PHA生物材料介绍

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1、聚羟基脂肪酸酯聚羟基脂肪酸酯(PHA ， polyhydroxyalkanoates)近 20 多年迅速发展起来的生物高分子材料 聚羟基脂肪酸酯(PHA) ，是很多微生物合成的一种细胞内聚酯，是一种天然的高分子生物材料。 因为 PHA 同时具有良好的生物相容性能?生物可降解性和塑料的热加工性能。因此同时可作为生物医用材料 和生物可降解包装材料，这已经成为近年来生物材料领域最为活跃的研究热点。PHA 还具有非线性光学性?压电性 ?气体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气透过性，这在食品保鲜中是不利的。而PHA 则具有良好的气体阻隔性，使其可能应用在较长时

2、间的鲜品保鲜包装上。因为水汽的穿透是保鲜包装中的重要指标，PHA 在这一点上的性能是完全可以和现在的PET?PP 等产品等相比的。另方面， PHA 还具有较好的水解稳定性，将PHA 用 75的自动洗 碗机总洗20 个循环， PHA 制成杯的形状和分子量都没有发生变化，表明PHA 可以很好地用于器具生产。此外与其它聚烯烃类?聚芳烃类聚合物比，PHA 还具有很好的紫外稳定性。PHA还 可 作 为 生 物 可 降 解 的 环 保 溶 剂 的 来 源 ， 如3- 羟 基 丁 酸 乙 酯EHB(ethyl3 hydroxy butyrate)是水溶性的， 聚有低挥发性， 可以用于清洁剂?胶)粘剂 ?染料

3、?墨水的溶剂。 正因为 PHA 汇集了这些优良的性能，使其可以在包装材料?粘合材料 ?喷涂材料和衣料 ?器具类材料?电子产品 ?耐用消费品 ?农业产品 ?自动化产品?化学介质和溶剂等领域中得到应用。(1)与 PLA 等生物材料相比，PHA 结构多元化，通过改变菌种?给料 ?发酵过程可以很方便地改变PHA 的组成，而组成结构多样性带来的性能多样化使其在应用中具有明显的优势。根据组成PHA 分成两大类 :一类是短链PHA( 单体为 C3-C5)，一类是中长链 PHA( 单体为 C6-C14)， 这些年已有报道菌株可合成短链与中长链共聚羟基脂肪酸酯。PHA的生产经历了第一代PHA 聚羟基丁酸酯(PH

4、B) ，第二代PHA 羟基丁酸酸共聚酯(PHBV) 和第三代PHA 聚 3-羟基丁酸 -3-羟基己酸酯（PHBHHx ）的生产，而第四代PHA羟基丁酸羟基辛酸(癸酸 )共聚酸 PH-BO(PHBD) 尚处于开发阶段。其中作为第三代PHA 的PHBHHx是由 清华大学 及其合作企业实现了首次大规模生产。与传统化工塑料产品的生产过程相比较， PHA的生产是一种低能耗和低二氧化碳排放的生产，因此从生产过程到产品对于环境保护都是很有利的。(2)PHA 生产的另一条可行的途径是利用转基因植物来实现。 PHA 在植物中的合成，可以利用光能消耗二氧化碳，成为一种可持续?可再生的材料生产方式。现在已在烟草?马

5、铃薯 ?棉花 ?油菜 ?玉米 ?苜蓿等植物中实现了包括PHB?PHBV 以及中长链 PHA 等不同 PHA 的合成。而其中在马铃薯块根中的PHA 合成是最具生产前景的。目前 PHA 的价格还很难和石油化工塑料相竞争，而聚丙烯的价格低于1 美元 /kg，而一些最便宜的生物可降解塑料的价格为3-6 美元/Kg， 而当今理想的PHB 的生产成本为4美元 /kg，随着规模的扩大，生产成本将进一步降低，但很难达到2-3 美元 /kg，这主要是由于细菌发酵底物成本所决定。但通过转基因植物的PHA 合成，有望将PHA 的成本大大降低，因为植物利用二氧化碳和太阳能生产植物油和淀粉的成本分别为0.5-1 美元

6、/kg 和 0.25 美元 /kg，另外植物中PHA 的提取过程也有了较好的研究，提取成本不高于细菌中PHA 的提取成本。PHA 在植物中的生产将使经济作物的可再生资源使用大大地迈进，这个项目的成功可能使到 2020 年植物生产基本化学原料和材料中可更新资源的使用达到现在的5 倍。PHA 因其良好的生物降解性和生物相容性在药物缓释体系中发挥着越来越重要的作用。最早的PHA 作为药物释放包裹微球的研究是1983 年对于 PHB 的研究，之后随着PHBV 的发展，PHA 的药物包裹研究带来了很大的进展。研究表明可通过调节PHA 的单体组成 ?分子量 ?药 物包裹量 ?包裹颗粒大小实现药物的可控速率

