蓬勃发展的中国生物材料产业

最近几年,由于石油危机以及不断升高的环保要求,与国际上大多数国家一样．我国政府和各种投资机构加大了对环境友好材料的投入,特别是用可再生原料,通过生物转化获得生物高分子材料或者单体,然后进一步开发各种应用的企业、高校和研究机构越来越多。在聚羟基脂肪酸酯（PHA）、聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二酯（PBS）、生物乙醇（PE）、生物尼龙（PTT）、生物导电材料（PPP）和聚氨基酸等（参见图1）方面．我国在学术上取得了长足的进步,     

PET 微孔编织结构张力环境下诱导细胞迁移机制的 研究现状及发展动态

随着关节韧带损伤发生率日益提高,人工材料植入重建韧带功能是重要治疗手段之一。植入后宿主细胞的趋向、黏附和迁移是人工材料在体内形成长期稳定生物连接的关键。以往研究集中于提高材料生物性,如增加材料亲水性、表面修饰、黏附适宜细胞以及复合细胞因子等,目前在张力环境下三维微孔结构对宿主细胞黏附、迁移、长入和分化影响的研究较少。本文拟以生物相容性良好的聚对苯二甲酸丁二醇酯(PET)材料作为载体,探讨在张力状态下新编PET的结构、孔径大小和孔隙率对细胞迁移等细胞生物学行为影响的研究现状和未来发展。为这些研究的深入指明方向,也为PET作为人工材料修复韧带损伤的临床应用奠定实验基础。     

聚羟基烷酸酯 (PHA) 改性研究进展

本文简述了生物制造聚羟基烷酸酯(PHA),包括聚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-4-羟基丁酸酯)(P3/4HB)、聚(3-羟基丁酸酯-3-羟基己酸酯)(PHBH)的产业化现状,综述了针对PHA材料热稳定性差、加工窗口较窄等缺点而进行的一些改性研究。选用适当方法对PHA进行改性,可使其性能得到优化,应用领域得到拓展。     

微生物合成中链聚羟基烷酸酯研究进展

某些微生物细胞在特定营养限制的条件下会产生聚羟基烷酸酯作为碳源储备。和短链聚羟基烷酸酯(PHB)一样 ,中链聚羟基烷酸酯由于具有更优良的性能、更高的附加值和更广泛的用途而受到人们的关注 ;此外 ,中链聚羟基烷酸酯还可以被人工合成为具有功能性侧链的半合成高聚物 ,并因此能够具有更好的弹性和更理想的结晶性能等优点 ,从而成为近年来对环境友好的生物可降解材料的研究重点。在能够合成中链聚羟基烷酸酯的微生物中 ,食油假单胞菌是最典型 ,也是研究得最多的一种。本文对由食油假单胞菌合成中链聚羟基烷酸酯的特点、代谢机制、发挥过程等内容进行了综述 ,并提出了这一研究领域未来可能的研究方向     

短须嗜热单孢菌聚羟基脂肪酸酯解聚酶的表达、热稳定性改造及在PHB降解中的应用

聚羟基脂肪酸酯解聚酶(polyhydroxyalkanoate depolymerase,PHAD)可用于聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoate,PHA)的降解回收,为开发热稳定性好的PHAD,本研究在大肠杆菌(Escherichiacoli)BL21(DE3)中成功表达了来自短须嗜热单孢菌(Thermomonospora umbrina)的PHA解聚酶(TumPHAD),并通过二硫键理性设计获得了热稳定性提升的突变体A190C/V240C,其最适温度为60℃,比野生型提高20℃,50℃半衰期为7h,是野生型酶的21倍。将突变体A190C/V240C用于典型PHA之一的聚羟基丁酸酯(polyhydroxybutyrate,PHB)降解,在50℃条件下,PHB的2 h和12 h降解率较野生型分别提高了2.1倍和3.8倍。本研究获得的TumPHAD突变体A190C/V240C具有耐高温、热稳定性好和PHB降解能力强的特点,对PHB的降解回收具有重要意义。     

