自毀降解型一次性醫療注射器具及其製造方法

2023-10-09 23:05:09 1

專利名稱：自毀降解型一次性醫療注射器具及其製造方法
技術領域：
本發明涉及環保降解一次性醫療注射器具的技術領域。
背景技術：
現有生產的一次性醫療注射器、輸液器及一些醫療製品，大都使用聚乙烯和聚丙烯等材料經吹塑製造而成的，用這些材料製造的醫療用品，在經過使用後不能自行消毀和自行降解消毀，使其變成醫療垃圾，汙染環境和危及人們的身體健康。通常處理這些用過的一次性醫療器具的方法是採用集中燒毀的辦法，用這種方法處理，既浪費了寶貴的石油資源，又會產生大量黑煙及氯化氫氣體，而且還會產生目前被認為毒性最強的二惡英類劇毒物質汙染我們人類的生存環境。更有甚者把用過的一次性醫療注射器具，非法買賣用於二次使用，使帶有病菌的一次性醫療注射器具流入社會，危害人們的身體健康，甚至危及我們的生命。

發明內容
本發明的目的是在於提供一種能自行消毀和降解的塑料原料—聚乳酸(PLA)高分子材料，製造一次性醫療注射器具及其製造方法。該降解材料可用價廉的可再生原料和陳舊原料及廢棄的植物秸杆生產，替代不可再生的石油基塑料，並且用該降解材料和生產工藝生產的一次性醫療用具，具有降解自毀速度快，安全可靠，並且無需更改現有的一次性醫療注射器具及其它醫療用品的形狀、結構和習慣用法，而且製造的一次性醫療注射器具及其它醫療用品成本較低。用該材料及工藝製造的一次性醫療用品，用完後廢棄或燒毀對環境不造成汙染，而且杜絕了一次性醫療注射器具的二次使用所帶來的致病菌傳播和二次汙染等問題，使一次性醫療注射器具能真正達到一次性使用的目的。
本發明的技術方案是本發明採用可再生的穀物類(包含陳舊的穀物)、薯類、製糖的下腳料、農作物的秸杆為主要原料，經糖化後得葡萄糖漿、加穀物漿得液料調PH值、細菌發酵得乳酸(採用不同菌種發酵，所得到的乳酸不同)、分離提取乳酸、乳酸脫水縮聚、重結晶高純度的丙膠酯、開環聚合控制、聚合成分子量為2.6-5.0×104的聚乳酸原料，再經擠壓、造粒、吹塑、成型製得一次性醫療注射器具。
本發明所述的細菌發酵菌種可採用乳酸桿菌或保加利亞乳桿菌或米根黴，發酵所得的乳酸可為L-乳酸或D-乳酸或DL-乳酸。本發明所述的穀物漿可選擇玉米漿或其它穀物漿。本發明可用L-乳酸(D-乳酸、DL-乳酸)直接製備聚乳酸(PLA)材料，從而省略發酵步驟。
本發明的原料及重量百分比為(1)穀物粉漿18-29％(陳舊穀物粉漿20-31％)、穀物漿(玉米漿)1-4％、乳酸桿菌(也可採用製備乳酸的其它菌種)7-12％、其餘為水。
(2)薯類粉漿16-27％、穀物漿(玉米漿)1-4％、乳酸桿菌(也可採用製備乳酸的其它菌種)7-12％、其餘為水。
(3)經研磨的製糖下腳料漿液19-27％、穀物漿(玉米漿)1-4％、乳酸桿菌(也可採用製備乳酸的其它菌種)7-12％、其餘為水。
(4)植物秸杆漿渣36-49％、纖維素酶3-7％、糖化酶0.1-3％、穀物漿(玉米漿)1-4％、乳酸桿菌(也可採用製備乳酸的其它菌種)7-12％、其餘為水。
本發明具體製備方法是(1)糖化首先將穀物浸泡或將薯類洗淨，水磨成漿後，再經高溫高壓噴射糖化後得到葡萄糖漿。如用植物秸杆為原料，首先把秸杆粉碎研磨成細漿液和水一起流入發酵罐中，流入纖維素酶初步糖化，初步糖化完成後流入糖化酶進一步糖化，使其秸杆碎渣充分的轉化為葡萄糖漿。製糖的下腳料，經研磨成漿後，可直接用於發酵；(2)配料在糖化完成後得到的葡萄糖漿溶液中加入1-4％的穀物漿(玉米漿)，然後加壓氣流攪拌均勻；(3)發酵將攪拌均勻的料液PH值調節到6.0，然後升至100℃滅菌10-30分鐘後，降至50℃接種7-12％的乳酸桿菌(也可採用製備乳酸的其它菌種)，使料液進行充分發酵43-51小時；(4)分離提取L-乳酸(D-乳酸、DL-乳酸)發酵完成後，將含有L-乳酸(D-乳酸、DL-乳酸)的液體經電滲析器(也可用分子蒸餾提純)進行分離提純，得到純度98％以上的L-乳酸(D-乳酸、DL-乳酸)；
