可降解材料聚羟基脂肪酸酯的研究进展

Research Progress on Degradable Polyhydroxyalkanoates

摘要

在全球禁塑政策推动下，可降解材料成为研究焦点。聚羟基脂肪酸酯（PHA）是一类生物来源、可堆肥、可海洋降解的生态友好型脂肪族聚酯的总称，同时其具有优异的生物相容性、耐热性能及阻隔性能，其在生物医疗、食品包装等行业应用前景广阔。文章综述国内外研究人员对PHA材料的研究进展，旨在为PHA应用领域的拓宽和持续发展提供技术参考。

Abstract

Driven by global anti-plastic policies, degradable materials have become a research priority. Polyhydroxyalkanoates (PHA), a family of aliphatic polyesters derived from renewable sources, are compostable and marine-degradable, and they exhibit excellent biocompatibility, thermal stability, and barrier properties. These attributes render PHA highly promising for biomedical devices, food packaging, and beyond. This review summarizes recent advances in PHA research worldwide to provide technical guidance for expanding and sustaining PHA applications.

Graphical abstract

关键词

聚羟基脂肪酸酯 / 可降解材料 / 生物相容性

Key words

Polyhydroxyalkanoate / Degradable material / Biocompatibility

高分子材料因其多样化的功能及用途、较为低廉的市场价格、成熟的加工成型方法等，在日化用品、包装行业及生物医疗等领域发挥巨大作用，极大地丰富了人们的日常生活^[1-2]。据统计，20世纪中期至21世纪，全球生产的塑料总量超过80亿t，其中70%左右的废弃塑料被焚烧或者直接填埋，预计到2050年，全球每年将会增加8.5亿t塑料垃圾^[3]。然而，传统的石油基塑料在土壤中降解时间长，当大量的废弃塑料被填埋或排入海洋，将会造成严重的环境污染^[4]。《海洋污染通报》表明，科学家已在北极浮冰上发现微塑料。面对日益严峻的环境问题，世界各国积极颁布法律法规来限制一次性塑料制品的使用。随着“禁塑令”的颁布，可降解材料行业飞速发展，已成为科研人员的研究热点。聚羟基脂肪酸酯(PHA)被认为是传统石油基塑料的优质替代品^[5]，其作为一类来源生物基且可生物降解的聚合物，不仅可以堆肥条件下降解，还可以在海水条件下进行降解，同时其机械性能及热力学性能与传统塑料相似，因此在生物医疗、食品包装等诸多领域得到广泛关注^[6]。本文综述了PHA材料的发展历史与研究进展，旨在为开发多功能PHA材料提供技术参考。

1 PHA的发展历史

PHA属于一类由多种微生物和可再生碳源合成的可降解聚酯，20世纪初，法国科学家Lemoigne在褐球固氮菌中发现聚3-羟基丁酸酯(P3HB)，该物质能够以稳定的碳源形式储存在微生物体内，这种独特的储存形式引起科学家们的广泛关注^[7]。20世纪80年代，英国科学家利用罗氏真氧菌合成3-羟基丁酸酯和3-羟基戊酸酯的无规共聚物，即PHBV^[8]。1988年，3-羟基丁酸酯和4-羟基丁酸酯的共聚物P34HB被发现，目前从事P34HB研发及生产的企业主要包括Metabolix公司、北京微构生物科技有限公司和珠海麦得发生物科技有限公司。2007年，P34HB材料的手术缝合线获得美国FDA的批准正式进入临床使用^[9]。截至目前，研究人员已发现超过150种PHA单体结构^[10]，但仅有聚3-羟基丁酸酯(PHB)、聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基戊酸酯)(PHBV）、聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基己酸酯)(PHBHHx)和聚(3-羟基丁酸酯-4-羟基丁酸酯)(P34HB)工艺相对成熟，实现了工业化生产^[11-13]。

