PHA簡(jiǎn)介

PHA是一類完全在微生物體內(nèi)合成的線型聚酯。1926年，一種名為聚3-羥基丁酸（縮寫為PHB，是PHA家族中的一員）的天然高分子在巨大芽孢桿菌（Bacillusmegaterium）中被法國(guó)人發(fā)現(xiàn)，之后的幾十年中，隨著研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)許多微生物都可以合成PHA。到現(xiàn)在，已發(fā)現(xiàn)的PHA單體的種類已經(jīng)超過(guò)了150種，構(gòu)成了一個(gè)龐大的高分子家族。盡管單體間各有不同，這一家族中的所有成員都滿足一個(gè)特殊的PHA結(jié)構(gòu)通式：

圖2PHA結(jié)構(gòu)通式

注：結(jié)構(gòu)通式中R是支鏈，*代表C是手性碳。

根據(jù)C3位上側(cè)鏈基團(tuán)的不同，理論上PHA的結(jié)構(gòu)變化幾乎是無(wú)限的。此外，不同的單體還可以形成不同的共聚物，如二元共聚物3-羥基丁酸（3HB）和4-羥基丁酸（4HB）的共聚酯P3HB4HB、3HB和3-羥基己酸（HHx）的共聚酯PHBHHx等。根據(jù)單體在共聚物中比例的變化，共聚物的性能也會(huì)產(chǎn)生許多變化，這些多樣化的性能使PHA在應(yīng)用中相較其他生物基材料有著明顯的優(yōu)勢(shì)，下面就讓我們來(lái)看看PHA有哪些獨(dú)特的性能吧。

PHA的性能

PHA家族成員的共性：

PHA首先具有常見(jiàn)高分子材料的基本特征，如良好的理化性能與熱加工性能等。同時(shí)，PHA還具有一些特殊的材料學(xué)特征，如：光學(xué)異構(gòu)性、壓電性、氣體阻隔性等。除此之外，PHA作為生物基材料，還具有非常重要的兩大屬性：

完全的生物可降解性

一般的生物可降解材料需要在堆肥條件下才能降解，而PHA具有自發(fā)的生物可降解性，無(wú)需堆肥即可在自然環(huán)境下降解，且降解時(shí)間可控。

優(yōu)異的生物相容性

PHA在生物體內(nèi)的降解產(chǎn)物主要是小分子低聚物或是單體成分，對(duì)人體無(wú)毒無(wú)害，也不會(huì)引起強(qiáng)烈的排異反應(yīng)。甚至有研究發(fā)現(xiàn)，部分PHA的降解產(chǎn)物會(huì)影響細(xì)胞內(nèi)鈣流、線粒體活性等生理生化反應(yīng)，表現(xiàn)出潛在的醫(yī)療保健藥用價(jià)值。

PHA家族成員的差異性：

作為一類高分子生物聚酯，PHA的材料學(xué)性能主要是由其單體組成決定的，分子量一般為幾萬(wàn)到幾百萬(wàn)之間。由于PHA的單體種類多樣、彼此之間鏈長(zhǎng)差別很大，這就使不同PHA的材料學(xué)性質(zhì)大不相同，從堅(jiān)硬質(zhì)脆的硬塑料到柔軟的彈性體，可謂千型百態(tài)。

圖3PHA性能對(duì)比

PHA的應(yīng)用

由于PHA擁有與傳統(tǒng)塑料相似的理化性能，并且具有良好的生物可降解性與生物相容性，這些特性讓PHA從上世紀(jì)70年代開(kāi)始獲得越來(lái)越多的關(guān)注，作為傳統(tǒng)石油塑料的代替品和優(yōu)異的醫(yī)用植入材料而受到深入的研究。

現(xiàn)在，越來(lái)越多的PHA應(yīng)用場(chǎng)景正在被開(kāi)發(fā)出來(lái)，除了主要的環(huán)保包裝材料、農(nóng)膜、醫(yī)用植入材料市場(chǎng)外，在藥品、化妝品、器具類材料、塑料添加劑、動(dòng)物飼料、廢水處理等市場(chǎng)的應(yīng)用前景也非常廣闊。

圖4PHA的應(yīng)用市場(chǎng)

PHA的商業(yè)化發(fā)展

PHB是PHA家族中初個(gè)進(jìn)行商業(yè)化的材料，從上世紀(jì)80年代起，就被逐漸開(kāi)發(fā)出一次性包裝用品、藥物緩釋載體、骨組織工程支架等商業(yè)化應(yīng)用，它與聚丙烯在分子結(jié)構(gòu)和物理性能方面有許多相似的地方，結(jié)晶度為55%-80%，性脆，斷裂伸長(zhǎng)率很低，且在加熱溫度高于熔點(diǎn)（180℃）10℃時(shí)，就會(huì)降解，從而增加了PHB的后處理加工的難度，限制了它的應(yīng)用范圍。

鑒于PHB的性能限制，科學(xué)家開(kāi)發(fā)出了第二代商業(yè)化PHA——PHBV。3-羥基戊酸（3HV）單體的摻入使聚合物的結(jié)晶結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變，結(jié)晶的晶體規(guī)整性下降且呈現(xiàn)不同的結(jié)晶形態(tài)，與PHB相比硬度小而彈性更強(qiáng)，使材料的性能得到了改進(jìn)。

隨著PHA研究的進(jìn)一步發(fā)展，PHA已經(jīng)進(jìn)入了第四代商業(yè)化材料——P3HB4HB的時(shí)代。與PHB較脆的物理性能不同，P3HB4HB可以通過(guò)調(diào)節(jié)4HB在共聚物中的比例控制材料的相關(guān)性能，兼具硬度與延展性，在包裝材料、農(nóng)膜、醫(yī)用植入材料等市場(chǎng)有著非常大的優(yōu)勢(shì)與前景。

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