可生物降解高分子的酶法合成和改性

1、151617181920N iko la iev V , S t ie rando va A , K rch nak V e t a l. P ep t ide R e s. , 1993, 6: 161B renne r s, L e rne r R A , P ro c. N a t l. A cad. Sc i. U SA , 1992, 89: 5381N eede ls M C , Jo ne s D G, T a te E H e t a l. ib id, 1993, 90: 10700O h lm eye r M H J , Sw an so n R N , D iU a rd

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3、)摘要 介绍了新型功能高分子材料 可生物降解高分子材料的研究概况, 并重点评述了这一领域研究的新分支 酶法合成可生物降解高分子材料的新进展。关键词 可生物降解高分子材料 酶催化随着可生物降解高分子材料研究工作的不断深入, 人们对可生物降解高分子材料的认识也逐步加深, 开发它的途径也变得多种多样1 。可生物降解高分子材料1可生物降解高分子材料, 简单的说是指在一定条件下, 能被生物体侵蚀或代谢而降解的材料。随着人们对可生物降解高分子材料研究的不断深入, 现已经对可生物降解高分子材料的概念做出了非常科学的定义。 G rah am 设想了需氧和厌氧两种降解环境2:C t = CO 2 + H 2O

4、+ C r + C b 需氧环境C t = CO 2 + CH 4 + H 2O + C r + C b厌氧环境某种材料的可生物降解性, 可以用以上式中的几个参数来衡量, CO 2 是这种材料被环境降解所生成的二氧化碳, C r 是这种材料存留在环境中的未被降解的含碳残留物, C b 是同化入生物代谢过 程中的碳。C r = 0 时是完全生物降解 (如矿物化) ; O < C r < C t 时是不完全生物降解; C r = C t 时是完全不能生物降解。 我们这里指的生物可降解材料应该是能完全可生物降解的。当前在各个领域中使用的各种高分子材料绝大多数都是非生物降解或不完全生物降解

5、的, 这 些材料使用后给我们的日常生活及社会带来了诸多的不便和危害, 如医用手术的拆线、塑料的环境 污染等3 。 为了解决这些问题, 世界各国, 特别是工业发达国家十分重视研究与开发可生物降解高 分子功能材料, 并将其视为面向 21 世纪生命保护的重大课题之一。可生物降解高分子材料在各个领域的应用前景非常广阔, 这里仅举几个代表性的领域:在医学上, 它主要用于: (1) 控制药物释放的体系。这是当今医用高分子研究中最热门的领域之1996203214 收稿, 1996207231 修回国家自然科学基金资助项目3 联系人化学通报 1997 年 第 3 期·9·一。它可控制药物在

6、体内的释放速度, 使药物在体内能够保持有效浓度, 减小或消除副作用, 特别是在植入或附于病区时, 则更能显示其优越性4 ; (2) 生物接骨固定。 传统的接骨材料是金属制品, 在 患者骨折愈合后需二次手术取出, 给患者带来了很大的痛苦, 而可生物降解性接骨材料能在体内被 定时降解吸收, 无需二次手术取出, 消除了患者的痛苦5 。 可生物降解高分子材料因其无毒和良好 的生物相容性而备受各国医学研究者们的关注。在包装工业上, 利用这种材料能开发出一种新型的塑料 可生物降解塑料, 它能消除当今世 界公害“白色污染”。 现在发达国家正在加紧进行可生物降解塑料的研究和开发6 。在农业上, 可生物降解的高

7、分子材料能做为可降解的农用地膜、肥料、杀虫剂、除草剂的释放控 制材料等7 。 这不仅能有效利用地膜、肥料和药物, 而且还能减小或消除它们的残留物对农作物的 危害。正因为可生物降解高分子材料对人类的现实生活有着深远的意义, 所以, 人们对于开发在一定 时期内能被降解成对环境没有污染的小分子的高分子材料寄予了极大的期望。那么, 哪些材料可以成为可生物降解的材料呢? 除了一些天然高分子化合物 (如纤维素、淀粉)外, Su zu k i8 认为只含有碳原子链的高分子 (如聚乙烯醇) 是可生物降解的。K aw a i9 和 K ee le r10 也 同意这个观点。他们研究的材料是聚环氧乙烷、聚乳酸和聚