中国很早便对PHA材料的研究进行规划，例如科技部的“九五”攻关项目、国家自然科学基金项目、“863项目”等，为科研人员研究PHA材料提供了有力的支持。多家国内高校和科研院所也同样聚焦PHA材料力学性能、降解特性等方面的攻关研究，例如江南大学对PHA不同条件下降解性能进行研究，清华大学致力于PHA合成工艺、加工改性及应用领域方面的研究，东华大学与企业合作以拓展PHA在纺丝等领域的应用，中国科学院长春应用化学研究所在PHA改性方面进行了大量的研究工作^[14]。

2 PHA的结构与性能

PHA由线性羟基脂肪酸(HA)聚合而成，根据烷基链长，PHA可分为3类：短链PHA(scl-PHA)，含有3~5个碳原子；中链PHA(mcl-PHA)，含有6~14个碳原子；长链PHA(lcl-PHA)，含有超过14个碳原子^[15]。图1为Scl-PHA和Mcl-PHA的单体，其中Scl-PHA的单体包括3-羟基丁酸(3HB)和3-羟基戊酸(3HV)，Mcl-PHA的单体包括3-羟基己酸(3 HHx)、3-羟基庚酸(3HO)、3-羟基辛酸(3HD)和3-羟基壬酸(3HDD)。

PHA所含烷基链的长度会显著影响其机械性能和热性能。短链PHA的结晶度相对较高，这也导致其刚性及强度明显提高；而中长链段的PHA由于结晶度下降，表现出弹性体的特征。目前，PHA已工业化生产了四代产品。表1为PHA产品名称及特点^[16]。

短链PHA中的P3HB作为第一代工业化产品，其熔点较高，通常可以达到180 ℃，玻璃化转变温度在0 ℃附近，远低于室温。同时，P3HB的强度(30~40 MPa)和硬度(大于2.5 GPa)均较高，断裂伸长率小于2%，属于一种典型的脆性材料。此外，P3HB的分子链段结构单一，极易发生二次结晶，导致材料的脆性提升^[17]。

为了提高P3HB的韧性，研究人员在聚合过程中引入3-羟基戊酸(3HV)单体，得到第二代产品PHBV^[18]。与P3HB相比，PHBV的韧性得到提高，断裂伸长率提高至15%~20%。然而，当PHBV中的3HV单体的摩尔分数超过30%时，材料的断裂伸长率反而会大幅度下降。因此，对于市售的PHBV产品，研究人员通常将其中的3HV单体的摩尔分数控制在30%以下。此外，3HV的加入还可以有效改进PHBV的热性能，随着3HV摩尔分数的增加，材料的熔融温度呈现明显的下降趋势^[19]。表2为PHBV中3HV的含量对PHBV熔融温度的影响。

研究人员采用共聚的方法将3-羟基己酸(3HHx)引入链段中，得到第三代产品PHBHHx。其中，3HHx的摩尔分数显著影响PHBHHx的热性能及结晶能力，当3HHx的摩尔分数增加时，PHBHHx的玻璃化转变温度、熔点及结晶度均有所下降。这是因为3HHx的链段较长，引入3HHx使PHBHHx分子链运动困难。随着PHBHHx结晶度的下降，材料的脆性降低，韧性提高。ERASLAN等^[20]发现，3HHx的摩尔分数越大，PHBHHx的热降解温度越高，当3HHx的摩尔分数由2.5%提升至9.5%时，其热降解温度提高近30 ℃，材料的加工温度窗口变宽，加工性能提升明显。图2为PHBHHx中3HHx的摩尔分数对PHBHHx加工窗口的影响。

P34HB中单体4-羟基丁酸酯(4HB)的含量影响材料的力学性能，当4HB的摩尔分数从0提升至16%时，材料的韧性明显提高，断裂伸长率由5%提高至444%，且材料的结晶度由60%下降至45%^[21]。X射线衍射结果显示，4HB晶相出峰位置不与3HB重合，表明4HB单体不与3HB共结晶，引入4HB单体后，材料的结晶速率并不会明显降低，这扩大了P34HB材料的应用范围^[22-23]。

