石油化工類塑料為人們的衣食住行帶來了巨大的進步, 在家用電器, 包裝材料, 建築設施, 醫療器械等領域都有廣泛應用. 但是石化塑料降解緩慢甚至不能降解, 生態 '白色汙染' 問題愈演愈重.
圖片來源: Biocatalysis
如何開發運用一種能代替石化塑料的可降解材料成了科學家們的研究熱點.
聚羥基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoates, PHA), 是一類生物可降解塑料, 由於其優異的諸多性能, 在眾多可降解材料中脫穎而出, 接下來讓我們一起走近這類材料.
簡 介
PHA是由微生物合成的一種生物基材料(bio-based materials), 是細菌在生長條件不平衡時的產物, 其生理功能首先是作為細菌體內的碳源和能量的儲存物質. 於1926年被法國科學家Lemoigne發現, 他首次在巨大芽孢杆菌中發現了聚3-羥基丁酸(PHB)天然高分子
PHA最大的特點是幾乎在任何環境(堆肥, 土壤, 海水)中都可以被微生物分解,可望成為一種環境友好型高分子材料, 為解決 '白色汙染' 帶來希望.
圖片來源: danimerscientific
合成方式
聚羥基脂肪酸酯(PHA)的合成方法有生物合成法和化學合成法2種.
生物合成法
細菌合成法: 不同的微生物在合適的條件下可將不同的發酵底物轉化為PHA .
基因工程法: 將合成PHB 的產堿杆菌屬富營養細菌的有關酶引入油料植物中, 獲得轉基因植物, 從這些轉基因植物的細胞或質體中克隆合成PHB. 基因法省掉了細菌法中PHB和細菌的分離提純步驟, 可降低合成成本.
化學合成法
β-丁內酯的開環聚合過程有2種方式:
方式一: 內酯環中的羰基與氧原子之間鍵斷裂, 產物中外消旋體很少;
方式二: 內酯環中的β-碳原子與氧原子之間的鍵斷裂, 能夠產生對映體發生外
消旋作用.
種 類
PHA由於其單體是手性R型的羥基脂肪酸, 單體可以有多種側鏈, 多種碳鏈長度, 所以其聚合形成的PHA也就多種多樣, 目前已有100多種不同的單體被報道.
根據PHA單體碳原子數的不同, 可以將PHA分為兩類:
近十年來, 由兩種或兩種以上單體組成的PHA已引發諸多關注. 因此, 根據單體的種類, 可以講PHA分為兩類.
不同PHA性能比較
應用領域
作為一種新型功能材料, PHA 可製成膜, 瓶及注射模壓件, 也能紡成纖維, 製成織物, 因此可廣泛應用於地膜, 矯形外科, 個人衛生用品, 藥物控釋, 特殊包裝等領域. 但因目前成本較高, 因此主要用於生物醫藥及化妝品領域如手術縫合線, 藥物釋放體系等.
由PHA 製成的一次性塑料製品, 其廢棄物在生態環境中很容易被眾多微生物如細菌, 真菌和藻類等分解為CO2和H2O,不汙染環境.
圖片來源: danimerscientific
由於PHA 具有良好的生物相容性. 在醫學上,可用作外科手術縫合線及藥物控制釋放體系的載體;在日常生活中可製造化妝品用微珠.
圖片來源: engineering
PHA 可用作動物和人體組織的移植物, 將其做成某些組織的支架植入體內.
可製成骨科手術中的骨釘, 骨棒等固定骨架材料,它具有增強作用,粗糙的表面可促進人體組織生長,其孔隙可供滲透和交換之用,當新的組織長出後, PHA 逐漸降解,分解出的產物可被人體吸收,不會引起不良反應.
骨骼軟組織
PHA人工心臟瓣膜
圖片來源: 藍晶實驗室
PHA可用於製造能分解的纖維和紡織品.
採用普通的濕法紡絲方法可製成纖維. 如製成紗布,對傷口癒合有極好的作用;以PHA 為材料, 可製成醫用手套, 包紮材料, 止血塞, 醫用薄膜等醫療用品.
圖片來源: 杜邦
圖片來源: 杜邦
圖片來源: danimerscientific
PHA 具有光學活性,每一個結構單元都有一個手性碳,可用於色譜分析,以分離光學異構體.
PHA具有壓電性, 可製成壓電元件, 用於壓力感測器, 點火器, 聲學儀器和振蕩發生器等,還可用作換能元件, 尤其是生物體內的換能器.
圖片來源: wageningen
PHA 具有氣體阻隔性質(CO2和O2隻能緩慢透過), 適合做包裝材料.
圖片來源: danimerscientific
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國內外相關企業
