)晶性相當(dāng)硬的材料。PLLA和PDLA的外消旋體是結(jié)晶性的，相反PDLLA是無(wú)定形的透明的材料6。聚乳酸的熔點(diǎn)較高，其物理性質(zhì)介于PET（

6、聚對(duì)苯二甲酸類(lèi)塑料)和PA-6（尼龍塑料)之間，結(jié)晶度大、透明度極好，有良好的抗溶劑性、防潮、耐油脂、透氣性，還具有一定的耐菌性、阻燃性和抗紫外性。聚乳酸的熱穩(wěn)定性好，適用于吹塑、吸塑、擠出紡絲、注塑和發(fā)泡等多種加工方法，可加工成薄膜、包裝袋、包裝盒、一次性快餐盒、飲料用瓶以及醫(yī)用材料，使得其在服裝、包裝、玩具和醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域擁有廣泛的應(yīng)用前景。3 聚乳酸的合成方法PLA 一般可以通過(guò)乳酸的直接縮聚 也可以由丙交酯經(jīng)陰離子型 陽(yáng)離子型和配位型的開(kāi)環(huán)聚合制得。一般來(lái)說(shuō) 乳酸直接聚合或丙交酯 （lactide 簡(jiǎn)稱(chēng) LA) 的陰離子開(kāi)環(huán)聚合所得到的 PLA 分子量較低因此 要合成高分子量 高轉(zhuǎn)化率

7、的 PLA 需要采用陽(yáng)離子型或配位型開(kāi)環(huán)聚合。3.1 乳酸直接縮聚乳酸的直接縮聚由于存在著乳酸、水、聚酯及丙交酯的平衡，不易得到高分子量的聚合物。在脫水劑的存在下，乳酸分子中的羥基和羧基受熱脫水，直接縮聚合成低聚物，加入催化劑，繼續(xù)升溫，低相對(duì)分子質(zhì)量的聚乳酸聚合成更高相對(duì)分子量的聚乳酸。它主要有溶液縮聚法、熔融縮聚（本體聚合）法、熔融-固相縮聚法和反應(yīng)擠出聚合法等。直接縮聚法生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單 但一般只能得到分子量小于 1 萬(wàn)的 PLA 當(dāng)縮聚溫度低于 120 時(shí) 加入脫水劑 ZnO 可以加快縮聚速度 Ajioka 等7利用一步法制備出重均分子量達(dá) 30 萬(wàn)的 PLA 但難于進(jìn)一步提高分子量 且分

8、子量分布較寬 其性能不能滿(mǎn)足生物醫(yī)學(xué)上的某些需要。3.2 丙交酯的開(kāi)環(huán)聚合目前研究合成聚乳酸的最多方法是丙交酯的開(kāi)環(huán)聚合，其開(kāi)環(huán)聚合的機(jī)理有陽(yáng)離子聚合、陰離子聚合、配位聚合3種8。3.2.1 陰離子開(kāi)環(huán)聚合1990年 Kricheldorf H. R.9以 BzOKPhOK tBuOK 和 BuLi 為催化劑對(duì) L-LA 實(shí)施開(kāi)環(huán)聚合。發(fā)現(xiàn)只有當(dāng)引發(fā)劑的堿性較大時(shí) 如 tBuOK 和BuLi 才可能使 L-LA 發(fā)生開(kāi)環(huán)聚合，得到的聚合物分子量也較低，并且在聚合過(guò)程中發(fā)生聚合物部分消旋化的現(xiàn)象。Kricheldorf 等10報(bào)道了 BuMgCl Bu2Mg Mg(Oet)2等對(duì)內(nèi)酯的開(kāi)環(huán)聚合，

9、 Mg 有一定的絡(luò)合能力，反應(yīng)活性有所提高，但缺點(diǎn)是反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。他使用格氏試劑 BuMgCl催化 LA 聚合發(fā)現(xiàn)有部分消旋現(xiàn)象得到產(chǎn)物的分子量低。推斷該引發(fā)過(guò)程伴隨有部分陰離子聚合機(jī)理，出現(xiàn)離域陰離子。3.2.2 陽(yáng)離子型開(kāi)環(huán)聚合陰離子開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)是以催化劑親核進(jìn)攻丙交酯的羰基，酰氧鍵斷裂后生成的。這類(lèi)反應(yīng)一般以強(qiáng)堿為催化劑，如 Na2CO3、KOH、ROLi、ROK 等。現(xiàn)以 ROLi 為例，反應(yīng)為11：L-丙交酯陰離子開(kāi)環(huán)聚合經(jīng)常伴有消旋現(xiàn)象，這是由于丙交酯環(huán)上的叔碳原子脫質(zhì)子所致。這類(lèi)催化劑反應(yīng)速度快、活性高，可進(jìn)行本體或溶液聚合，但副反應(yīng)極為明顯，不利于制備高分子量的聚合物。3.2.