8、己内酯。T o k iw a 11 认为, 脂肪族的多羧 酸和多功能基醇 (po ly2fu n c t io n a l a lcho ls) 所形成的聚合物是可生物降解的。 这里包括聚酯类和聚 糖类高分子。2可生物降解高分子材料的开发211 开发可生物降解高分子材料的传统方法传统开发可生物降解高分子材料的方法包括天然高分子的改造法, 化学合成法以及微生物发 酵生产法等。21111 天然高分子的改造法 自然界中存在大量的多糖类高分子, 如淀粉、纤维素、甲壳素、木质素、透明质酸、海藻酸等等, 都能被生物降解。 通过化学修饰和共聚等方法, 对这些天然高分子进行 改性, 可以合成可生物降解的高分子

9、材料。 如用改性甲壳素制造的手术缝合线和人造皮肤, 改性淀 粉制造的农用薄膜等。21112 化学合成法 模拟天然高分子的化学结构, 从简单的小分子出发制备分子链上连有酯基、 酰胺基、肽基的聚合物, 这些高分子化合物结构单元中含有易被生物降解的化学结构或是在高分子链中嵌入易生物降解的链段。 如意大利 S. P. A. 公司用化学聚合法得到聚乳酸12 ; W ise 13 用聚乳 酸与聚羟基乙酸的共聚物来释放 N a lt rex en e, 体内释放可维持药效一个月左右; 1976 年, 聚丙交酯 (PL A ) 和聚乙交酯 (P GA ) 被成功地用于狗体内释放 L 2十八甲基炔诺酮以控制生育

10、14 。21113 微生物发酵生产法 许多微生物, 如 P seu d om on a s 能以某些有机物 (如 C 6 C 12 的烷烃及直 链有机酸) 为碳源, 通过代谢分泌出聚酯或聚糖类高分子 (如聚羟基烷酸等)。 英国 IC I 公司用发酵法得到聚羟基丁酸酯 (PHB ) , 并已形成生产规模, 产品名称为 B iopo lR; Yo sh im o to 等15成了聚 2羟丁酸 (PHBV ) , 也具有很好的生物降解性。 传统可生物降解高分子的开发方法虽然各有特点, 并且有些已投入小规模的应用, 但它们各自的缺点也是显而易见的。 天然高分子的改造法虽然原料来源充足, 但一般不易加工

11、成型, 大多受热 熔化前已开始分解, 只能通过溶液法加工, 而且产量小, 限制了它们的应用; 化学合成法反应条件苛 刻 (需高温、减压等条件) , 副产品多, 有时需使用有毒的催化剂, 且工艺复杂, 成本较高, 有些产品的 生物相容性又不太好; 利用微生物发酵合成法, 产物的分离有一定的困难, 且仍有一些副产品。因此© 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 用发酵法合·10·化学通报 1997 年 第 3 期国际上近几年来已开始探索新的开

12、发可生物降解高分子的方法, 并已经有了新的进展。这就是用酶法合成可生物降解高分子化合物。212 开发可生物降解高分子材料的新方法 酶促合成法用酶法合成可生物降解高分子材料, 实际上得益于非水酶学的发展。酶在有机介质中表现出了 与其在水溶液中不同的性质, 并拥有了催化一些特殊反应的能力, 从而显现出了许多水相中所没有的特点16 , 如可提高非极性底物和产物的溶解度, 热力学平衡向合成的方向移动等。而当将酶法应 用于合成可生物降解高分子材料时, 它又具备了不同于化学法和微生物法的特点。酶对底物高度的 专一性, 使聚合过程无副产物的生成; 产物容易分离, 酶可回收再利用, 从而降低了产品的成本; 催

