УДК 57

ПОЛИГИДРОКСИАЛКАНОАТЫ – НОВЫЕ БИОМАТЕРИАЛЫ

Бессонова Виктория Александровна1, Ануфриева Ксения Михайловна1
1Сибирский Федеральный Университет Институт Фундаментальной Биологии и Биотехнологии

Аннотация
Широкое использование не разрушаемых естественным путем нефтехимических пластмасс создает проблему их утилизации, тем самым увеличивая опасные воздействия на окружающую среду. Следовательно, в настоящее время существует потребность в биоразлагаемых материалах для смягчения последствий воздействия синтетики на окружающую среду. Полигидроксиалканоаты (ПГА) - семейство полиэфиров, которые естественным образом синтезируется микроорганизмами. Благодаря их высокой способности к биологическому разложению, биосовместимости, термопластичности, упругости, пьезоэлектрической и оптической активности, ПГА привлекают все большее внимание со стороны промышленных отраслей и научно-исследовательских организаций. Биоматериалы представляют собой важную новую тенденцию, которая может помочь избежать загрязнения, вызванного неразлагающимися пластмассами.

Ключевые слова: микроорганизмы, новые биоматериалы, полигидроксиалканоаты, полигидроксибутират, полимеры, полиэфиры.


POLYHYDROXYALKANOATES - NEW BIOMATERIALS

Bessonova Viktoriya Aleksandrovna1, Anufrieva Kseniya Mikhaylovna1
1Siberian Federal University Institute of Fundamental Biology and Biotechnology

Abstract
Extensive use is not destroyed by natural petrochemical plastics creates a problem of their utilization, thereby increasing the adverse effects on the environment. Consequently, there is currently a need for biodegradable materials to mitigate environmental synthetics. Polyhydroxyalkanoates (PHAs)  the family of polyesters which are naturally synthesized by organisms. Due to their high biodegradability, biocompatibility, thermal plasticity, elastic, piezoelectric and optical activity, PHA attracting increasing attention from industries and research organizations that have already obtained excellent achievements in the field of materials and medical applications. Biomaterials are an important new trend, which can help to avoid pollution caused by non-degradable plastics.

Рубрика: 03.00.00 БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Бессонова В.А., Ануфриева К.М. Полигидроксиалканоаты - новые биоматериалы // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 7 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/07/69516 (дата обращения: 20.11.2016).

Пластики – это наиболее широко используемые синтетические полимеры. Они являются  основными составляющими окружающих нас материалов, и почти невозможно представить современную жизнь человека без этих продуктов. Их изобилие, вместе с экспоненциальным ростом человеческой популяции, привело к накоплению огромного количества загрязняющих материалов, произведенных с использованием пластиков, в различных областях нашей планеты, даже на особо охраняемых территориях, приводя к серьезным проблемам утилизации отходов. Отрицательное влияние в окружающей среде усугубляется тем, что в процессе создания (химического синтеза) и деградации обычно образуются высокотоксичные молекулы. Более того, принимая во внимание, что большинство этих полимеров имеет нефтехимическое происхождение (производные ископаемого топлива), и что такие запасы конечны, необходимо срочно искать альтернативные материалы для их замены. По этим причинам, исследователи сфокусировали свои усилия на разработке биоматериалов (природных продуктов, которые синтезируются и катаболизируются различными организмами, и которые имеют широкие биотехнологические применения), чтобы создавать полностью биоразрушаемые соединения с потенциальной промышленной применимостью. В качестве заменителей пластиков в настоящее время тестируются крахмал, целлюлоза, полипропиолактон, поли-ε-капролактон, поли-L-лактид, полиэтилен, полибутиленсукцинат, полиэтиленсукцинат, поли-п-фенилен и, особенно, полигидроксиалканоаты.

Полигидроксиалканоаты (ПГА) – это полиэфиры, синтезируемые множеством микроорганизмов при культивировании в различных условиях питания и окружения (обычно при лимитировании азота, фосфора, серы, кислорода или магния, или при избытке предшественников полимеров). К микроорганизмам синтезируемым ПГА относятся некоторые Archaea и определенные грамположительные и грамотрицательные бактерии.  Некоторые другие микроорганизмы способны накапливать ПГА  даже в присутствии высоких концентраций питательных веществ (например, Pseudomonas putida, Sphaerotilus natans, Bacillus mycoides, Azotobacter vinelandii, Alcaligenes latus). Продуценты ПГА накапливают эти полиэфиры внутриклеточно в виде подвижных, аморфных, жидких гранул, которые могут наблюдаться как светоотражающие отложения или электросветящиеся тельца, которые, при сверхпродукции, могут значительно изменять как размер, так и морфологию этих бактерий [1].

Главными свойствами полигидроксиалканоатов являются биосовместимость и биоразлагаемость. Свойства ПГА определяются их строением, прежде всего, они зависят от строения боковых групп в полимерной цепи, а также от расстояния между эфирными группами в молекуле. В настоящее время идентифицированно свыше 150 ПГА.  Несмотря на это многообразие, в сфере внимания исследователей в настоящее время  всего несколько типов ПГА: поли-3-гидроксибутират, поли-3-гидроксибутират-со-3-гидроксипропионат,  поли-3-гидроксибутират-со-4-гидроксибутират, поли-3-гидроксибутират-со-3-гидроксивалерат, поли-3-гидроксибутират-со-3-гидроксигексаноат, поли-3-гидроксибутират-со-3-гидроксидеканоат. Свойства этих полимеров меняются очень значительно в зависимости от типа и соотношения мономеров в полимерной цепи. В результате этого на базе ПГА можно иметь спектр материалов с различными физико-механическими свойствами, пригодными для различных применений [2].

