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
- Chen G.Q. Plastics from Bacteria: Natural Functions and Applications. Berlin: Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2010. – 449p.
- Chanprateep S. Current trends in biodegradable polyhydroxyalkanoates. Japan: Journal Bioscience and Bioengineering, 2010. – 110: 621-632.
- Lin-Ping Wu. Polyhydroxyalkanoates (PHAs): Biosynthesis, Industrial Production and Applications in Medicine. New York: Nova publisher, 2014. – 349 p.
- 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.
- Волова Т. Г., Севастьянов В. И., Шишацкая Е. И. Полиоксиалканоаты (ПОА) – биоразрушаемые полимеры для медицины. Новосибирск: Издательство СО РАН, 2003. – 330 с.