10、3 配位插入開(kāi)環(huán)聚合配位插入開(kāi)環(huán)聚合反應(yīng)一般認(rèn)為是單體上的氧原子與催化劑金屬的空軌道配位絡(luò)合，單體再在金屬-碳或金屬-烷氧鏈上進(jìn)行插入和增長(zhǎng)12。催化劑主要為過(guò)渡金屬有機(jī)化合物和氧化物。這類(lèi)反應(yīng)的催化劑種類(lèi)很多如烷基金屬和烷基金屬化合物。如AL(Oi2Pr)3，Sn(Oct)2、烷基稀土配位化合物、BuSnOMe、卟啉鋁等。其中 Sn(Oct)2已成為最常用、最有效的催化劑，其催化劑機(jī)理為：卟啉鋁作為配位開(kāi)環(huán)聚合的一種催化劑，其引發(fā)聚合得到的聚合物的分子量分布非常窄。而且這種催化劑有很好的立構(gòu)選擇性。但是這類(lèi)催化劑的活性不高。Kricheldorf 等用 MgBu2和格氏試劑作為引發(fā)體系，發(fā)現(xiàn)

11、在有冠醚作溶劑時(shí)它們能非常有效地催化 L-丙交酯開(kāi)環(huán)聚合得到分子量高達(dá) 100 萬(wàn)的聚合物，但這類(lèi)催化劑對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求非常高。由此可以看出配位插入開(kāi)環(huán)聚合在合成聚乳酸中發(fā)揮的重要作用。4 聚乳酸的改性4.1化學(xué)改性4.1.1共聚改性共聚改性是通過(guò)調(diào)節(jié)LA與其他單體的比例來(lái)改變聚合物的性能，或由其他單體向PLA提供特殊功能基團(tuán)，以此來(lái)改善PLA的親水性、結(jié)晶性等性能。宋謀道等13采用PEG與丙交醋共聚，制得高分子質(zhì)量的PLA一PEG一PLA嵌段共聚物。當(dāng)PEG含量達(dá)到一定程度（如質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到7.7%)后，共聚物出現(xiàn)了屈服拉伸，克服了PLA的脆性。這種脆性向韌性的轉(zhuǎn)變說(shuō)明，用PEG改性的PLA是一

12、種綜合性能可調(diào)控的生物降解材料。Yoshikuni Teramoto等14用幾種方法合成了纖維素雙乙酸醋與PLA接枝共聚物。DSC（差示掃描量熱儀)測(cè)試結(jié)果表明，改性后的共聚物均只具有單一的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度，而且玻璃化轉(zhuǎn)變溫度有很大程度的降低，共聚物的摩爾乳酸基取代系數(shù)（MS)變大。當(dāng)MS升高到14以上時(shí)，PLA側(cè)鏈具有可結(jié)晶性。且共聚物的可拉伸性隨著PLA含量提高有很大的提高，當(dāng)MS14時(shí)，最大斷裂伸長(zhǎng)達(dá)到2000%。4.1.2表面改性Ainingzhu等15通過(guò)殼聚糖上的自由氨基與4一疊氮苯甲酸上的梭基進(jìn)行反應(yīng)，將4-疊氮苯甲酸固定在殼聚糖上。利用4-疊氮苯甲酸的光敏性，采用紫外光照射涂抹在

13、PLA薄膜表面的殼聚糖，疊氮基團(tuán)光解，從而將PLA和殼聚糖共價(jià)連接起來(lái)。改性后殼聚糖上的輕基和氨基又可以引人其他的官能團(tuán)，從而可以對(duì)PLA進(jìn)行進(jìn)一步的改性，如肝磷脂進(jìn)一步改性后可在PLA表面形成聚合（高分子)電解質(zhì)，能防止血小板附著在聚合物表面上，同時(shí)還加強(qiáng)了細(xì)胞的附著力。4.2物理改性4.2.1共混改性共混改性是將兩種或兩種以上的聚合物進(jìn)行混合，通過(guò)聚合物各組分性能的復(fù)合來(lái)達(dá)到改性的目的。共混物除具有各組分固有的優(yōu)良性能外，還由于組分間某種協(xié)同效應(yīng)而呈現(xiàn)新的效應(yīng)。淀粉是一種可自然降解的親水性材料，它與PLA的共混物可完全生物降解。在淀粉與PLA共混物中PLA作為連續(xù)母相存在，而淀粉則作為填充

