天生我材| 生物可降解材料—PHA

石油化工类塑料（简称石化塑料）为人们的衣食住行带来了巨大的进步，在家用电器、包装材料、建筑设施、医疗器械等领域都有广泛应用。但是石化塑料降解缓慢甚至不能降解，生态“白色污染”问题愈演愈重。

图片来源：Biocatalysis

如何开发运用一种能代替石化塑料的可降解材料成了科学家们的研究热点。

聚羟基脂肪酸酯（polyhydroxyalkanoates，PHA），是一类生物可降解塑料，由于其优异的诸多性能，在众多可降解材料中脱颖而出，接下来让我们一起走近这类材料。

简 介

PHA是由微生物合成的一种生物基材料（bio-based materials），是细菌在生长条件不平衡时的产物，其生理功能首先是作为细菌体内的碳源和能量的储存物质。于1926年被法国科学家Lemoigne发现，他首次在巨大芽孢杆菌中发现了聚3-羟基丁酸（PHB）天然高分子

PHA最大的特点是几乎在任何环境（堆肥、土壤、海水）中都可以被微生物分解,可望成为一种环境友好型高分子材料, 为解决“白色污染”带来希望。

图片来源：danimerscientific

合成方式

聚羟基脂肪酸酯（PHA）的合成方法有生物合成法和化学合成法2种。

• 生物合成法

细菌合成法：不同的微生物在合适的条件下可将不同的发酵底物转化为PHA 。

基因工程法：将合成PHB 的产碱杆菌属富营养细菌的有关酶引入油料植物中，获得转基因植物, 从这些转基因植物的细胞或质体中克隆合成PHB。基因法省掉了细菌法中PHB和细菌的分离提纯步骤，可降低合成成本。

• 化学合成法

β-丁内酯的开环聚合过程有2种方式:

方式一：内酯环中的羰基与氧原子之间键断裂, 产物中外消旋体很少；

方式二：内酯环中的β-碳原子与氧原子之间的键断裂, 能够产生对映体发生外

消旋作用。

种 类

PHA由于其单体是手性R型的羟基脂肪酸，单体可以有多种侧链、多种碳链长度，所以其聚合形成的PHA也就多种多样，目前已有100多种不同的单体被报道。

根据PHA单体碳原子数的不同，可以将PHA分为两类：

近十年来，由两种或两种以上单体组成的PHA已引发诸多关注。因此，根据单体的种类，可以讲PHA分为两类。

不同PHA性能比较

应用领域

作为一种新型功能材料, PHA 可制成膜、瓶及注射模压件, 也能纺成纤维, 制成织物, 因此可广泛应用于地膜、矫形外科、个人卫生用品、药物控释、特殊包装等领域。但因目前成本较高, 因此主要用于生物医药及化妆品领域如手术缝合线、药物释放体系等。

由PHA 制成的一次性塑料制品, 其废弃物在生态环境中很容易被众多微生物如细菌、真菌和藻类等分解为CO2和H2O,不污染环境。

图片来源：danimerscientific

由于PHA 具有良好的生物相容性。在医学上,可用作外科手术缝合线及药物控制释放体系的载体；在日常生活中可制造化妆品用微珠。

图片来源：engineering

PHA 可用作动物和人体组织的移植物, 将其做成某些组织的支架植入体内。

可制成骨科手术中的骨钉、骨棒等固定骨架材料,它具有增强作用,粗糙的表面可促进人体组织生长,其孔隙可供渗透和交换之用,当新的组织长出后, PHA 逐渐降解,分解出的产物可被人体吸收,不会引起不良反应。

骨骼软组织

PHA人工心脏瓣膜

图片来源: 蓝晶实验室

PHA可用于制造能分解的纤维和纺织品。

采用普通的湿法纺丝方法可制成纤维。如制成纱布,对伤口愈合有极好的作用；以PHA 为材料，可制成医用手套、包扎材料、止血塞、医用薄膜等医疗用品。

图片来源: 杜邦

图片来源: 杜邦

图片来源: danimerscientific

PHA 具有光学活性,每一个结构单元都有一个手性碳,可用于色谱分析,以分离光学异构体。

PHA具有压电性, 可制成压电元件, 用于压力传感器、点火器、声学仪器和振荡发生器等,还可用作换能元件, 尤其是生物体内的换能器。

图片来源: wageningen

PHA 具有气体阻隔性质(CO2和O2只能缓慢透过)，适合做包装材料。

图片来源：danimerscientific

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