3 PHA的生产工艺

欧阳少平等^[24]利用葡萄糖酸钠和月桂酸为碳源，对基因重组后的嗜水气单胞菌进行发酵培养研究，通过改变两种碳源的比例，调控PHBHHx中单体组成。当月桂酸为单一碳源时，经过在发酵罐中56 h的培养后得到51.5 g/L的细胞干重，PHBHHx约占62%，其中3HHx的摩尔分数为9.7%；当葡萄糖酸钠与月桂酸质量比为1∶1作为碳源时，经过在发酵罐中48 h的培养后得到32.8 g/L的细胞干重，PHBHHx约占52%，其中3HHx的摩尔分数为6.7%。结果表明该类碳源及细胞对于生产单体组成可控的PHBHHx具有很大的应用潜力。张瑾等^[25]同样使用基因重组后的嗜水气单胞菌，利用豆油为碳源，实现了PHBHHx的发酵生产。该方法成本低且避免了月桂酸生产过程中气泡、难提纯等问题。

制糖工艺中大量的蔗糖残留在结晶母液中生成糖蜜，使用这种制糖工艺中的副产物作为碳源可以极大降低成本^[26]。TAN等^[27]将糖蜜酸化处理后得到糖蜜清液，将该清液进行发酵得到P34HB，同时发酵生产过程中的pH值会影响P34HB中单体的组成比例。韩卓涛等^[28]将糖蜜进行高温水解预处理得到乙酰丙酸，以此为碳源，在Cnecator菌中进行发酵。结果显示48 h后细胞干重达到2.99 g/L，其中PHB质量分数约为14.85%。

餐厨垃圾中的水分、盐分及油脂含量极高，其中有机物质约占75%~90%^[29]。大量研究表明，餐厨垃圾中的油脂可经过厌氧发酵成脂肪酸作为碳源，进而用于合成PHA^[30]。景辉艳^[31]在餐厨垃圾中加入10 g/L四氧化三铁，使用沼泽红假单胞菌进行PHA发酵培养。结果显示，在培养30 d后得到细胞干重 2.21 g/L，PHA质量分数约为48.62%。

4 PHA的降解行为

PHA在海水、活性污泥、土壤等环境条件下均表现出优异的生物降解特性^[32-33]。随着降解程度的不断增加，材料的分子量、力学强度、流动性能均会发生显著变化。研究人员对PHA在不同环境下的降解特性进行了大量的实验研究^[34]。

PHA的生物降解过程主要是由于环境中的微生物分泌出一种胞外酶，这种酶作用于聚合物链段，使酯键断裂，从而使较长分子链因此分裂成更小分子量的链段，最终降解成二氧化碳、水、无机盐等小分子物质。

影响PHA降解速率的因素包括外部环境因素(包括环境的温度、湿度、pH值等)和自身内部结构因素(包括样品的尺寸、表面粗糙度、结晶度、链段结构及分子量)。高海军等^[35]研究PHB薄膜在土壤和河水条件下的降解行为，分析pH值和温度对降解速率的影响。在河水表层时，40 ℃条件下PHB薄膜降解速率大于30 ℃条件下的降解速率，而在深层河水中的结果恰好相反。这主要是因为不同水体中分解PHB薄膜的微生物种类不同，对环境的生存适应能力有所差异。而在土壤中PHB薄膜的降解速率表现为：森林土>沙土>黄土>农田土。这与土壤中微生物密集程度有关，即环境中微生物越多，PHB薄膜降解速率越快。DOI等^[36]研究发现，在活性污泥条件下，P34HB的降解速率大于PHB和PHBV，在30 ℃好氧活性污泥条件下，P34HB可在2 w内完全降解，而PHB则需要10 w才能完全降解，这主要是因为PHB结晶度高，酶、水等物质无法侵入晶区，导致分子链断裂较为困难。

5 PHA的应用前景

PHA材料结构与性能多样，原料来源丰富，具有优异的生物相容性、阻隔性能、低细胞毒性等，因此应用前景广阔。

5.1 生物医药领域

PHA因其生物相容性、低毒性，在生物医药领域被广泛应用。P34HB可作为手术医疗缝合线材料，其产品已通过美国食品及药物安全认证。同时，PHA具有生物降解性能以及一定的机械强度，可以部分代替皮肤、心血管及软骨等组织，也可以制备成骨组织支架^[33,37]。SHISHATSKAYA等^[38]使用静电纺丝技术制备一种PHA组织支架，该支架具有质量轻、孔径多、比表面积大等优点，可用于伤口敷料促进伤口愈合。杨吟野等^[39]研究蛋白质在PHBHHx材料上结构变化的情况及细胞和鼠大脑皮层神经细胞在材料上的生长情况，表明PHBHHx材料有望作为神经修复材料。此外，PHA材料还可以作为药物的缓释载体来调控药物的释放。