14、劑。當(dāng)?shù)矸酆砍^(guò)60%，PLA相變的不連續(xù)。PLA與淀粉之間的界面粘合力隨著共混物的老化而降低，MDI可以改善這種界面粘合力，從而延緩PLA/淀粉共混物的老化，延緩機(jī)械性能的降低。Kelly S.Anderson等16，則研究了PLA與LL-DPE熔融共混物，發(fā)現(xiàn)半結(jié)晶的PIA不用增塑劑，通過(guò)共混即可改善其韌性，而無(wú)定形的PLA，則需要用PLLA、PE嵌段共聚物作增塑劑，才可以通過(guò)共混來(lái)改善其韌性。4.2.2增塑改性增塑改性就是在高聚物中混溶一定量的高沸點(diǎn)、低揮發(fā)性的低分子量物質(zhì)，從而改善其機(jī)械性能與加工性能。4.2.3復(fù)合改性纖維復(fù)合改性主要是為了提高材料的機(jī)械性能。碳纖維因?yàn)槠涓邚?qiáng)度和優(yōu)

15、良的生物相容性成為很好的PLA增強(qiáng)材料。無(wú)機(jī)填料摻人PLA中熔融共混制備復(fù)合材料，填料的種類(lèi)影響復(fù)合物的機(jī)械性能。摻入子和晶須類(lèi)填料后復(fù)合材料的拉伸模量分別可達(dá)3.1-3.7GPa和3.7-4.5GPa，彎曲模量為4.1-4.8GPa和4.8-6.1GPa。摻人晶須類(lèi)填料時(shí)復(fù)合材料的拉伸模量、拉伸強(qiáng)度以及彎曲模量與填料的體積分?jǐn)?shù)成比例地增長(zhǎng)。PLA與無(wú)機(jī)填料間的表面粘合力比較差，因而無(wú)機(jī)填料的增強(qiáng)效果也比較差17。5 聚乳酸的應(yīng)用5.1服裝領(lǐng)域中的應(yīng)用（聚乳酸纖維）聚乳酸纖維（簡(jiǎn)稱(chēng)PLA 纖維），是一種新型的生態(tài)環(huán)保型纖維，它以谷物、甜菜等為原料，先將其發(fā)酵制得乳酸，然后經(jīng)縮合、聚合反應(yīng)制成聚

16、乳酸，再利用耦合劑制成具有良好機(jī)械性能的較高分子量聚乳酸，最后經(jīng)過(guò)化學(xué)改質(zhì)，將其強(qiáng)度、保水性提升并將其纖維化18。聚乳酸纖維的最大特點(diǎn)是同時(shí)具備天然纖維和化學(xué)纖維兩方面的優(yōu)點(diǎn)，其強(qiáng)度和聚酯纖維接近，達(dá)6.23cN/dtex；有極好的懸垂性、滑爽性、吸濕透氣性、耐曬性、抑菌和防霉性；具有絲綢般的光澤；回彈性好；有較好的卷曲性和卷曲持久性；耐磨性好；不易變形，尺寸穩(wěn)定性好；UV（抗紫外）穩(wěn)定性好；抗起毛起球；比PET密度小，所以由其制得的服裝具有質(zhì)輕、柔軟、穿著舒適、干爽之感；可以用分散性染料于100不加載體染色；成型加工性好；熱粘結(jié)溫度可以控制；其熔融溫度為120170，熔點(diǎn)低（175）。5.2

17、 包裝工程中的應(yīng)用高分子材料在包裝行業(yè)中的應(yīng)用越來(lái)越多，但是大量廢棄的包裝材料給環(huán)境造成了巨大污染。只靠消極的減少使用量是不能根本解決問(wèn)題的，只有采用降解性高分子才是可行的。 目前，各種包裝材料是聚乳酸最大、最有潛力的應(yīng)用市場(chǎng)。聚乳酸阻氣阻水性、透明性及可印刷性良好，且其基本原料乳酸是人體固有的生理物質(zhì)之一，對(duì)人體無(wú)毒無(wú)害，在食品包裝市場(chǎng)上大有用武之地。5.3生物可降解高分子材料在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用5.3.1 藥物控釋藥物控釋是生物可降解材料的重要應(yīng)用。大部分植入體內(nèi)的藥物控釋制劑是用可降解聚合物制成的，已有一些天然的和合成的高分子材料被各國(guó)藥品管理部門(mén)批準(zhǔn)為藥用輔料，還有相當(dāng)數(shù)量的控釋材料正在