(5)從L-乳酸(D-乳酸、DL-乳酸)到聚乳酸材料的化學合成工藝將乳酸脫水縮聚，環化為聚合單體丙交酯，再通過丙交酯的開環聚合得分子量為2.6-5.0×104聚乳酸；(6)擠壓、造粒、吹塑、成型將製備好的聚乳酸，經粉碎機粉碎，在小於220℃擠出造粒，再經成型機吹塑成型，就可製得一次性自毀降解型醫療注射器具；(7)封裝真空無菌密封包裝。
本發明發酵階段的生物反應原理是 從L-乳酸(D-乳酸、DL-乳酸)到聚乳酸材料的化學合成工藝聚乳酸的製備是以乳酸為原料進行的，乳酸分子中同時具有羥基和羧基官能團，兼有醇和酸的性質，反應活性較高，在適當的條件下容易脫水縮合成聚乳酸。本發明聚乳酸材料的聚合度即均聚分子量為2.6-5.0×104，選擇這一段分子量的聚乳酸材料，這主要是考慮到聚乳酸材料的降解速率和照顧到聚乳酸材料的物理機械性能。聚乳酸的降解速率是和分子量、富氧及土壤中的微生物多少等有關，分子量降低，水解及微生物降解速率加快。聚乳酸的物理機械性能是隨著分子量的增加而增加，聚乳酸材料一般分子量大於2.5×104以上才具有良好的物理機械性能，因此均聚分子量在2.6-5.0×104的這一段聚乳酸材料，具有水解和土壤中微生物降解速度快及具有一定良好的物理機械性能，所以是最適合製造一次性自消毀降解型醫療注射器具及其它醫療用品的良好材料。
其聚乳酸的合成(乳酸脫水縮聚)主要有一步聚合法(直接縮聚法)和兩步聚合法(丙交酯開環聚合法)兩種方法。聚乳酸一步聚合法，是乳酸通過高溫高壓直接脫水縮聚合成聚乳酸的，用一步法制出的聚乳酸比二步法產品有更優越的耐熱性和耐侯性。如將一步法通過採用溶媒和活性催化劑的雙重作用下，很可能很方便的製備出數拾萬分子量的聚乳酸來，這也是將今後降低聚乳酸製造成本變為可能。
聚乳酸一步聚合法反應機理是
乳酸在140-210℃、真空0.067-1.03MPa的高溫高壓下脫水反應，生成乳酸低聚物和水，乳酸低聚物在200-250℃、真空0.095-1.33MPa脫水縮聚成分子量為2.6-5.0×104聚乳酸。
聚乳酸兩步聚合法(丙交酯開環聚合法)，是乳酸脫水環化為聚合單體丙交酯，再通過丙交酯的開環聚合得到聚乳酸，其中聚合單體丙交酯的獲得極為關鍵，此方法聚合產物分子量可達到數萬至數百萬。
乳酸兩步縮合法得聚乳酸的具體實施與控制過程如下a.由乳酸合成丙交酯的技術控制一定溫度，壓力，利用適當的催化劑。其反應方程式如下 將200ml L-乳酸(D-乳酸、DL-乳酸)，1-4g催化劑ZnO加入到500ml三口燒瓶中加熱，在最佳實驗條件下合成丙交酯，即100℃時開始抽真空，真空度0.032-0.055MPa，在105min左右的時間內，將溫度升高到150℃，真空度升高到0.076-0.095MPa。這個過程在接收瓶中收集到水分，待沒有水分蒸餾出來以後，繼續升高溫度到180℃，待有淺黃色有機液體出現以後，更換接收瓶。在90min左右內將溫度升高到270℃，接收淺黃色餾分，該液體靜置片刻以後結晶。將得到的產物經過幾次水洗，抽濾，得到白色的片狀晶體。將結晶固體乾燥，即得到製備聚乳酸的中間產物丙交酯。
