聚羟基烷酸酯——一种应用广泛的生物降解聚合物

台立民,姜 滢,冯思静

(1.辽宁工程技术大学材料科学与工程学院,辽宁阜新123000;2.辽宁工程技术大学资源与环境工程学院,辽宁阜新123000)

聚羟基烷酸酯
——一种应用广泛的生物降解聚合物

台立民1,姜 滢1,冯思静2

(1.辽宁工程技术大学材料科学与工程学院,辽宁阜新123000;2.辽宁工程技术大学资源与环境工程学院,辽宁阜新123000)

综述了聚羟基烷酸酯(PHA s)在工业、农业、医药等不同领域中的应用状况。工业应用包括生产各类工业品、包装物和处理工业废水等;医药应用包括制作各类医疗器件和进行药物缓释释放等;农业应用包括生产农用薄膜、进行农药缓释和作物固氮等。此外,通过将PHAs与碳纳米管、蒙脱土等材料复合,可制成具有特殊应用性能的纳米复合材料。

聚羟基烷酸酯;生物降解;聚合物

0 前言

PHAs是一类在养料贫乏而碳源丰富的条件下,在大多数细菌内部将碳和能量以不溶包涵体形式进行存储而得到的物质,是一种无毒的、具有生物适配性和降解性的热塑性生物基聚合物。PHA s通常具有较高的聚合度和结晶度、良好的光学活性和全同立构规整度,不溶于水且具有压电性能。第一种PHA类包涵体聚羟基丁酸酯(PHB)于20世纪20年代由M aurice Lemoigne首先在巴黎的巴斯德研究所观察到[1]。1973年,Dawes[2]在一篇科研综述中对微生物组织中能量存储聚合物的作用和调节进行了叙述,从此PHB便被广泛地视作类似于淀粉和糖原的细菌存储材料。20世纪80年代末,通过对PHB的进一步研究发现,几乎所有类型的羟基烷酸酯(HA)都可合成为细菌聚酯,从而引发了对HA的研究热潮,最终发现了4-HA、5-HA等其他HA及其衍生物。目前,各类已发现的HA已不计其数。为了便于对这类细菌存储类聚合物进行划分,用PHA s这一更为通用的名称来包括所有这类HA聚合物。已有研究发现,不同的微生物,利用不同的合成底物,再通过不同的合成途径,可以积聚不同结构和数量的PHA s。而通过改性,可令PHA s具有特定的应用性能。

随着全球环境问题的日趋严重,“白色污染”成为困扰各国政府的问题之一。PHA s作为一类可完全生物降解的聚合物,成为人们研究和关注的焦点。近年来,各国科学家对PHA s的生物合成进行了积极探索,进展颇丰,随之而来的便是对其应用性能的进一步研究。PHA s的优异特性使其在工业、医药、农业、复合材料等诸多领域都有出色的表现。本文对PHAs这一生物降解聚合物近年的发展进行了概述,着重介绍了其应用领域的研究进展。

1 PHAs的合成

PHAs的化学结构如图1所示,其中单体长度为3～15个碳不等,主要取决于侧基R的大小。

图1 PHAs的结构Fig.1 Structure of PHAs

PHAs的合成方法可分为生物法和化学法。化学合成法由于成本较高,目前已基本不采用。而生物合成法又可分为细菌合成法和基因合成法。由于PHA s是许多细菌在营养不平衡的条件下合成的细胞内能量和碳源贮藏性物质,因此细菌合成仍是目前研究的重点,微生物种类、合成底物与合成途径都对PHA s的合成起关键作用。目前,各国科学家都在尝试各种组合方法以取得更好的实验效果。

随着转基因技术的日趋成熟,人们又把目光投向转基因植物。如果将细菌合成路径引入植物后,利用二氧化碳为碳源,太阳能为能源对PHA s进行合成,就可大幅降低生产成本[3]。因此基因合成法是最具发展前景的合成方法。