18、研究開(kāi)發(fā)中。聚乳酸及其共聚物被用作一些半衰期短、穩(wěn)定性差、易降解及毒副作用大的藥物控釋制劑的載體，有效地拓寬了給藥途徑，減少了給藥次數(shù)和給藥量，提高了藥物的生物利用度，最大限度地減少藥物對(duì)全身特別是肝、腎的毒副作用19，20。聚乳酸作為緩釋劑的優(yōu)點(diǎn)有：熔融溫度低，且易溶于溶劑中。聚乳酸水解產(chǎn)物為乳酸，對(duì)人體無(wú)害。低聚乳酸容易制備。 在藥物控制釋放載體方面需要低相對(duì)分子質(zhì)量的聚乳酸，以期在體內(nèi)迅速降解21。為了調(diào)節(jié)藥物的釋放速度，宋存先等22用己內(nèi)酯與丙交酯嵌段共聚物制備了18-甲基炔酮、氫化可的松等藥物微球，通過(guò)調(diào)節(jié)聚己內(nèi)酯多元醇與聚乳酸的比例改變藥物的釋放速度。5.3.2骨折內(nèi)固定裝置眾所周

19、知，長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)內(nèi)外一直采用不銹鋼金屬材料作骨折內(nèi)固定材料，由于其應(yīng)力遮擋保護(hù)易形成骨質(zhì)疏松，且愈合后需二次手術(shù)。采用生物可降解材料制成的骨夾板在骨愈合過(guò)程中它具有足夠的強(qiáng)度和硬度，可支持骨折部位承受正常生理活動(dòng)的外力，在骨愈合后夾板開(kāi)始降解并失去強(qiáng)度，外來(lái)的承重力逐漸由夾板轉(zhuǎn)移到自體骨上，使新愈合的自體骨的功能自然恢復(fù)到正常水平；夾板最后從植入部位消失，免去二次手術(shù)的麻煩。由純的PLA制成的骨夾板其初始強(qiáng)度較低，只能用于非承重部位的骨折內(nèi)固定，通過(guò)和其他醫(yī)用生物材料的復(fù)合，可以改善PLA的力學(xué)性能，例如用聚乙醇酸（PG纖維、碳纖維、羥基磷灰石等增強(qiáng)PLA，可大幅度提高材料的初始強(qiáng)度，具有相當(dāng)?shù)?/p>

20、承載能力，可與金屬的強(qiáng)度媲美。5.3.3外科手術(shù)縫合線(xiàn)聚乳酸及其共聚物最早在醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用就是外科縫合線(xiàn)，由于聚乳酸的生物降解性，在傷口愈合后自動(dòng)降解并吸收，不用拆線(xiàn)，無(wú)需第二次手術(shù)，同時(shí)聚合物具有較強(qiáng)的初始抗張強(qiáng)度且穩(wěn)定地維持一段時(shí)間，能有效控制聚合物降解速率，隨著傷口的愈合，縫線(xiàn)緩慢降解。商品名為Vicryl的縫合線(xiàn)是由美國(guó)Ethico Inc.公司生產(chǎn)的，它是乙交酯與丙交酯的共聚物。近年來(lái)，研究主要集中在以下幾方面：為提高縫合線(xiàn)的機(jī)械強(qiáng)度，需合成高分子量聚乳酸，改進(jìn)加工工藝。光學(xué)活性聚合物的合成，半結(jié)晶的聚右旋乳酸、聚左旋乳酸比無(wú)定形聚消旋乳酸具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、較大的拉伸比率及較低的收縮

21、率，更適合手術(shù)縫合線(xiàn)?？p合線(xiàn)的多功能化。在縫合線(xiàn)中摻入抗炎藥來(lái)抑制局部炎癥及異物排斥反應(yīng)，在縫合線(xiàn)中加入增塑劑，如骨膠原、低相對(duì)分子質(zhì)量聚乳酸及其他無(wú)機(jī)鹽增加縫合線(xiàn)的韌性和調(diào)節(jié)聚合物的降解速率。參考文獻(xiàn)：1 Sinha RS，BousminaM.Biodegradable polymers and their layered silicate nanocompositesA. In greening the 21st centuryMaterials world，Progress inMaterials Science， 2005，50： 962-10792 李孝紅，袁明龍，熊成東等.聚乳酸及

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