聚羥基脂肪酸

聚羥基脂肪酸是在微生物細胞，特別是細菌細胞中，大量地存在著一種高分子聚酯。

基本介紹

• 中文名：聚羥基脂肪酸
• 外文名：Polyhydroxyalkanoates
• 簡稱：PHA
• 普遍載體：微生物細胞，特別是細菌細胞中

介紹

在微生物細胞，特別是細菌細胞中，大量地存在著一種高分子聚酯─聚羥基脂肪酸（Polyhydroxyalkanoates，簡稱PHA）。目前已經發現PHA聚酯有至少125種不同的單體結構，並且新的單體被不斷地發現出來。由微生物合成的PHA有一些特殊的性能，包括生物可降解性、生物相容性、壓電性和光學活性等。

另外，根據單體結構或含量的不同，PHA的性能可從堅硬到柔軟到彈性變化。PHA有許多潛在的套用前景，國內外都對其進行大量的基礎和套用開發研究。最近，清華大學領先在國內外成功地實現了一種性能優良的PHA─3-羥基丁酸和3-羥基己酸的共聚物PHBHHx的工業化生產，為開發這種新型材料的套用提供了原料基礎。

PHA家族中由於單聚物、共聚物及共混物種類的眾多。同時有具備了多種多樣的性能，原則上，PHA能夠滿足多種人體組織器官的需求，如：心血管系統、角膜胰腺、胃腸系統、腎臟、泌尿生殖系統、肌肉骨骼各系統、神經系統、牙齒與口腔、皮膚等等。目前已經商品化的PHA產品主要有PHB、PHBV和PHBHHx。

已經實現工業化生產的PHA目前只有PHB以及羥基丁酸與羥基戊酸的共聚物PHBV，分別由奧地利林茨化學公司(Chemie Linz AG)和英國帝國化學工業公司(ICI，現在稱為Zeneca)在八十年代實現。從1998年以來，清華大學微生物實驗室與廣東江門生物技術開發中心合作，在國內外首次開發成功了羥基丁酸與羥基己酸的共聚物PHBHHx的工業化生產技術，為這種新型材料的套用開發打下了物質基礎。

對於PHA聚合物的生物相容性的研究，主要針對於PHB和PHBV兩種聚合物，早期的研究表明，當將這兩種聚合物植入體內時，可以引起長時間的急性及慢性免疫反應。以PHB三維泡沫材料作為軟骨細胞載體材料，在體外培養過程中，細胞在材料上保持了正常的形態，附著生長迅速，同時分泌軟骨特有基質成分，並在動物體內進一步成功和培養出具有三維立體形態及組織學特徵良好的新生軟骨組織，並且體內移植未見明顯免疫排斥反應，另外其材料孔隙率較高，孔徑大小適合細胞長入，孔度均勻，具有良好的生物降解性，體內完全降解的時間在三個月左右。

但PHBV共聚物還存在機械性能差、細胞結合力弱等問題。為改善這些缺點，有人將可溶性磷酸鹽玻璃、HA、磷酸三鈣(TCP)等與PHBV組成複合物。可溶性磷酸鹽玻璃雖然有助於提高機械強度，但其光滑表面不利於與PHBV的物理結合，且早期溶解率高，釋放出大量Na+、P5+和Ca2+，引起較強的組織反應，軟組織增生，而新骨生長被抑制。HA可以提供粗糙表面，有利於PHBV與之結合，且HA還具有良好的骨結合力，有利於新骨組織長入，但存在降解難的問題。相比之下，TCP具有較好的生物降解及良好的骨結合力，用TCP作為PHBV的添加劑既有效地增加了機械強度，又提高了骨結合力，對PHBV的降解影響較小。

近年來，一種新型的PHA，聚羥基丁酸己酸酯（PHBHHx）因其良好的物理性能引起了廣泛的關注。清華大學微生物實驗室發現PHBHHx與PHB在無定形態和結晶態都完全相容，並開發了PHB/PHBHHx共混體系作為新型的組織工程材料。