2 PHAs的应用

2.1 工业应用

PHAs有着广泛的工业用途。德国Biomer公司[4]生产的PHB聚合物颗粒可用来制作梳子、钢笔和子弹等物品,虽然其最终产品非常坚硬,能在-30～120℃较宽的温度范围内使用,但在自然环境中只需2个月便能降解。清华大学联合其他单位开发生产的3-羟基丁酸酯与3-羟基己酸酯共聚物[P(HBHH x)]能用于生产无纺布、黏合剂、软包装、合成纸和医疗器材等[5]。目前,PHA s可以在适宜条件下生产强度和伸长率都较高的可降解纤维织物与薄膜,通过对其进行改性可以获得性能更为优异的产品。PHA乳胶可以覆盖于纸张或纸板表面,使其具有防水功能,因此可以取代那些不可降解的铝箔层[6]。

由于PHB的性能与聚丙烯相似,因此其在食品包装方面用途最广,但其硬度和脆性稍大。羟基丁酸酯-戊酸酯共聚物(PHBV)的硬度和韧性略弱,更适合用作食品包装,其能够在5～6周内在活性微生物环境中完全降解,释放出二氧化碳和水[7],这在一定程度上也弥补了其价格高的不足。美国Metabolix公司生产了一种由PHB和其他PHA s共混而成的弹性体,这种弹性体经美国食品与药品管理局(FDA)批准可用于食品添加剂的生产[4]。

PHA s还能帮助消耗生活与工业废物。都柏林大学的一支研究团队设计了一种新方法,能将聚苯乙烯(PS)废料转化成PHA s。他们首先将PS在流化床反应器中通过高温分解转化为苯乙烯油。这种苯乙烯油由82.8%的苯乙烯和少量其他芳香化合物组成。当把苯乙烯油用作惟一碳源时,恶臭假单胞菌CA-3就会将苯乙烯油转化为中链长PHA。一些研究人员认为高温分解仍是一个需要能量的过程,并且会产生有害废物,因此该转换过程并非没有缺点。但从另一方面讲,该工艺又可以说是消耗废弃PS的最有效和最佳的路线[8-9]。同样,PHA s几乎可以在任何富含碳源的废料废水中培养,这也为处理生活垃圾和工业废料提供了一条新路。

近几年,科学家们发现某些PHA s还具有出色的吸油功能,使其用途得到进一步扩展。PHA s在这方面最有可能的用途是用作面部和皮肤护理用吸油面巾纸。由于PHA s可在环境中完全降解,它还可以用来专门收集废水中的残油[10]。Metabolix公司与ADM公司的合资企业Telles生产的PHA s产品Mirel生物塑料是目前惟一满足Vincotte OK生物可降解水质标准的高性能热塑性塑料。日前,Telles公司售出了首批商用Mirel生物塑料,专门用于滞留废水的回收处理。此外,由于PHA s在环境中的浓度与污染程度有一定联系,因此还可以用作生物污染指示剂,用于环境的检测。

2.2 医药应用

PHA s一般由微生物发酵而成,而不是化学合成,因此不含有残余的有害金属催化剂。它们还具有良好的生物适配性,科研人员能够根据具体的应用来定制PHA s的力学性能和生物降解性能,这使其在组织工程和医药领域得以一展身手。根据不同的应用要求,PHA s能与其他聚合物、无机材料和生长因子形成复合材料,调节其生物适配性、力学性能和降解速度。基于以上优点,在过去的几年里,PHA s被广泛用在组织修复和人工器官所必须的医疗器件和织造母架上,还被用于药物和激素的缓慢释放等[11-12]。其中,PHA s在医药领域最大的贡献是心血管领域。美国Tepha公司专门生产PHA s心包修补板、动脉扩增物、医用缝合线等产品。目前,经FDA批准生产的Tepha FLEX医用缝合线已经开始临床使用。在神经导管领域,用PHB制作的导管成功修复了小鼠坐骨神经处的10 mm缺口,并且观察到良好的再生和生物适配性[13]。为了进一步改善PHB神经导管的应用性能,细胞外基质(ECM)、Schwann细胞和神经生长因子被用来对其进行嫁接改性[14-15]。改进后的PHB神经导管能成功地修复家兔腓总神经伤患处的长期缺陷。在骨骼组织工程方面,由于骨组织比较坚硬,因此研究人员主要把目光投向诸如PHB、PHBV等短链PHAs上。由于羟基磷灰石可提供65%～70%的骨基质成分,因此被广泛地用作混合辅料。有研究表明[16],复合材料的力学性能会随着羟基磷灰石添加量的增加而发生变化。而与PHB相比,P(HBHH x)在成骨细胞的吸附、增殖和分化上具有更好的性能[17]。在修复软骨组织方面,位于P(HBHH x)/PHB共混物制成的支架上的软骨细胞比单独用PHB制成的支架增殖效果要好[18]。显然P(HBHH x)在P(HBHH x)/PHB共混物支架上对成骨细胞ECM的生成有积极作用。此外,Li等[19]用马来酸酐(MAH)对P(HBHH x)进行接枝,得到的共聚物P(HBHH x)-g-MA H在小鼠成纤维细胞和人体微脉管内皮细胞中具有更为优良的生物适应性。Wang等[20]则将胶原蛋白共价固定在PHVB薄膜上,显著地提高了软骨组织工程中PHVB的细胞适配性。