聚羟基脂肪酸酯合成酶的改造和代谢途径构建的研究进展

聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates,PHA)是许多细菌在非平衡生长条件下在胞内积累的以颗粒状态存在的碳源和能源储藏物质。PHA因其具有生物可降解性、生物相容性等许多良好的材料性质、可以作为化学合成塑料未来的替代品而引起广泛关注。但由短链脂肪酸或单一脂肪酸单体合成的PHA的材料性质具有局限性,需要利用多种单体合成满足实际需求的PHA材料。PHA合成酶的底物特异性和PHA合成代谢途径决定着PHA的单体组成情况,进而影响着PHA的理化特性和材料性能。因此需要对PHA合成酶进行改造,扩展其对底物的特异性。另一方面需要构建新的PHA合成代谢途径,能合成出一些不常见的且性能优良的PHA材料。综述了近些年对PHA合成酶改造的研究及PHA代谢途径构建的研究进展。     

利用大肠杆菌工程菌廉价高效生产聚羟基丁酸酯

利用大肠杆菌生产聚羟基脂肪酸酯是近来国际上生物可降解塑料的研究热点,本研究通过对适宜于聚羟基脂肪酸酯生产的大肠杆菌菌株的选择和碳源利用试验,初步确立了大肠杆菌代谢工程改造生产聚羟基脂肪酸酯的基础。并在此基础上,通过对大肠杆菌磷酸烯醇式丙酮酸葡萄糖转移酶系统的改造和工程菌环境诱导系统的应用,解决了大肠杆菌工程菌无法同时利用多种碳源合成聚羟基脂肪酸酯的难题。发酵试验证明,工程化改造的大肠杆菌利用廉价底物在5L发酵罐中分批培养32h后,菌体终浓度能够达到8.24g/L,聚羟基脂肪酸酯占细胞干重的84.6%。     

我国生物基材料的发展和应用状况

近年来，随着石油市场的价格高位波动，国内外加大了对环境和生物技术的投入。环境友好的材料——生物材料．特别是来源于可再生资源的材料得到快速的发展。2006年美国Metabolix公司通过其聚羟基脂肪酸酯（PHA）项目的成功上市以及上市后的良好表现，激发了许多风险投资公司对生物材料项目的积极投入。用工业生物技术，尤其是工业微生物技术可以方便的获得高分子材料，如PHA，或者是用于聚合成高分子材料的单体，如乳酸或丁二酸等。国家科技部重大科技项目“863”、“973”和国家自然科学基金委员会以及国家发展和改革委员会等在2007年都立项对生物基材料进行了支持。     

可完全生物降解生物材料项目在鲁投产

深圳市意可曼科技有限公司在山东邹城举办可完全生物降解材料项目投产庆典,这标志着意可曼生物科技有限公司拥有完全自主知识产权、通过基因工程菌种构造法进行生物发酵合成生物高分子材料聚羟基烷酸酯（PHAs）的技术正式实现批量化生产。该项目的产品品级包括注塑级PHAs、吹膜级PHAs、吹瓶级PHAs、板片级PHAs、可发性PHAs、纺丝／无纺布级PHAs、生物弹性体、3-羟基丁酸酯等,可广泛应用于农业、环境、生化、微电、能源、医用等领域。     

加强研究推动我国生物降解塑料产业化进程一访清华大学生物系教授、长江学者陈国强

陈困强,清华大学教授,博士生导师,教育部长江学者特聘教授。长期从事“工业微生物、生物塑料和生物燃料”的研究。研究领域及方向：工业生物技术和合成生物学;微生物合成高分子材料聚羟基脂肪酸酯（PHA）;PHA在微生物中生理作用的研究;PHA作为组织工程材料的应用研究;     

利用新型聚羟丁酸酯材料构建组织工程软骨

目的:研究新型聚羟丁酸酯作为组织工程软骨支架材料的可行性.方法:取幼兔软骨组织中软骨细胞体外培养扩增.实验组接种软骨细胞于支架材料上,体外培养两周后埋植于新西兰大白兔背部皮下;对照组埋入未接种细胞的支架材料.扫描电镜观察材料表面形态及细胞生长情况.分别于第4、8、12周取出标本,大体观察后进行HE和Masson染色,观察组织工程软骨形成情况.结果:扫描电镜观察可见裸材料孔隙分布均匀,形状不规则;细胞材料复合体体外培养两周后材料表面爬满细胞且生长状态良好.埋植材料取出后可见不同时间点实验组标本大小无明显变化,对照组标本逐渐变小.HE和Masson染色显示各组支架材料至12周时已被完全吸收;实验组12周时可见较成熟软骨组织;对照组支架材料被吸收后最终被纤维结缔组织取代.结论:此新型聚羟丁酸酯材料可作为组织工程软骨支架材料.     