b.由丙交酯合成聚乳酸的技術聚合方法有本體聚合、溶液聚合和乳液聚合。選用適當的催化劑，控制適當的溫度範圍。注意體系中的氛圍，抑制副反應的發生。反應方程式如下 將丙交酯200Kg和氯化亞錫催化劑0.7-1.2Kg加入到三口燒瓶中，在抽真空0.064-0.095MPa的條件下，在145℃，合成反應3h，即得分子量為2.6-5×104的聚乳酸。
控制氯化亞錫催化劑的加入量和真空度，就可控制聚乳酸的分子量。將丙交酯200Kg，將稱量好的丙交酯和加入聚合體系一定比例的氯化亞錫催化劑2.1-3.6Kg一起到入聚合釜中，在抽真空0.095～2.133MPa的條件下，在將聚合釜溫度升至145℃，合成反應3-8h，即得均聚分子量數萬～百萬的聚乳酸；該大分子量的聚乳酸可以製造人造骨釘、人造支架、纖維、塑料等等醫療用品。
一次性自毀降解型醫療注射器具及其它醫療用品的降解機理聚乳酸材料是一種完全可降解的聚合物，降解最終產物為二氧化碳和水。其降解的主要方式是水解、富氧、微生物，在聚乳酸降解方式之一是酯鍵的水解，水解導致了低分子量水溶性物的產生，起先酯鍵水解較慢，其後水解反應通過水解的酸性基團和富氧的聯合自動催化下，水解速度逐步加快，使其聚乳酸材料分子量降低失去原有的物理機械性能，最後再由土壤和海洋生物代謝，最終生成水和二氧化碳。一次性自毀降解型醫療注射器具及其它醫療用品的生產，正是利用了聚乳酸材料的這些降解機理進行製造生產的。
其自毀降解過程是打開即將使用的一次性自毀降解型醫療注射器具的外包裝，取出注射器具，這時注射器內沒有藥劑溶液和富氧及微生物的存在，注射器不產生降解作用(如這時把注射器埋入土壤中，就可產生降解)。當把注射器抽入藥劑溶液，帶藥劑溶液注射完畢後，這一段時間雖然注射器內有藥劑溶液存在，但是藥劑溶液在注射器內停留的時間較短，所以不產生降解作用。經過一段時間後，由於殘留在注射器內藥劑溶液的水解作用，注射器內前端開始緩慢水解降解，這是因為注射器內前端殘留的藥劑溶液比其它部位多，藥劑溶液濃度較大，所以水解降解反應首先從注射器內前端開始，由於藥劑溶液經過一段時間對注射器內前端緩慢水解降解作用後，注射器內前端殘留的藥劑溶液中，產生大量的酸性基團分子，這時聚集在藥劑溶液中的大量酸性基團分子和從注射器針孔進入的氧氣一起組成聯合催化劑。在這聯合催化劑的作用下，再加上用於製造的注射器材料聚乳酸的分子量較低，促使殘留藥劑溶液對注射器水解降解反應速度加快。使水解從注射器內前端內壁聚乳酸材料表面加速水解降化，並且水解反應逐步深入到整個注射器前端聚乳酸材料體內部，從不定形區逐漸深入到晶體，破壞了聚乳酸材料的結構，從而降低了聚乳酸材料的分子量，使其用聚乳酸材料製造的一次性自毀降解型醫療注射器具，失去原有的物理機械性能而扭曲變形，再加上藥劑溶液對聚乳酸材料的水解產生的膠體，膠體在常溫下很快將注射器內活動塞與注射器內壁及出液孔牢牢的粘結再一起，再扭曲變形和粘結的聯合作用下，使其一次性注射器無法再次使用，從而使一次性醫療注射器具，能真正達到了一次性使用的目的，然後將失去使用價值的一次性注射器具埋入土壤中或集中燒毀，它將全部分解成為二氧化碳和水，並且對環境不造成汙染。
本發明的一次性自毀降解型醫療注射器具及其它醫療用品，不打開包裝可保質一年。打開包裝注射器使用後3-6h開始降解，輸液器使用後48h開始降解，其它用品68h開始降解。這些醫療用品，還可根據實際應用情況，控制製造產品增減降解時間。
其一次性自毀降解型醫療器具及其它醫療用品的降解機理的化學方程式 具體實施方式