在药物传递体系中,PHAs也发挥了重要的作用。如果在PHA s侧链上接枝不同的化学成分和功能基团,就可以根据实际情况对其进行化学改性,用在各种不同的药物传递机制中。传递元件的制作方法也会改变PHA s的降解性。如可以采用乳胶技术、喷雾干燥或将浸出或冷冻干燥的粒子与聚合母体相结合等技术提高其孔隙度,改善其降解性能[21]。PHAs具有生物适配性和疏水性,并能被加工成薄膜、多空体、微胶囊、微球和纳米颗粒,因此药物能被PHA s的均聚或共聚物包裹或微胶囊化,进行药物缓释。Martin等[22]对聚(4-羟基丁酸酯)[P(4HB)]的力学性能、生物适配性和降解速度进行了探索,发现P(4HB)非常适用于药物传递。Tian等[23]成功地将牛血清白蛋白(BSA)包裹于PHB微球体中进行可控释放,通过调节制备条件可以获得不同的释放效果。Bonartsev等[24]对PHA微球可控释放精神治疗药物利哌酮也进行了研究,发现PHA类聚合物的药物传递动力学性能要好于传统的聚乳酸-乙醇酸共聚物。Yao等[25]将PHA纳米微粒与PhaP蛋白质进行绑定,并配以靶细胞配合体,获得了一种特定药物传递靶体系。Sparks等[26]首次合成了一种阳离子PHA类聚合物,即羟基辛酸酯与羟基-11-[双(2-羟基乙基)氨基]-10-羟基十一酸酯共聚物(PHON),这种新型生物降解聚合物在未来可用于核酸传递体系中。

2.3 农业应用

由于PHA s能够完全被微生物降解,且具有与聚合物相似的加工性能和物化性能,因此能够在农业中得到广泛应用。首先,PHA s可以生产农用薄膜。宝洁公司生产的商标名为Nodax的PHA s产品可以用来生产生物降解农用薄膜,它是一种主要成分为PHB、辅以少量中链长单体的共聚物,可以进行厌氧降解,因此可以用作大米田中使用的尿素肥料以及除草剂和农药的裹覆层[12]。此外,正如前面所提到的PHA s在药物释放方面的应用一样,PHAs还可以用在农药缓释上。其中,可以用PHBV对农药进行缓释。农药可以加到PHBV颗粒中,在播种时一并播撒出。由于细菌分解塑料颗粒时所处的环境条件与土壤中的害虫所处的条件相同,因此释放出的农药会与害虫的同期活动水平相一致[27]。PHAs在农业中的另一项用途是用作细菌接种体对作物进行固氮。Kadouri等[28]将固氮螺菌用作农业固氮体时发现,在紫外线照射、干燥等严酷条件下,富含PHAs的固氮螺菌似乎比其他固氮螺菌的活性更强,可以使固氮螺菌在作物根围处对作物更好地固氮。Trainer等[29]对PHB的代谢与豆科植物根瘤菌的共生现象进行了总结。Ratcliff等[30]研究发现,PHB能够支持缺乏养料的根瘤菌保持活力并继续繁殖,从而达到作物固氮的目的。Fallik等则观察到玉米的生长促进情况与胞内含有大量PHA的固氮螺菌接种体密切相关。