他們的研究表明PHBHHx/PHB共混體系呈現比傳統組織工程材料PLA更好的生物相容性，其中PHBHHx的生物相容性比PHB更優越。培養在PHBHHx/PHB共混支架上的軟骨細胞不但能夠生長、增殖，而且保持了正確的分化形態，胞外基質(ECM)中發現大量磷酸鈣鹽生成，其成分為天然骨及軟骨中的主要無機成分羥基磷灰石(HAp)，表明培養在PHBHHx/PHB三維支架上的軟骨細胞保持了其正常的生理功能。進一步的研究表明PHBHHx是通過對PHB結晶行為的影響而使共混體系的生物相容性有所提高的。研究中還發現用脂肪酶進行表面處理可以極大增強PHBHHx/PHB體系的生物相容性。

前景展望

PHA的生物相容性和生物降解性使其可以作為體內植入材料包括組織工程材料和藥物控制釋放載體等。這種特性也可用於農業上包裹肥料或農藥的載體，使被包裹的物質在PHA緩慢降解的過程中緩慢釋放出來，從而保持長期的肥效或藥效，同時減少用藥量，延長作用時間，保護耕地的長期可種植性。構成PHA的單體都具有手性，它們是許多藥物化學合成的的中間體，有高附加值套用。通過體內合成PHA和體內降解PHA的方法，可以得到許多不同的手性單體。

隨著菌種篩選手段的進一步發展，越來越多的能合成新型PHA的菌種被發現了，從而新的PHA材料也不斷地被合成出來。但是，目前對PHA微生物合成的工藝改進遠遠落後與PHA新材料的開發。

生物材料在組織工程中占據非常重要的地位，同時組織工程也為生物材料提出問題和指明發展方向。由於傳統的人工器官（如人工腎、肝）不具備生物功能（代謝、合成），只能作為輔助治療裝置使用，研究具有生物功能的組織工程人工器官已在全世界引起廣泛重視。構建組織工程人工器官需要三個要素，即"種子"細胞、支架材料、細胞生長因子。最近，由於幹細胞具有分化能力強的特點，將其用作"種子"細胞進行構建人工器官成為熱點。組織工程學已經在人工皮膚、人工軟骨、人工神經、人工肝等方面取得了一些突破性成果，展現出美好的套用前景。

用生物技術與化學合成方法相結合，可以得到一些單純用化學或生物的方法無法得到的或用化學合成製造成本過高的新材料，特別是一些具有特殊性能的材料，如生物相容性、生物降解性、光學活性、壓電性、導電性和材料的高穩定性等。這些新材料的研究開發，需要材料、高分子、化學、醫學、電子、物理、微生物、分子生物學、發酵工程和化學工程領域的專家相互合作，甚至需要工業界的參與，才能產生效果，得到真正有市場套用前景的新材料。

我國目前開展這種對新材料的開發展開的多學科的協同研究還很少。清華大學在“九五”期間，對生物材料聚羥基脂肪酸PHA的微生物合成、發酵生產、高分子性能的研究和套用開發做了多學科協同攻關的很好嘗試：由生物、化工、材料、化學和高分子學科組成的攻關隊伍經過五年的努力，開發成功了工業化生產新型PHA─3-羥基丁酸和3-羥基己酸的共聚物PHBHHx的技術，並發現了PHBHHx具有比聚羥基丁酸PHB和聚乳酸PLA更好的機械性能和生物相容性，在生物材料和組織工程套用方面有很好的發展前景。

未來新材料的開發，需要開發的終端，特別是工業界提出對材料的要求，生物醫學材料是材料科學與工程的重要分支，其最大特點是學科交叉廣泛、套用潛力巨大、挑戰性強。隨著新材料、新技術、新套用的不斷湧現，吸引了許多科學家投入這一領域的研究，成為當今材料學研究最活躍的領域之一。在我國，生物醫學材料的研究雖然取得一些令人矚目的成果，但整體水平不高，跟蹤研究多，源頭創新少。在產業化方面，我國生物醫學材料及其製品占世界市場的份額不足2%，主要依靠進口，產品技術結構和水平基本上處於初級階段。

面對世界生物醫學材料研究大發展的浪潮，對於中國這樣一個大國，大力發展生物醫學材料研究是必須迎接的挑戰，也是一次機遇。