以植物秸杆為原料生產一次性自毀降解型醫療注射器具及其它醫療用品的工藝過程是(1)原料預處理和糖化首先將植物秸杆洗淨，用切割機切成碎片進行水磨成漿後，往氣升式發酵罐中加入適量的清水，再把磨好後的植物秸杆漿液按重量比36-49％流入發酵罐中，然後再加足重量比的清水，把罐液PH值調節到6.4後，將罐溫緩慢升高到100℃，8-20分鐘後將罐溫降至70℃，流入2-5％的纖維素酶破壞秸杆的組織粗纖維，並且使秸杆漿液初步糖化，20-40min初步糖化完成後，流入0.5-3％的糖化酶進一步糖化20-40min，使其秸杆漿液充分的轉化為葡萄糖漿；(2)配料將糖化完成後所得到的葡萄糖漿溶液中加入1-4％的玉米漿，然後加壓氣流攪拌均勻；(3)發酵將攪拌均勻的料液PH值調節到6.0，然後將罐溫緩慢升至100℃滅菌10-30分鐘後，再將罐溫降至50℃，接種7-12％的乳酸桿菌使料液進行充分發酵43-51小時；(4)分離提純發酵完成後，將發酵液經電滲析器進行分離提純，得到純度98％的L-乳酸；(5)聚乳酸降解塑料的製備a.將已提純好的98％的L-乳酸按聚合釜的聚合量加入計量槽中，稱好要聚合乳酸的聚合量(本例稱得乳酸聚合量為200Kg)到入雙攪拌器的聚合釜中，再加入1-4KgZnO催化劑加熱，在最佳聚合條件下合成丙交酯，即在聚合釜溫度為100℃時開始抽真空，釜內真空度為0.032-0.055MPa，在105min左右的時間內，再將聚合釜溫度提高到150℃，釜內真空度提高到0.076-0.095MPa，這個過程在接收槽中收集到水分，待沒有水分蒸餾出來以後，繼續將聚合釜溫度升高到180℃，待有淺黃色有機液體出現以後，倒入另一個接收槽，在90min左右內將聚合釜的溫度升高270℃，接收淺黃色餾分，該液體靜置片刻以後結晶，再將結晶固體到入結晶爐中重新結晶，所得到的產物經過幾次水洗，再經抽濾機抽濾，得到片狀的白色晶體，再將晶狀固體經乾燥噴霧塔乾燥，即得到製備高純度聚乳酸的中間產物丙交酯。b.將製備好的丙交酯，經粉碎機粉碎到入計量槽中，稱量聚合所需的重量(本例稱得丙交酯200Kg)，將稱量好的丙交酯和加入聚合體系的氯化亞錫催化劑0.7-1.2Kg一起到入聚合釜中，在抽真空0.064-0.095MPa的條件下，將聚合釜溫度升至145℃，合成反應3h，即得分子量為2.6-5.0×104的聚乳酸降解塑料原料；(6)擠壓、造粒、吹塑、成型將製備好的聚乳酸大塊原料，經粉碎機粉碎，在小於220℃的雙螺旋擠出造粒機上擠出造粒，再經成型機吹塑、成型，製得一次性自毀降解型醫療注射器具及其它醫療用品；(7)封裝將製造好的一次性自毀降解型醫療注射器具及配件組裝好並消毒後，進行真空密封包裝，經檢驗合格，打上製造日期，產品就可以銷售使用。封裝工序，在製造一次性自毀降解型醫療注射器具及其它醫療用品中，起到很關鍵的作用，封裝的好壞和封裝材料的性能，將直接影響著醫療器具的使用和保質期。本發明封裝材料採用降解型塑料薄膜包裝材料和真空保存法進行保質，用這種包裝材料和抽真空保存法，有利於提高自毀降解型醫療注射器具及其它醫療用品的保質期限，又能隔絕自毀降解型醫療用品與水和微生物的接觸，使其安全的渡過保質期限，而且又杜絕了致病菌對醫療用品的侵蝕。所以用這種材料和抽真空密封法，在包裝完畢出廠一年後包裝材料開使降解，其包裝內的自毀降解醫療用品保質期也為一年(如打開包裝自毀降解醫療用品幾個小時後就可開使降解)，這種包裝材料有利於醫療器具的保質期限，又能起到降解的作用，而且又不汙染環境。
以穀物類、薯類為原料製備聚乳酸的工藝中，糖化是採用高溫高壓噴射糖化處理，也可用雙酶糖化處理或省略糖化處理部分直接發酵。以製糖的下腳料為原料，經粉碎研磨後，可直接用於發酵。用L-乳酸與D-乳酸共聚製備L.D-丙交酯的方法和製備聚L.D-乳酸的方法，基本與製備L-丙交酯和聚L-乳酸一樣，但主要掌握L-乳酸與D-乳酸的混合比例，一般混合比為1∶0.2--1∶1，由L-乳酸與D-乳酸共聚製備的共聚物的主要特點是水解降解和微生物降解比聚L-乳酸速度快，價格也比聚L-乳酸便宜。也可以用DL-乳酸直接製備聚DL-乳酸，其製備方法與製備聚L-乳酸一樣，在這裡就不再重複了。