5.2 包装材料领域

PHA材料气体阻隔性高、降解性能优异，可以通过调节其单体的比例制得不同机械性能的聚合物，因此在食品包装领域得到运用。ARRIETA等^[40]利用静电纺丝技术制备一种PHB/聚乳酸/乙酰基柠檬酸三丁酯复合材料，用于包装领域，增塑剂乙酰基柠檬酸三丁酯的加入增强了PHB和聚乳酸之间的界面作用，使复合材料的韧性提高，同时也加快了堆肥条件下的复合材料的降解速率。ARRIETA等^[41]通过在PHB/PLA共混物中加入抗菌剂香芹酚赋予了包装材料抗菌性能。PHA涂布纸也是一个重要的研究方向。纸包装受限于纸基的吸湿性，因此需要在纸基包装表面涂布一层疏水聚合物。这种复合材料既可以降低生产成本，又可以在潮湿环境中保持尺寸的稳定性。将PHB用作纸的涂层材料可以显著降低纸包装材料的吸湿率和透水性。

5.3 吸油材料领域

海洋环境特殊而复杂，多数材料在海水条件下降解受限，开发真正适用于海洋的可降解材料已成为行业亟须攻克的核心难题。PHA因其海洋可降解性能而进入科研人员的视野中。近年来，海洋原油泄漏事件频发，吸油材料引起人们的重视。吴兵等^[42]以乙酸纤维素为助剂制备的PHBV泡沫吸油材料在26 ℃原油下吸油率为普通吸油材料的20倍，在17 ℃原油下吸油率为普通吸油材料的30倍。

6 结论

传统石油基塑料的大规模使用造成了严重的环境污染，PHA作为“绿色塑料”是这一问题的解决措施之一。但仍存在PHA的生产成本及PHA性能缺陷等问题，因此未来需要从以下方向进行研究：(1)扩充PHA生产菌株的碳源种类，如石油精炼的副产物等；(2)研发高产菌株并改进生产工艺，使用成本更低廉的发酵生产方法；(3)使用共聚、共混等方法，得到优质的PHA类材料，以期在农业领域、纺织领域得到更广泛的应用。

参考文献

[1] JIAO X C, ZHENG K, HU Z X, et al. Conversion of waste plastics into value-added carbonaceous fuels under mild conditions[J]. Advanced Materials, 2021, 33(50): 2005192.

[2] WANG Z A, XU Y, LIU R L, et al. Planstic: Biodegradable plastic with high-entropy fibers made from waste plastic and plant leaves[J]. ACS Applied Polymer Materials, 2021, 3(11): 5355-5360.

[3] HEES T, ZHONG F, STÜRZEL M, et al. Tailoring hydrocarbon polymers and all-hydrocarbon composites for circular economy[J]. Macromolecular Rapid Communications, 2019, 40(1): 1800608.

[4] GREGORY G L, WILLIAMS C K, et al. Exploiting sodium coordination in alternating monomer sequences to toughen degradable block polyester thermoplastic elastomers[J]. Macromolecules, 2022, 55(6): 2290-2299.

[5] 林炳荣. 厌氧发酵液为底物合成聚羟基脂肪酸酯(PHA)的研究进展[J]. 中国塑料, 2024, 38(10): 36-42.

[6] 吴静, 黄嘉园, 蓝峻峰, 等. 可生物降解的纳米CaCO₃/BF/PHA/PE复合材料的制备及性能[J]. 塑料科技, 2024, 52(7): 121-124.

[7] LAYCOCK B, HALLEY P, PRATT S, et al. The chemomechanical properties of microbial polyhydroxyalkanoates[J]. Progress in Polymer Science, 2014, 39(2): 397-442.