13、 化反应的条件温和 (一般在常温常压下反应) , 利用酶的立体专一性特点, 还能合成一些用传统方法 很难得到的产品, 如具有光学活性的可生物降解的高分子化合物等。用酶促合成法开发的可生物降解高分子材料都是完全可生物降解的高分子材料, 生物可降解 性能很好, 它们主要包括聚酯类、聚糖类、聚酰胺类等等。21211 聚酯类可生物降解高分子的酶促合成 聚酯类高分子良好的可生物降解性及它们单体的 易得性, 使得它成为酶促开发的主要焦点之一。( 1) 利用线性单体的缩合反应, 可以合成出具有可生物降解性的聚酯, 反应的模式主要如下所示,其中 A 和 B 各代表一种具有反应性的功能基团, 如羟基和羧基、羧基

14、和酰氯等。酶A nA B_ A B n有机相酶_ A A BB nBnA A + nBB有机相K lib ano v 等人17 在 1987 年就开始进行了这方面的尝试工作。 他们利用 A . n ig e r 脂肪酶在甲苯中以 1, 62己二醇和 2, 52二溴代丁二酸二2( 22氯代乙醇) 酯为单体, 聚合成 ( + ) 聚己二醇22, 52二 溴代丁二酸酯, 得到的聚合物虽然分子量不大 (只有 800D ) , 但得到的寡聚物有光学活性, 生物相容性好, 更重要的是 K lib ano v 的工作为以后的酶促聚合方法的开发提供了一个开端。 1988 年M o r2row 等人18 利用

15、po rc in e p an c rea t ic 脂肪酶为催化剂, 以乙醚作为溶剂, 从消旋性的单体得到了反 式构象的聚合物 (图 1) , 分子量 7, 900D , 光学纯度 95% 以上, 而且反应条件温和。 G ilbo a 19 则利用 更易得的底物反丁烯二酸酯与 1, 42丁二醇, 以 C a n c l id a cy c ln d ra ca ea 酶等 10 种脂肪酶做催化剂,在四氢呋喃和乙腈中合成全反式构象的聚酯, 具有生物可降解性, 作者提出, 用化学方法合成时, 则会出现异构体聚酯副产物, 很难得到构型单一的产品。Gao n k a r 等20 采用一种新的二酯 双

16、 (2,32丁烷二酮单肟) 脂肪酸二酯, 反应活性很高, 它在脂肪酶催化下与一级二醇缩合, 由于此缩合反应 是不可逆反应 (如图 2) ,OOO( ±) C l3C CH 2 O CCH 2 C O CH 2 CC l3 + HO (CH 2) 4 O HCH 2 CHCHO猪胰脂肪酶 ( -)O C CH 2OH乙醚CCCH 2 C O (CH 2 ) 4HnO图 1 脂肪酶催化合成 ( -) po ly ( butan ed io l- 3, 4-epoxy ad ipa te)© 1994-2014 China Academic Journal Electronic

17、Publishing House. All rights reserved. 化学通报 1997 年 第 3 期·11·H 3CCH 3COOOOC(CH 2) n+ HO CH 2 R CH 2 O HCNOCCONCH 3CCH 3脂肪酶有机相H 3CO HCOOOON(CH 2 ) nCNOCCOCH 2 RCH 2H+H 3CCCxH 3CCH 3R = (CH 2) 1 4n = 3, 4, 8,图 2脂肪酶催化双 ( 2, 32丁烷二酮单肟) 脂肪酸二酯与一级二醇缩合因此反应彻底, 得到产物分子量高达到 9, 200D , 并且有好的生物相容性, 只是活性底物二

18、酯合成法较复杂。 作者也讨论了催化反应的介质对聚合的影响, 认为极性太强的溶剂对聚合反应不利, 因为 随着聚合的进行, 聚合物聚合度逐渐增加, 聚合物的极性也逐渐的降低, 它在强极性溶剂中的溶解 度会逐渐降低, 不利于聚合的进行, 因此他认为聚合反应应发生在极性较弱的溶剂中, 如异丙醚中。以色列的 Gu tm an 研究小组21以线性羟基酸的甲酯做为单体, 以猪胰脂肪酶做为催化剂, 在各种有机溶剂中合成了聚羟基酸的甲酯, 分子量提高到 12, 000D 左右, 并制成了这种聚酯的薄膜制品。他们也研究了用脂肪酶来催化对羟基苯甲酸甲酯的聚合, 但没有成功, 因为苯环是生物不可降解的结构, 因此在此