2.4 纳米复合材料的应用

将PHA s与碳纳米管或黏土等纳米填料共混形成纳米复合材料能够提高PHA s的力学性能和热性能,从而提高其应用性能。当用PHB作为十八胺改性蒙脱土和氟云母的基体时,蒙脱土中的PHB比氟云母中的降解速率要高。可见,加入某些黏土材料可以减缓这类纳米复合材料的降解。当将PHB胶乳膜用作以水解淀粉或纤维素晶须的胶体溶液为填料的纳米复合材料的基体时,也能够制备出高性能的材料[31]。Ublekov等[32]用广角X射线衍射仪对PHVB/蒙脱土纳米复合材料进行了研究,发现PHVB的β晶态结构会沿着蒙脱土的硅酸盐层的取向附生,经过热处理能够转化为更为稳定的α结构,进而提高纳米复合结构中聚合物的整体结晶度。Yun等[33]制备了PHB和聚羟基辛酸酯(PHO)与单壁碳纳米管构成的纳米复合材料,发现单壁碳纳米管能够有效帮助PHB结晶成核,并且随着单壁碳纳米管含量的增加,2种聚合物纳米复合材料薄膜的硬度和弹性模量均提高。Li等采用纳米纤维PHA s基质作为细胞生长的支撑材料。研究发现,与聚乳酸的纳米纤维基质相比,PHA s纳米纤维基质的力学性能明显提高。位于纳米纤维PHA s基质的角质细胞的吸附和生长都得到显著改善,优于那些通过普通浇铸法制备的PHA s基质。这使得PHA s纳米纤维基质除了具有生物降解的优势外,还具有强化的力学强度和天然胞外基质纳米结构,从而拥有更好的细胞适配性[34]。Wang等[35]利用一种酸碱诱发型自分裂内蛋白和PHA s纳米颗粒研究出一种新型蛋白纯化技术。Grage等[36]对PHAs纳米/微米颗粒在生物技术和生物医学方面的应用进行了总结,指出PHA s纳米/微米颗粒在蛋白质纯化、靶向治疗、分子标记(感应)成像和靶向药物传递等方面具有一定优势,其未来研究的重点将是进一步提高微粒控制和改善热源。

3 结语

多年来,PHA s聚合物由于具有可完全生物降解的环保特性,一直是新材料领域的研究热点,吸引了许多研究人员和企业的目光。目前从事生产PHAs的国外企业包括美国的M etabolix公司和宝洁公司、英国的ICI公司、德国的Biomer公司以及意大利的DegraPol公司和Bio-On公司;国内则包括浙江天安和天津国韵等公司。随着对PHA s研究的进一步深化,适合于PHA s的应用领域也越来越多。除了在工业、医药、农业和纳米复合材料等方面的应用外,PHA s还可应用于手性药物合成和电子元器件等领域。目前制约PHA s快速发展的仍是成本问题。但随着全球环境问题的日益严重以及国内国际社会对环保材料的日益重视,新型PHAs不断涌现,相信PHAs必将拥有更为广阔的发展空间。

[1] Braunegg G,Lefebvre G,Genser K F.Polyhydroxyalkanoates,Biopolyesters from Renewable Resources:Physiological and Engineering A spects[J].Journal of Biotechnology,1998,65(2-3):127-161.

[2] Dawes E A,Senior PJ.The Role and Regulation of Energy Reserve Polymers in Micro-organisms Advances in Microbial Physiology[M]//Rose A H,Tempest D W.Advances in Microbial Physiology.London:Academic Press,1973:135-266.

[3] 孙环星,王玉华,吴忠义,等.利用转基因植物合成生物可降解材料聚羟基脂肪酸酯[J].生物技术通报,2004,(2):5-9.

[4] Chen G,Clarinval A,Halleux J,et al.Biodegradable Polymers for Industrial Applications[M].Florida:CRC Press,2005:32-50.