生物材料PHA的发酵与提取工艺改进

聚羟基脂肪酸酯,英文全称为,Polyhydroxyalkanoates,简称就是我们经常说的"PHA",作为细菌合成的一项重要生物聚酯材料,加上自身具有的生物相容性和生物可降解性,PHA已经被广泛应用于生物医学和塑料行业。笔者立足于生物材料PHA的发酵和提取工艺理论基础,结合相关实验经验,对生物材料PHA的发酵与提取工艺改进进行详细论述,以期对我国生物材料PHA的发酵与提取工艺的研究作出一点贡献。     

聚苹果酸合成新方法及其聚苹果酸苄基酯用作药物载体的研究

目的:优化β-聚苹果酸(PMLA)的合成路线,制备部分氢化的聚苹果酸苄基酯(PMLABz),为构建载药纳米胶束提供两亲性聚合物载体。方法:分别以L-天冬氨酸和L-苹果酸为原料,合成单体β-苄氧羰基-β-丙内酯,再通过阴离子开环聚合制备PMLABz,最终氢化制备PMLA。X射线衍射仪、差示扫描量热仪等对材料的性质进行表征,L929成纤维细胞测定聚合物的细胞毒性,透析法制备部分氢化的聚苹果酸苄基酯空白胶束。结果:通过优化反应条件,以L-苹果酸为原料合成关键中间体β-苄氧羰基-β-丙内酯的终产率为31.5%,对比文献报道的L-天冬氨酸合成路线,产率提高近7倍。X-RD结果表明以L-苹果酸为原料制备的PMLABz有明显的衍射峰,结晶度高,熔点随之升高,MTT实验证实PMLABz无毒性。部分氢化的PMLABz可在水中自组装成一定粒径的胶束,氢化77%的PMLABz可得到粒径均匀、形态良好的纳米胶束。结论:分别以L-天冬氨酸和L-苹果酸为原料合成聚苹果酸,优化合成路线,提高终产率,得到了新晶型PMLABz,并通过部分氢化PMLABz制备两亲性聚合物进而得到纳米胶束,为后期纳米释药体系研究提供优良载体。     

海生杆菌属的基因组测序数据分析

海生杆菌属首次于1997年鉴定,迄今包括18个物种,其中10个已完成全基因组序列测定。文中总结了海生杆菌属的菌种特征,并从碳源利用、聚羟基脂肪酸酯代谢和芳香族化合物降解三个方面对基因组测序数据进行了分析。研究发现,海生杆菌属具有完整的糖酵解途径和三羧酸循环,缺乏木糖利用基因。所有海生杆菌属菌种均含有Ⅰ型和Ⅲ型聚羟基脂肪酸酯合成酶的编码基因,表明该菌属可能具有普遍的聚羟基脂肪酸酯合成能力。海生杆菌属含有芳香族化合物的降解途径,苯、苯酚和苯甲酸可由不同的酶催化生成邻苯二酚,再由邻位断裂途径降解为3-酮己二酸,邻苯二酚也可由间位断裂途径降解为丙酮酸和乙酰辅酶A。基因组测序数据分析加深了对海生杆菌属代谢特征的认识,提示该菌属在聚羟基脂肪酸酯合成和海洋芳香族污染物治理方面有一定的应用前景。     