[8] 张素蕴, 丛川波, 徐日炜, 等. (3-羟基丁酸酯)-(4-羟基丁酸酯)共聚物的物理性能[J]. 北京化工大学学报: 自然科学版, 2007, 34(): 57-60.

[9] 聚羟基脂肪酸酯生态产业链: 生产与应用技术指南[J]. 生物工程学报, 2010, 26(1): 34.

[10] JABLONSKI P, DINH N P, LASCU I, et al. Scalable and sustainable processing of intracellular polyhydroxyalkanoates with biobased solvents[J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2023, 11(51): 17990-18000.

[11] MIERZATI M, MIYAHARA Y, CURIAL B, et al. Tacticity characterization of biosynthesized polyhydroxyalkanoates containing (S)- and (R)-3-hydroxy-2-methylpropionate units[J]. Biomacromolecules, 2024, 25(1): 444-454.

[12] NUR-A-TOMAL M S, ATTENBOROUGH E, MAZRAD Z A I, et al. Tailoring Pseudomonas putida feedstocks for enhanced medium-chain-length polyhydroxyalkanoate production and biomedical nanoemulsion applications[J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2024, 12(40): 14590-14600.

[13] WANG C, LIU R Y, XU T, et al. Valorizing lignin and coprecursors into homogeneous polyhydroxyalkanoates by engineered Pseudomonas putida [J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2024, 12(22): 8402-8414.

[14] 齐高鹏. 聚羟基脂肪酸酯基复合材料的制备及其阻燃性能研究[D]. 无锡: 江南大学, 2023.

[15] WANG Q, XU Y S, XU P W, et al. Crystallization of microbial polyhydroxyalkanoates: A review[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2022, 209: 330-343.

[16] 彭强, 高挺, 劳志超, 等. 可生物降解塑料研究进展[J]. 橡塑技术与装备, 2024, 50(8): 56-64.

[17] PARODI A, D'AMBROSIO M, MAZZOCCHETTI L, et al. Chemical recycling of polyhydroxybutyrate (PHB) into bio-based solvents and their use in a circular PHB extraction[J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2021, 9(37): 12575-12583.

[18] BRÜTTING C, DREIER J, BONTEN C, et al. Sustainable immiscible polylactic acid (PLA) and Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV) blends: Crystallization and foaming behavior[J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2023, 11(17): 6676-6687.

[19] JU D D, HAN L J, LI F, et al. Poly(varepsilon-caprolactone) composites reinforced by biodegradable poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) fiber[J]. International Journal of Biological Macromolecules, 2014, 67: 343-350.

[20] ERASLAN K, AVERSA C, NOFAR M, et al. Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyhexanoate) (PHBH): Synthesis, properties, and applications—A review[J]. European Polymer Journal, 2022, 167: 111044.

[21] 迟翔, 王国强. PHB及P34HB的增韧改性进展[J]. 上海塑料, 2023(5): 19-27.

[22] XIAO B T, SU K, LUO W, et al. Bio-based epoxidized cardanol sorbate as an interface-localized compatibilizer for enhancing poly(lactic acid) (PLA) and poly(3-hydroxybutyric acid-co-4-hydroxybutyric acid) (P34HB) blend[J]. Chemical Engineering Journal, 2024, 500: 157544.

[23] YANG L, ZHAO Y, CUI D B, et al. Coaxial bioelectrospinning of P34HB/PVA microfibers biomimetic scaffolds with simultaneity cell-laden for improving bone regeneration[J]. Materials & Design, 2022, 213: 110349.

[24] 欧阳少平, 丘远征, 吴琼, 等. 重组嗜水气单胞菌Aeromonas hydrophila 4AK4中3-羟基丁酸3-羟基己酸共聚酯PHBHHx的发酵生产[J]. 生物工程学报, 2003, 19(6): 709-714.

[25] 张瑾, 吴琼, 张广, 等. 嗜水性气单孢菌利用豆油生产3-羟基丁酸和3-羟基己酸共聚物[J]. 食品与生物技术学报, 2002, 21(1): 76-79.

