Введение
Полигидроксиалканоаты или ПХА — это полиэстеры, производимые в природе многочисленными микроорганизмами, включая бактериальную ферментацию сахаров или липидов. При производстве бактериями они служат как источником энергии, так и запасом углерода. В этой группе семейств можно комбинировать более 150 различных мономеров, что позволяет получать материалы с очень разными свойствами. Эти пластики биоразлагаемы и используются в производстве биопластиков. Они могут быть как термопластичными, так и эластомерными материалами, с температурой плавления от 40 до 180 °C. Механические свойства и биосовместимость ПХА также можно изменять путем смешивания, модификации поверхности или комбинирования ПХА с другими полимерами, ферментами и неорганическими материалами, расширяя тем самым область их применения.
Polyhydroxyalkanoates or PHAs are polyesters produced in nature by numerous microorganisms, including through bacterial fermentation of sugars or lipids. When produced by bacteria they serve as both a source of energy and as a carbon store. More than 150 different monomers can be combined within this family to give materials with extremely different properties. These plastics are biodegradable and are used in the production of bioplastics. They can be either thermoplastic or elastomeric materials, with melting points ranging from 40 to 180 °C. The mechanical properties and biocompatibility of PHA can also be changed by blending, modifying the surface or combining PHA with other polymers, enzymes and inorganic materials, making it possible for a wider range of applications.
Промышленное производство
В промышленном производстве ПГК полиэстер извлекается и очищается из бактерий путем оптимизации условий микробной ферментации сахара, глюкозы или растительного масла. В 1980-х годах компания Imperial Chemical Industries разработала поли(3-гидроксибутират ко-3-гидроксивалерат), полученный ферментацией, который был назван "Biopol". Он продавался под названием "Biopol" и распространялся в США компанией Monsanto, а затем Metabolix. В качестве сырья для ферментации могут использоваться углеводы, такие как глюкоза и сахароза, а также растительное масло или глицерин, образующийся при производстве биодизельного топлива. Исследователи в промышленности работают над методами создания трансгенных культур, которые будут экспрессировать бактериальные пути синтеза ПГК и, таким образом, производить ПГК как запас энергии в своих тканях. Несколько компаний разрабатывают методы производства ПГК из сточных вод, включая дочернюю компанию Veolia – Anoxkaldnes, а также стартапы Micromidas, Mango Materials, Full Cycle Bioplastics, Newlight и Paques Biomaterials. ПГК в основном перерабатываются методами литья под давлением, экструзии и выдувного экструзионного формования в пленки и полые изделия.
Свойства материала
Полимеры PHA являются термопластичными, могут перерабатываться на стандартном оборудовании и, в зависимости от состава, обладают пластичностью и различной степенью эластичности. Их свойства варьируются в зависимости от химического состава (гомо- или сополиэстер, содержание гидроксижирных кислот). В отличие от других биопластиков, таких как полилактид, они устойчивы к ультрафиолетовому излучению, выдерживают частичный нагрев до 180 °C и характеризуются низкой проницаемостью для воды. Степень кристалличности может находиться в диапазоне от нескольких процентов до 70%. Перерабатываемость, ударопрочность и гибкость повышаются с увеличением содержания валерата в материале. PHA растворимы в галогенированных растворителях, таких как хлороформ, дихлорметан или дихлорэтан. PHB по своим материальным свойствам схож с полипропиленом (PP), обладает хорошей влагостойкостью и барьерными свойствами к ароматам. Полигидроксибутират, синтезированный из чистого PHB, относительно хрупок и жесткий. Кополимеры PHB, которые могут содержать другие жирные кислоты, например, бета-гидроксивалериановую кислоту, могут быть эластичными.
Приложения
Из-за биоразлагаемости и потенциала для создания биопластика с новыми свойствами, существует значительный интерес к развитию использования материалов на основе ПГА. ПГА соответствует принципам зеленой экономики, позволяя создавать пластмассы из неископаемого сырья. Кроме того, ведутся активные исследования по биотрансформации, или "апсайклингу", пластиковых отходов (например, полиэтилентерефталата и полиуретана) в ПГА с использованием бактерий Pseudomonas putida. Кополимер ПГА, известный как PHBV (поли(3-гидроксибутират-ко-3-гидроксивалерат)), обладает меньшей жесткостью и большей прочностью, что позволяет использовать его в качестве упаковочного материала. В июне 2005 года американская компания Metabolix, Inc. получила Президентскую награду США за достижения в области зеленой химии (в категории малого бизнеса) за разработку и коммерциализацию экономически эффективного метода производства ПГА. ПГА, производимый микроорганизмами, имеет потенциальные применения в медицинской и фармацевтической промышленности, прежде всего благодаря своей биоразлагаемости. Области применения в области фиксации и ортопедии включают швы, крепежные элементы для швов, устройства для восстановления мениска, заклепки, скобы, скрепки, винты (включая интерференционные винты), костные пластины и системы костной фиксации, хирургические сетки, ремонтные заплаты, петли, сердечно-сосудистые заплаты, ортопедические штифты (включая материалы для костной пластики), барьеры для адгезии, стенты, устройства для направленной регенерации тканей, устройства для восстановления суставного хряща, нервные направляющие, устройства для восстановления сухожилий, устройства для закрытия дефектов межпредсердной перегородки, перикардиальные заплаты, материалы для увеличения объема и заполнения, венозные клапаны, каркасы костного мозга, устройства для регенерации мениска, трансплантаты связок и сухожилий, имплантаты клеток глаза, клетки для спинального сращения, заменители кожи, заменители твердой мозговой оболочки, заменители костного трансплантата, костные штифты, повязки для ран и гемостатики.