本發明可用聚乳酸與各種塑料共聚和共混，製造一次性自毀降解型醫療注射器具及其它醫療用品。也可用光降解型塑料，光、生降解型塑料，生物降解型塑料，澱粉質降解型塑料，氧化降解型塑料，水解降解型塑料，及它們的共聚物和它們的混合物及它們與聚乙烯、聚丙烯等的共聚物、混合物等(如PCL、PBS、PHB、CPAE等等降解塑料)等材料，製造一次性自毀降解型醫療注射器具及其他醫療用品。
權利要求
1.一種自毀降解型一次性醫療注射器具，其特徵在於以穀物類、薯類、農作物的秸杆為主要原料，經糖化、細菌發酵、分離提取乳酸、乳酸脫水縮聚得分子量為2.6-5.0×104的聚乳酸原料，再經擠壓、造粒、吹塑、成型，得一次性醫療注射器具。
2.根據權利要求1所述的注射器具，其特徵在於所述分子量為2.6-5.0×104聚乳酸原料可為聚L-乳酸或聚D-乳酸或聚DL-乳酸。
3.根據權利要求1所述的注射器具，其特徵在於由混合比為1∶0.2-1∶1的L-乳酸與D-乳酸共聚，可製備共聚物聚L.D-乳酸。
4.一種自毀降解型一次性醫療注射器具的製造方法，其特徵在於以穀物類、薯類、農作物的秸杆為主要原料，經糖化後得到葡萄糖漿、加穀物漿得液料調PH值、細菌發酵、分離提取乳酸、乳酸脫水縮聚得分子量為2.6-5.0×104的聚乳酸原料，再經擠壓、造粒、吹塑、成型即製得。
5.根據權利要求4所述的製造方法，其特徵在於所述的乳酸脫水縮聚是指將乳酸在180-210℃、真空0.067-1.03MPa下脫水縮合成乳酸低聚物，乳酸低聚物用ZnO解聚100-180℃、真空0.032-0.095MPa下脫水環化為聚合單體丙交酯，丙交酯經過氯化亞錫催化在140-170℃、真空0.064-0.095MPa下開環聚合得到分子量為2.6-5.0×104的聚乳酸。
6.根據權利要求4所述的製造方法，其特徵在於所述的乳酸脫水縮聚是指乳酸在溫度140-210℃、真空0.067-1.03MPa下脫水反應，生成乳酸低聚物和水，乳酸低聚物在200-250℃、真空0.095-1.33MPa溫度下脫水縮聚成分子量為2.6-5.0×104的聚乳酸。
7.根據權利要求5所述的製造方法，其特徵在於，200Kg丙交酯，加入催化劑氯化亞錫0.7-1.2Kg，在真空0.064-0.095MPa，溫度145℃，合成反應3h條件下，即得分子量為2.6-5.0×104的聚乳酸。
8.根據權利要求5所述的製造方法，其特徵在於200Kg丙交酯，加入催化劑氯化亞錫2.1-3.6Kg，在真空0.095-2.133MPa，溫度145℃，合成反應3-8h條件下，即得分子量為數萬～百萬的聚乳酸。
9.根據權利要求4所述的製造方法，其特徵在於原料可選擇製糖下腳料，直接細菌發酵製得聚乳酸。
10.根據權利要求4所述的製造方法，其特徵在於細菌發酵菌種可採用乳酸桿菌或保加利亞乳桿菌或米根黴。
全文摘要
本發明公開了一種自毀降解型一次性醫療注射器具及其製造方法，本發明採用可再生的穀物類、薯類、製糖的下腳料、農作物的秸稈為主要原料，經糖化、細菌發酵、分離提取乳酸、乳酸脫水縮聚，聚合成分子量為2.6－5×10
文檔編號A61M5/00GK1541720SQ200310107669
公開日2004年11月3日 申請日期2003年11月4日 優先權日2003年11月4日
發明者顧衛平 申請人:顧衛平