В зависимости от количества атомов углерода в мономерных звеньях, ПГА можно разделить на три группы: короткоцепочечные (short-chain-length, SCL) ПГА включают мономеры с количеством атомов углерода от 3 до 5; среднецепочечные (medium-chain-length, MCL) ПГА, имеющие в своем составе от 6 до 14 атомов углерода. По сравнению с SCL и MCL ПГА, сополимеры SCL-MCL ПГА отличаются и обладают превосходными свойствами материала [3].

Первым среди выделенных и наиболее полно охарактеризованным является поли-3-гидроксибутират (П3ГБ) – это гомополимер 3-гидроксимасляной кислоты, представляющий собой изотактический полиэфир с регулярными, повторяющими единицами (С4H6O2) [2].  П3ГБ был обнаружен в Bacillus megaterium в 1926 году, а позднее был обнаружен, по крайней мере, у 250 различных микроорганизмов [3].  П3ГБ можно охарактеризовать как довольно спорный полимер. П3ГБ является полностью биоразлагаемым, сильно гидрофобным термопластичным материалом, содержащим около 80% кристаллической фракции. Для широкого применения большого объема этого материала препятствует несколько серьезных недостатков, таких как  выраженная хрупкость (из-за высокой кристалличности), очень низкая деформируемость, высокая восприимчивость к быстрому термическому разложению, трудная обработка с помощью традиционных технологий для термопластов (в основном за счет быстрой термической деструкции), и довольно высокая цена по сравнению с пластмассами. В настоящее время П3ГБ используется только для узкоспециализированных целей и в небольших количествах [4].  Для того чтобы расширить применение П3ГБ, важно улучшить его свойства, такие как механические свойства, кристалличность, поверхностные признаки, амфифильность и скорость разложения. Полезной стратегией улучшения свойств П3ГБ является химическая модификация, где в П3ГБ вводятся функциональные группы, которые не могут быть достигнуты путем биоконверсии [3].

Сферы применения ПГА очень разнообразны: в промышленности домашнего обихода,  в качестве упаковочных материалов, в медицине. ПГА были широко включены в предметы домашнего обихода, включая дозаторы для мыла/шампуня, держатели для зубных щеток, корзины для бумаг, чашки и т.д. Упаковочные пленки ПГА были разработаны для сумок, ламинированных пленок, контейнеров, бумажных покрытий, одноразовых изделий (бритвы, посуда, пеленки, предметы женской гигиены, чашки, медицинские хирургические одежды, ковровое покрытие, крышки) [3]. Сферы применения полиоксиалканоатов в медицине потенциально широки и могут включать сердечно-сосудистую хирургию, ортопедию, урологию, стоматологию и др. Особенно перспективным считается применение ПГА в клеточной и тканевой трансплантологии для реконструктивной хирургии тканей и создания биоискусственных органов [5]. В медицине ПГА используются как шовные и перевязочные материалы, а также для систем доставки лекарственных средств.  Полигидроксиалканоаты обладают гемосовместимыми свойствами, так как малая доля концентрации ПГА содержится в крови человека и животных. Это дает возможность использования ПГА для систем доставки лекарственных средств. Производные ПГА мономеры могут быть также использованы в качестве источников энергии, таких как питательные вещества и биотопливо [3].

Возможность замены  пластмасс на полигидроксиалканоаты имеет большой потенциал в будущем, так как ПГА являются полностью биоразлагаемыми, а их скорость разложения в природных условиях намного выше, чем у пластиков. Биосовместимость, на ряду с биоразлагаемостью,  является еще одним важным свойством ПГА, по сравнению с пластиками, что позволяет расширить применение этих биополимеров в медицине.  Тем не менее, высокая стоимость производства является одним из важных факторов, которые затрудняют реализацию ПГА на глобальном уровне. В настоящее время ученые исследуют процесс биосинтеза и оптимизацию массового производства с низкой стоимостью.


Библиографический список
  1. Chen G.Q. Plastics from Bacteria: Natural Functions and Applications. Berlin: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2010. – 449p.
  2. Chanprateep S. Current trends in biodegradable polyhydroxyalkanoates. Japan:  Journal Bioscience and Bioengineering, 2010. – 110: 621-632.
  3. Lin-Ping Wu. Polyhydroxyalkanoates (PHAs): Biosynthesis, Industrial Production and Applications in Medicine. New York: Nova publisher, 2014. – 349 p.
  4. Janigova I., Lacik I., Chodak I. Thermal degradation of  plasticized poly(3-hydroxybutyrate) investigated by DSC. Bratislava: Polimer Degradation and Stability, 2002. – 77: 35-41.
  5. Волова Т. Г., Севастьянов В. И., Шишацкая Е. И. Полиоксиалканоаты (ПОА) – биоразрушаемые полимеры для медицины. Новосибирск: Издательство СО РАН, 2003. – 330 с.


Все статьи автора «Vika1995»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация