聚羥基脂肪酸酯

聚羥基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoates,PHA)，是近20多年迅速發展起來的，是很多微生物合成的一種細胞內聚酯，是一種天然的高分子生物材料。由於PHA同時具有良好的生物相容性能､生物可降解性和塑料的熱加工性能，所以它同時可作為生物醫用材料和生物可降解包裝材料，因此它已經成為近年來生物材料領域最為活躍的研究熱點。PHA還具有非線性光學性､壓電性､氣體相隔性很多高附加值性能。

天然的或合成的生物可降解的高分子材料往往有很高的水蒸氣透過性，這在食品保鮮中是不利的。而PHA則具有良好的氣體阻隔性，使其可能應用在較長時間的鮮品保鮮包裝上。因為水汽的穿透是保鮮包裝中的重要指標，PHA在這一點上的性能是完全可以和現在的PET､PP等產品等相比的。另—方面，PHA還具有較好的水解穩定性，將由PHA製成的杯子用75℃的自動洗碗機總洗20個循環，它的形狀和分子量都沒有發生變化，表明PHA可以很好地用於器具生產。此外與其它聚烯烴類､·聚芳烴類聚合物比，PHA還具有很好的紫外穩定性。PHA還可作為生物可降解的環保溶劑的來源，如乙基羥基—酸EHB(ethyl3—hydroxy—butyrate)是水溶性的，具有低揮發性，可以用於清潔劑､膠)粘劑､染料､墨水的溶劑。正因為PHA彙集了這些優良的性能，使其可以在包裝材料､粘合材料､噴塗材料和衣料､器具類材料､電子產品､耐用消費品､農業產品､自動化產品､化學介質和溶劑等領域中得到應用。

20世紀初，在A zotobacter chroococcum中發現了一種親蘇丹染料、可溶於氯仿的類脂肪包涵體，其後在Bacillus megaterium中又發現了類似的包涵體，其組成被鑒定為聚-D-3-羥基丁酸（poly-D-3-hydroxybutyric acid or P-(3HB) )。20 世紀60年代，除了D( ─)-3-羥基丁酸(3HB) ，其它單體開始有了報道。 20世紀80 年代初，在細菌合成的PHA 中發現了3-羥基戊酸、3-羥基己酸和3-羥基辛酸單體。之後，在眾多的PHA 合成菌中發現了許多新的單體，到1998 年，已經有超過125 種PHA 被發現。可以期望將有更多的PHA 組成單體通過用不同的菌種、不同的發酵底物以及代謝調控等方法被合成和發現。

PHA 大多數單體是鏈長3～14個碳原子的3-羥基脂肪酸，其側鏈R是高度可變得飽和或不飽和、直鏈或支鏈、脂肪族或芳香族的基團。根據單體的碳原子數。

PHA可以根據單體中碳原子數目的不同分為3種：短鏈short-chain-length (SCL) 即3-5個碳原子, 中鏈medium-chain-length (MCL) 即6-14個碳原子 and 長鏈long-chain-length (LCL) 即多於14個碳原子。目前已經有多於100種不同的單體被報道，但是並沒有發現多於14個碳原子組成的長鏈PHA。

PHA是由具有光學活性的(R)23HA單體組成的線性可降解聚酯 ,其物理性質主要是由其單體組成決定的。由3(HB) 組成的均聚物P(3HB) 機械性能和加工性能都比較差，而其它的單體的插入會顯著地改善PHA 的性能並帶來一些新的特性，所以對非3 (HB) 單體的尋找吸引了科技和工業界的注意。P(3HB) 是最常見的生物聚酯，可以被很多種細菌所合成，其結晶度為55 %～80%。不過，在細菌體內的聚合物為不溶於水的包涵體為無定型態。

與PLA等生物材料相比，PHA結構多元化，通過改變菌種､給料､發酵過程可以很方便地改變PHA的組成，而組成結構多樣性帶來的性能多樣化使其在應用中具有明顯的優勢。根據組成PHA分成兩大類：一類是短鏈PHA(單體為C3-C5)，一類是中長鏈PHA(單體為C6-C14)，這些年已有報道菌株可合成短鏈與中長鏈共聚羥基脂肪酸酯。PHA的生產經歷了第一代PHA——聚羥基丁酸酯(PHB)，第二代PHA——羥基丁酸酸共聚酯(PHBV)和第三代PHA—羥基丁酸已酸共聚酯(PGBHHx)的生產，第三代PHA的PHBHHx是由清華大學及其合作企業實現了首次大規模生產，第四代產品P34HB（聚3-羥基丁酸酯/4-羥基丁酸酯共聚物）,國內生產企業主要以天津國韻生物材料有限公司（10000噸/年）和深圳意可曼生物科技有限公司（5000噸/年）。與傳統化工塑料產品的生產過程相比較，PHA的生產是一種低能耗和低二氧化碳排放的生產，因此從生產過程到產品對於環境保護都是很有利的。

PHA既是一種性能優良的環保生物塑料，又具有許多可調節的材料性能，其隨著成本的進一步降低以及高附加值應用的開發，將成為一種成本可被市場接受的多應用領域生物材料。由於它是一個組成廣泛的家族，其從堅硬到高彈性的性能使其可以適用於不同的應用需要。PHA的結構多樣化以及性能的可變性使其成為生物材料中重要的一員。相對於PLA，PHA發展的歷史很短，發展的潛力更大，其應用的空間也更大。

PHA只能在細胞體內合成。許多蛋白參與了PHA合成、保持、降解和其它相關的代謝途徑。因為PHA在細菌體內存在為細胞質內不連續的包涵體，許多蛋白位於PHA包涵體的表面。

由於PHA合成酶的關鍵作用，其作用機制和性質對細菌合成PHA的類型是非常重要的. 不過因為很難獲取羥基脂肪酸輔酶A和高純度的合成酶，對合成酶的底物特異性研究一直面臨困境. 雖然合成酶底物特異性由其本身的生理環境決定的，但是還可以用分子手段來研究在其它環境中的情況。

合成途徑包括：糖酵解途徑; TCA 循環；脂肪酸B氧化途徑; 脂肪酸生物合成起始途徑; 脂肪酸生物合成延長途徑; 其它相關途徑。

PHA生產的另一條可行的途徑是利用轉基因植物來實現。PHA在植物中的合成，可以利用光能消耗二氧化碳，成為一種可持續､可再生的材料生產方式。現在已在煙草､馬鈴薯､棉花､油菜､玉米､苜蓿等植物中實現了包括PHB､PHBV以及中長鏈PHA等不同PHA的合成。而其中在馬鈴薯塊根中的PHA合成是最具生產前景的。目前PHA的價格還很難和石油化工塑料相競爭，而聚丙烯的價格低於1美元/kg，而一些最便宜的生物可降解塑料的價格為3-6美元 /Kg，而當今理想的PHB的生產成本為4美元/kg，隨著規模的擴大，生產成本將進一步降低，但很難達到2-3美元/kg，這主要是由於細菌發酵底物成本所決定。但通過轉基因植物的PHA合成，有望將PHA的成本大大降低，因為植物利用二氧化碳和太陽能生產植物油和澱粉的成本分別為0.5-1美元/kg和0.25美元/kg，另外植物中PHA的提取過程也有了較好的研究，提取成本不高於細菌中PHA的提取成本。PHA在植物中的生產將使經濟作物的可再生資源使用大大地邁進，這個項目的成功可能使到2020年植物生產基本化學原料和材料中可更新資源的使用達到現在的5倍。

PHA因其良好的生物降解性和生物相容性在藥物緩釋體系中發揮著越來越重要的作用。最早的PHA作為藥物釋放包裹微球的研究是1983年對於PHB的研究，之後隨著PHBV 的發展，PHA的藥物包裹研究帶來了很大的進展。研究表明可通過調節PHA的單體組成､分子量､藥物包裹量､包裹顆粒大小實現藥物的可控速率釋放。此外，很多學者還利用PCL等其他聚合物與PHA進行混合包裹藥物的研究也取得了一定的成果。在PHA近十年的研究熱潮中，雖然在生產和應用方面的主要技術專利仍掌握在美､歐､日等發達國家和地區中，但我國這幾年在這方面的研究取得了長足的進展，在生產方面掌握了一些具有自主知識產權的菌種和後期工藝，特別是近兩年在組織組織工程研究方面有較好的研究成果，已有多項專利處於申請公開期，這些為PHA作為我國有自主知識產權的生物材料今後的產業化打下了良好的基礎。

據陳國強介紹，醫療級PHA有優異的生物相容性，降解過程中可以維持力學性能，而且其降解產物可以促進細胞快速生長。國內外大量研究表明，其在組織修復和可吸收醫療器械中大有可為。但目前市面上沒有商業化的醫療級PHA供應。