7、释放。此外， 很多学者还利用PCL 等其他聚合物与 PHA 进行混合包裹药物的研究也取得了一定的成果。在 PHA 近十年的研究热潮中，虽然在生产和应用方面的主要技术专利仍掌握在美?欧?日等发达国家和地区中，但我国这几年在这方面的研究取得了长足的进展，在生产方面掌握了一些具有自主知识产权 的菌种和后期工艺，特别是近两年在组织组织工程研究方面有较好的研究成果，已有多项专利处于申请公开期，这些为PHA 作为我国有自主知识产权的生物材料今后的产业化打下了良好的基础。PHA 既是一种性能优良的环保生物塑料 ，又具有许多可调节的材料性能，其随着成本的进 一步降低以及高附加值应用的开发，将成为一种成本可被市

8、场接受的多应用领域生物材料。由于它是一个组成广泛的家族，其从坚硬到高弹性的性能使其可以适用于不同的应用需要。PHA 的结构多样化以及性能的可变性使其成为生物材料中重要的一员。相对于PLA ，PHA发展的历史很短，发展的潜力更大，其应用的空间也更大。植物血凝素植物血凝素（ phytohaemagglutinin,PHA ） ，是一种有丝分裂原，主要用于激活免疫细胞 淋巴细胞， 是利用国际先进的超低温冷冻技术从红芸豆中提取的一种物质。由于其较难提纯，且成本极高，因此一直以来仅在实验室中作为刺激淋巴细胞增殖的试剂。一、主要成分植物血凝素的主要成分为植物多肽，是一种低聚糖 (由 D甘露糖、 氨基酸葡萄

9、糖酸衍生物构成 )与蛋白质的复合物。二、药理作用1.植物血凝素为广谱抗病毒药，可刺激 T 淋巴细胞增殖分化产生大量效应T 细胞和细胞毒T 细胞，效应T 细胞分泌产生大量细胞因子（如干扰素等）杀伤病毒，细胞毒T 细胞可直接杀伤病毒。2.植物血凝素可同时刺激 B 细胞转化为浆母细胞后增殖分化为浆细胞，浆细胞产生大量非特异性抗体来中和病毒。3.可增强机体免疫功能，提高骨髓造血机能，促进机体白细胞及多核白细胞数量明显增加；提高机体细胞诱生干扰素，增强机体免疫力，促进抗体形成， 增强机体对病原微生物的吞噬作用。4.植物血凝素与黄芪多糖、左旋咪唑、阿糖腺苷配伍，有明显的增效作用；与部分抗生素等配伍具有相加

10、作用。5.植物血凝素肌肉注射后约515 分钟血药浓度达高峰，口服约 1 小时后血药浓度达高峰，代谢产物主要从尿液排出。三、特点1.使用方便、广泛，可以与许多药物同时使用，具有协同作用或相加作用。在粉、散剂中添加植物血凝素，具有明显提高原有产品疗效的作用，同时不干扰原产品的检测，且无种属特异性，可广泛应用于家禽、猪、牛等动物。2.使用安全，首先使用植物血凝素后不影响机体抗体水平，可用于预防肉仔鸡后期常发 的病毒性疾病， 避免了由于加强免疫引起的抗体水平过高、疫苗应激反应、药残严重，影响家禽产品出口。其次植物血凝素抗病毒谱广、毒性小、安全范围大。3.可以与疫苗同时使用，能起到弥补免疫空白期、减缓疫

11、苗应激反应、增强免疫效果的作用。4.植物血凝素经特殊加工可口服给药，不受消化酶和胃酸的破坏，可常温保存两年（液体保存时一般6 个月左右就开始出现浑浊现象，降低疗效）。避免了一般干扰素质量不稳定、应用时口服吸收差、易被破坏，必须低温保存的缺陷。四、作用1.主要用于激活免疫细胞 淋巴细胞，是一种干扰素诱导剂，不仅可以刺激机体产生白细胞介素 -2 和干扰素，还可以刺激机体产生非特异性抗体。2.广谱抗病毒药，可用于防制家禽、家畜病毒性疾病，如鸡的 传染性支气管炎、传染性喉气管炎、新城疫、 传染性法氏囊病、鸡痘；鸭瘟、 鸭病毒性肝炎 ；猪圆环病毒病、猪繁殖与呼吸综合征、猪传染性胃肠炎、猪病毒性腹泻、猪繁