[5] Chen G,Zhang G,Park S,et al.Industrial Production of Poly(hydroxybutyrate-co-hydroxyhexanoate)[J].App lied Microbiology and Biotechnology,2001,57:50-55.

[6] Lauzier C A,Monasterios C J,Saracovan I,et al.Film Formation and Paper Coating with Poly[(beta)-hydroxyalkanoate],a Biodegradable Latex[J].Tappi Journal,1993,76(5):71-77.

[7] Siracusa V,Rocculi P,Romani S,et al.Biodegradable Polymers for Food Packaging:A Review[J].Trends in Food Science&Technology,2008,19(12):634-643.

[8] Booth B.Polystyrene to Biodegradable PHA Plastics[J].Environmental Science&Technology,2006,40(7):2074.

[9] Ward P,Goff M,Donner M,et al.A Two Step Chemobiotechnological Conversion of Polystyrene to a Biodegradable Thermop lastic[J].Environmental Science&Technology,2006,40(7):2433-2437.

[10] Kumar Sudesh C Y L,Lay Koon Goh,Tadahisa Iwata,et al.The Oil-absorbing Property of Polyhydroxyalkanoate Film s and Its Practical Application:A Refreshing New Outlook for an Old Degrading Material[J].Macromolecular Bioscience,2007,7(11):1199-1205.

[11] W u Q,Wang Y,Chen G Q.Medical Application of Microbial Biopolyesters Polyhydroxyalkanoates[J].Artificial Cells,Blood Substitutes,and Biotechnology,2009,37(1):1-12.

[12] Philip S,Keshavarz T,Roy I.Polyhydroxyalkanoates:Biodegradable Polymers with a Range of Applications[J].Journal of Chemical Technology and Biotechnology,2007,82(3):233-247.

[13] Hazari A,Wiberg M,Johansson G,et al.A Reso rbable Nerve Conduit as an Alternative to Nerve Autograft in Nerve Gap Repair[J].British Journal of Plastic Surgery,1999,52(8):653-657.

[14] Mosahebi A,Wiberg M,Terenghi G.Addition of Fibronectin to Alginate Matrix Imp roves Peripheral Nerve Regeneration in Tissue-engineered Conduits[J].Tissue Engineering,2003,9(2):209-218.

[15] A rmstrong S,Wiberg M,Terenghi G,et al.ECM Molecules Mediate Both Schwann Cell Proliferation and Activation to Enhance Neurite Outgrow th[J].Tissue Engineering,2007,13(12):2863-2870.

[16] Chen L J,Wang M.Production and Evaluation of Biodegradable Composites Based on PHB-PHV Copolymer[J].Biomaterials,2002,23(13):2631-2639.

[17] Li J,Yun H,Gong Y,et al.Effects of Surface Modification of Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate)(PHBHH x)on Physicochemical Properties and on Interactions with MC3T3-E1 Cells[J].Journal of Biomedical Materials Research Part A,2005,(4):985-998.

[18] Deng Y,Zhao K,Zhang X F,et al.Study on the Threedimensional Proliferation of Rabbit A rticular Cartilagederived Chondrocytes on Polyhydroxyalkanoate Scaffolds[J].Biomaterials,2002,23(20):4049-4056.

[19] Li X T,Sun J,Chen S,et al.In Vitro Investigation of Maleated Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate)for Its Biocompatibility to Mouse Fibroblast L929 and Human Microvascular Endothelial Cells[J].Journal of Biomedical Materials Research Part A,2008,87A(3):832-842.

[20] Wang Y J,Ke Y,Ren L,et al.Surface Engineering of PHBV by Covalent Collagen Immobilization to Imp rove Cell Compatibility[J].Journal of Biomedical Materials Research Part A,2009,88A(3):616-627.

[21] Chen G Q,Wu Q.The Application of Polyhydroxyalkanoates as Tissue Engineering Materials[J].Biomaterials,2005,26(33):6565-6578.

[22] Martin D P,Skraly F,Williams S F.Polyhydroxyalkanoate Compositions Having Controlled Degradation Rates:USA,US 2003/0236320 A 1[P].2003-12-25.

[23] Tian F,Zhao Y L,Liu C J,et al.The Vitro and Vivo Study of Poly(3-hydroxybutyrate)Microspheres[C]//7th Asian-pacific Conference on Medical and Biological Engineering.Beijing:Sp ringer Berlin Heidelberg,2008:615-622.

[24] Bonartsev A P,Lo rdanskii A L,Bonartseva G A,et al.Long-acting Injectable form of Antipsychotic Drug Risperidone Based upon Microspheres of Polyhydroxyalkanoates[C]//21st ECNP Congress.Barcelona:Elsvier,2008:235-236.

[25] Yao Y C,Zhan X Y,Zhang J,et al.A Specific D rug Targeting System Based on Polyhydroxyalkanoate Granule Binding Protein PhaP Fused with Targeted Cell Ligands[J].Biomaterials,2008,29(36):4823-4830.

[26] Sparks J,Scholz C.Synthesis and Characterization of a Cationic Poly(β-hydroxyalkanoate)[J].Biomacromolecules,2008,9(8):2091-2096.

[27] Holmes P.Applications of PHB—A M icrobially Produced Biodegradable Thermoplastic[J].Physics in Technology,1985,16:32-36.

[28] Kadouri D,Jurkevitch E,Okon Y.Involvement of the Reserve Material Poly-beta-hydroxybutyrate in Azospirillum Brasilense Stress Endurance and Root Colonization[J].Applied and Environmental Microbiology,2003,69(6):3244-3250.

[29] Trainer M A,Charles T C.The Role of PHB Metabolism in the Symbiosis of Rhizobia with Legumes[J].App lied Microbiology and Biotechnology,2006,71(4):377-386.

[30] Ratcliff W C,Kadam S V,Denison R F.Poly-3-hydroxybutyrate(PHB)Supports Survival and Rep roduction in Starving Rhizobia[J].FEMS M icrobiology Ecology,2008,65(3):391-399.

[31] Pandey J,Kumar A,M isra M,et al.Recent Advances in Biodegradable Nanocomposites[J].Journal of Nanoscience and Nanotechnology,2005,5(4):497-526.

[32] Ublekov F,Baldrian J,Nedkov E.Crystalline Betastructure of PHBV Grown Epitaxially on Silicate Layers of MMT[J].Journalof Polymer Science Part B:Polymer Physics,2009,47(8):751-755.

[33] Yun S,Gadd G,Latella B,et al.Mechanical Properties of Biodegradable Polyhydroxyalkanoates/Single Wall Carbon Nanotube Nanocomposite Films[J].Polymer Bulletin,2008,61(2):267-275.

[34] Li X T,Zhang Y,Chen G Q.Nanofibrous Polyhydroxyalkanoate Matrices as Cell Grow th Supporting Materials[J].Biomaterials,2008,29(27):3720-3728.

[35] Wang Z,Wu H,Chen J,et al.A Novel Self-cleaving Phasin Tag for Purification of Recom binant Proteins Based on Hydrophobic Polyhydroxyalkanoate Nanoparticles[J].Lab on a Chip,2008,8(11):1957-1962.

[36] Grage K,Jahns A C,Parlane N,et al.Bacterial Polyhydroxyalkanoate Granules:Biogenesis,Structure,and Potential Use as Nano-/Micro-Beads in Biotechnological and Biomedical Applications[J].Biomacromolecules,2009,10(4):660-669.

Polyhydroxyalkanoates—A Widely Applied Biodegradable Polymer

TA ILimin1,JIANG Ying1,FENG Sijing2

(1.College of Material Science and Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China;2.College of Resource and Environmental Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China)

The applications of polyhydroxyalkanoates(PHA s)in different fields,including packaging,waste water treating,medical devices,controlled releasing,agricultural film s,and nitrogen fixation were reviewed in this article.In addition,composites of PHA s with carbon nano-tubes and montmorillonite for special applications were also introduced.

polyhydroxyalkanoate;biodegradation;polymer

TQ321

A

1001-9278(2010)02-0001-05

2009-10-26

联系人,tailimin@163.com