[26] 李舒婷, 袁凯, 李华, 等. 基于非粮糖蜜的聚羟基脂肪酸酯发酵培养基优化与中试放大[J]. 中国酿造, 2024, 43(4): 216-223.

[27] TAN D, XUE Y S, AIBAIDULA G, et al. Unsterile and continuous production of polyhydroxybutyrate by Halomonas TD01[J]. Bioresource Technology, 2011, 102(17): 8130-8136.

[28] 韩卓涛, 陈育林, 文小波, 等. 以糖蜜酸水解液为原料制备PHB的工艺优化[J]. 西华大学学报: 自然科学版, 2022, 41(4): 90-97.

[29] 常燕青, 黄慧敏, 赵振振, 等. 餐厨垃圾资源化处理与高值化利用技术发展展望[J]. 环境卫生工程, 2021, 29(1): 44-51.

[30] PORTELA-GRANDÍO A, LAGOA-COSTA B, KENNES C, et al. Polyhydroxyalkanoates production from syngas fermentation effluents: Effect of nitrogen availability[J]. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2021, 9(6): 106662.

[31] 景辉艳. 餐厨垃圾厌氧酸化液合成聚羟基脂肪酸酯的研究[D]. 北京: 北京化工大学, 2022.

[32] RAMÍREZ-MORALES J E, CZICHOWSKI P, BESIRLIOGLU V, et al. Lignin aromatics to PHA polymers: nitrogen and oxygen are the key factors for pseudomonas[J]. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 2021, 9(31): 10579-10590.

[33] INSOMPHUN C, CHUAH J A, KOBAYASHI S, et al. Influence of hydroxyl groups on the cell viability of polyhydroxyalkanoate (PHA) scaffolds for tissue engineering[J]. ACS Biomaterials Science and Engineering, 2017, 3(12): 3064-3075.

[34] LADHARI S, VU N, SAIDI A, et al. Recent development of polyhydroxyalkanoates (PHA)-based materials for antibacterial applications: A Review[J]. ACS Applied Bio Materials, 2023, 6(4): 1398-1430.

[35] 高海军, 陈坚, 堵国成, 等. 不同环境条件下聚羟基烷酸(PHAs)薄膜生物降解性研究[J]. 中国环境科学, 1997, 17(4): 330-334.

[36] DOI Y, KANESAWA Y, KUNIOKA M, et al. Biodegradation of microbial copolyesters: Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) and poly(3-hydroxybutyrate-co-4-hydroxybutyrate)[J]. Macromolecules, 1990, 23(1): 26-31.

[37] MARCANO A, HAIDAR NBOU, MARAIS S, et al. Designing biodegradable PHA-based 3D scaffolds with antibiofilm properties for wound dressings: Optimization of the microstructure/nanostructure[J]. ACS Biomaterials Science and Engineering, 2017, 3(12): 3654-3661.

[38] SHISHATSKAYA E I, NIKOLAEVA E D, VINOGRADOVA O N, et al. Experimental wound dressings of degradable PHA for skin defect repair[J]. Journal of Materials Science: Materials in Medicine, 2016, 27(11): 165.

[39] 杨吟野, 李训虎, 龚海鹏, 等. 羟基丁酸酯和羟基己酸酯共聚物的神经亲和性研究[J]. 生物物理学报, 2001, 17(2): 261-266.

[40] ARRIETA M P, FORTUNATI E, DOMINICI F, et al. PLA-PHB/cellulose based films: Mechanical, barrier and disintegration properties[J]. Polymer Degradation and Stability, 2014, 107: 139-149.

[41] ARRIETA M P, LÓPEZ J, LÓPEZ D, et al. Effect of chitosan and catechin addition on the structural, thermal, mechanical and disintegration properties of plasticized electrospun PLA-PHB biocomposites[J]. Polymer Degradation and Stability, 2016, 132: 145-156.

[42] 吴兵, 李发生, 何绪文. PHBV泡沫吸油材料的制备及吸油性能研究[J]. 交通环保, 2002(1): 17-20.

基金资助

江苏省工程技研究中心项目(BM2021513)

中船鹏力科技集团科技创新项目(JCPS202401)