12、殖与呼吸综合征、非典型猪瘟；犬、水貂的犬瘟热、犬细小病毒等病毒性疾病。3.植物血凝素可作为动物免疫增强剂进行治疗、辅助用药或用于免疫功能受损引起的疾病，用来增强动物机体免疫力、提高药物的疗效。五、临床应用用于预防肉鸡常见病毒病，30 日龄左右使用 12 次，可预防或减轻肉鸡后期病毒性疾病的发生；用于预防仔猪断奶前后病毒性疾病，与强力霉素、 头孢类抗生素 等合用， 可避免仔猪在断奶后因母乳抗体丧失而导致的免疫力下降或造成大面积发病和死亡；植物血凝素 +抗病毒药物 +广谱抗生素可用于防制鸡病毒性疾病（如非典型新城疫、温和型禽流感、传染性法氏囊病初期、各型传染性支气管炎、鸡痘、传染性喉气管炎） ，急

13、性病毒病慎用；配合头孢类抗生素，每月对健康蛋鸡进行一次预防，可有效防止蛋鸡发生病毒性疾病；植物血凝素配合法氏囊抗体、庆大霉素或丁胺卡那可用于防制急慢性传染性法氏囊病；配合呼吸道药物应用可用于防制家禽传染性支气管炎、传染性喉气管炎等由病毒引起的呼吸道系统疾病；与鸭病毒性肝炎血清或黄芪多糖配合应用可用于防制鸭病毒性肝炎；与黄芪多糖和丁胺卡那配合应用，可用于防制鸭瘟。聚羟基脂肪酸在微生物细胞，特别是细菌细胞中，大量地存在着一种高分子聚酯聚羟基脂肪酸（Polyhydroxyalkanoates ，简称 PHA） 。目前已经发现PHA 聚酯有至少125 种不同的单体结构，并且新的单体被不断地发现出来。由

14、微生物合成的PHA 有一些特殊的性能，包括生物可降解性、生物相容性、压电性和光学活性等。另外，根据单体结构或含量的不同，PHA的性能可从坚硬到柔软到弹性变化。PHA有许多潜在的应用前景，国内外都对其进行大量的基础和应用开发研究。最近，清华大学领先在国内外成功地实现了一种性能优良的PHA 3-羟基丁酸和3-羟基己酸的共聚物PHBHHx 的工业化生产， 为开发这种新型材料的应用提供了原料基础。PHA家族中由于单聚物、共聚物及共混物种类的众多。同时有具备了多种多样的性能，原则上，PHA 能够满足多种人体组织器官的需求，如：心血管系统、角膜胰腺、胃肠系统、肾脏、泌尿生殖系统、肌肉骨骼各系统、神经系统、

15、牙齿与口腔、皮肤等等。目前已经商品化的PHA 产品主要有PHB、PHBV 和 PHBHHx 。已经实现工业化生产的 PHA 目前只有PHB 以及羟基丁酸与羟基戊酸的共聚物PHBV ， 分别由 奥地利林茨化学公司 (Chemie Linz AG) 和英国帝国化学工业公司 (ICI ， 现在称为 Zeneca)在八十年代实现。从 1998 年以来，清华大学微生物实验室与广东江门 生物技术开发中心合作，在国内外首次开发成功了羟基丁酸与羟基己酸的共聚物PHBHHx 的工业化生产技术，为这种新型材料的应用开发打下了物质基础。对于 PHA 聚合物的生物相容性的研究，主要针对于PHB 和PHBV 两种聚合物

16、， 早期的研究表明，当将这两种聚合物植入体内时，可以引起长时间的急性及慢性免疫反应。以PHB 三维泡沫材料作为软骨细胞载体材料，在体外培养过程中，细胞在材料上保持了正常的形态，附着生长迅速， 同时分泌软骨特有基质成分，并在动物体内进一步成功和培养出具有三维立体形态及组织学特征良好的新生软骨组织，并且体内移植未见明显免疫排斥反应，另外其材料孔隙率较高，孔径大小适合细胞长入，孔度均匀，具有良好的生物降解性，体内完全降解的时间在三个月左右。但PHBV 共聚物还存在机械性能差、细胞结合力弱等问题。为改善这些缺点，有人将可溶性磷酸盐玻璃 、HA 、磷酸三钙 (TCP)等与 PHBV组成复合物。可溶性磷酸盐玻璃虽然有助于提高机械强度，但其光滑表面不利于与 PHBV 的物理结合，且早期溶解率高，释放出大量Na+、P5+和 Ca2+，引起较强的组织反应， 软组织增生， 而新骨生长被抑制。HA 可以提供粗糙表面，有利于 PHBV 与之结合，且 HA还具有良好的骨结合力，有利于新骨组织长入，但存在降解难的问题。相比之下，TCP 具有较好的生物降解及良好的骨