废弃活性污泥中产聚羟基脂肪酸酯菌株Bacillus sp. PB-3的发酵条件优化

通过尼罗红染色法结合荧光显微镜镜检,从废弃活性污泥中分离得到1株高产聚羟基脂肪酸酯(PHAs)的菌株Bacillus sp.PB-3,经气相色谱法鉴定该菌株胞内产物为聚β-羟基丁酸酯(PHB)。对培养基成分及发酵条件优化后,获得最佳培养方案:12 g/L的葡萄糖为C源,2 g/L的牛肉膏为N源,初始pH 7.5,培养基装液量80 mL,转速为200 r/min,37℃培养48 h,PHB质量分数可达菌体干质量的32.09%,比优化前提高30%。     

聚羟基脂肪酸酯的应用展望

聚羟基脂肪酸酯(Polyhydroxyalkanoates,简称PHA)是由微生物合成的天然高分子基材料,作为微生物碳源和能源的储备物质。目前,PHA的单体种类有150多种,致使PHA的品种繁多、材料学性质各不相同。PHA具有材料多变性、非线性光学性能、压电性能、气体阻隔性能、热塑性、生物可降解性、良好的生物相容性等特点,使其在塑料包装、化工、医药、农业、生物能源等诸多领域的具有很大的应用前景。文中系统介绍了目前PHA的应用和未来的发展。     

用于人工韧带的聚对苯二甲酸乙二醇酯支架材料 的编织和力学性能分析

目的:通过对聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate,PET)材料的编织和力学性能的分析,初步探讨使用该材料构建组织工程韧带支架的可行性。方法:将不同强度的PET单纤维通过经编法编织成支架材料;然后使用电子拉力机对编织好的支架材料以及消毒处理后的支架材料进行力学性能测试并进行分析。结果:PET编织构建的支架材料结构稳定,其极限抗张强度已达到了前交叉韧带的力学要求。辐照消毒对支架材料的力学性能无短期影响。结论:该支架材料编织结构设计合理,具有优良的力学性能,消毒后对其力学性能无短期影响,有望通过改进生物学性能后成为一种较理想的组织工程前交叉韧带支架材料。     

生物合成聚3-羟基丙酸酯的研究进展

聚3-羟基丙酸酯(P3HP)作为聚羟基脂肪酸酯家族(PHAs)中的新型热塑性塑料,具有生物降解性和生物相容性等优点。目前,未见野生微生物可以合成P3HP的报道,生产途径主要为化学法和生物法。其中,通过化学法或添加3-HP单体及其结构类似物作为前体的P3HP合成效率低、成本高且不具环保性;而通过构建和改造工程菌的生物代谢途径,能够利用廉价、可再生的碳源,已经逐渐成为研究热点。文中综述了国内外P3HP生物合成研究进展,并对甘油途径、丙二酸单酰辅酶A(Malonyl-Co A)途径和β-丙氨酸途径等合成方法进行了优缺点分析,为生物合成P3HP的深入研究奠定理论基础。     

聚羟基脂肪酸酯(PHA)及其共混纤维研究进展

聚羟基脂肪酸酯(PHA)是代表性的生物基可降解高分子,其种类超过150种,性能多样、可调。文中综述了PHA的研究概况及潜在应用,介绍了四代商业化PHA的性质及其与其他生物基可降解材料形成共混纤维的研究进展。     

嵌段共聚物聚乙二醇-聚苹果酸苄基酯载药胶束的制备及性质研究

目的：为构建聚合物胶束药物运载体系,制备嵌段共聚物聚乙二醇-聚苹果酸苄基酯载药胶束并测定其性质。方法：以L-天冬氨酸为原料,重氮化、环化后经开环聚合得到聚苹果酸苄基酯。氨基聚乙二醇通过酰胺键连接到β-聚苹果酸苄基酯上形成两亲性嵌段共聚物,喜树碱做药物模型制备载药胶束。动态光散射法测定胶束粒径、评价胶束稳定性,高效液相法测定喜树碱载药率和包封率,芘荧光法与动态光散射法测定临界胶束浓度。结果：喜树碱包封率72%,载药率6%,临界胶束浓度为40μg.mL-1。随着聚苹果酸苄基酯分子量减小,胶束稳定性增强。结论：聚乙二醇-聚苹果酸苄基酯在疏水链/亲水链分子量比值为2-4时在水中可自组装形成纳米胶束,可作为性能优良的聚合物药物载体。