19、反应条件下它不能被脂肪酶催化聚合。 Y u Y en L in ko 的研究小组22近期以双 ( 2,2, 22三氟代) 烷基二酸乙酯和脂肪二醇为单体, 严格控制两种单体的等摩尔比, 在M . m ieh e i 脂肪酶的催化下合成具有生物相容性的聚酯。 为了提高产物的聚合度, 他们设计了一种新的方法, 在聚合 过程中引入真空状态, 将聚合反应产物之一的 2, 2, 22三氟代乙醇除去, 使平衡大大向聚合方向移动, 得到了高分子量的聚酯, 分子量达到 46, 400D (图 3)。O(CH 2) n (C O CH 2 C F 3 ) 2 + O H (CH 2) m O H M . m ie

20、h e i 脂肪酶缩聚产物 + C F 3 CH 2 O H二苯醚( 反应过程中可真空除去)图 3 双 ( 2, 2, 22三氟代) 烷基二酸乙酯和脂肪二醇的酶促缩合(2) 利用内酯的开环聚合反应来合成具有可生物降解性的聚酯反应的模式如下:O酶 (CH 2) n C OCHOCOO H有机相(CH 2) nO开环聚合在化学合成法中是司空见惯的, 但利用酶法进行开环聚合反应只是近两年的事, Gu t2m an 21 在 1993 年研究了 2己内酯的开环聚合反应, 他采用 2己内酯加上少量甲醇 (文中作为亲核 供体) 以 正 己 烷 为 溶 剂, 在 猪 胰 脂 肪 酶 的 催 化 下, 合 成

21、 了 聚 己 内 酯, 聚 合 度 为 10。 日 本 的Ko b aya sh i23等人采用非溶剂体系 (反应底物也同时作为溶剂) ,用 P seu d om on os f lu orescen s 脂肪酶催化 2己内酯的开环聚合, 得到了较高分子量的聚合物, 数均分子量达 7, 000D , 我们用 P seu 2© 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. nO·12·化学通报 1997 年 第 3 期d om on os f lu

22、 orescen s 脂肪酶和 C a n d id a cy l in d ra cea 脂肪酶在 60条件下催化 2己内酯, 2丁内酯,2壬内酯等在不需任何其它附加条件下(如底物活化) 合成了聚酯, 分子量达 25,000D ,并且在同样反应条件下比较了酶促线性聚合和开环聚合反应, 确定了开环聚合反应的最佳条件, 并提出了开环聚合反应可能的机制, 认为它不同于一般的线性缩合, 而是一个有水分子参与的过程。最近, 有 人 又利用环状二酸酐的开环与线性二醇聚 合 ( 图 4) , 反 应 在 甲 苯 中 进 行, 用 P seu d om on a f lu o2 resceu s 脂肪酶做催

23、化剂, 反应条件温和, 但聚酯分子量较低 (M n 约为 3, 000D ) , 这可能是由于酸酐 极性太强, 限制了酶活力的充分发挥, 另外作者认为只有含 8 个碳以上的脂肪二醇才能发生聚合反 应24 。OOO 脂肪酶 O (CH 2) n + HO (CH 2) m O HC (CH 2) n C O (CH 2) n O甲苯O图 4 环酸酐与二醇的酶促聚合总的来说, 由于酶促合成聚酯类高分子化合物单体原料的易得性 ( 可直接通过微生物发酵得到) , 聚合物良好的可生物降解性 (合成的一些聚合物如聚己内酯, 聚丁内酯等均具有良好的可生物 降解性) 等优点, 因此, 酶促合成聚酯类可生物降解

24、高分子化合物已经越来越引起研究者们的注意。21212 聚糖酯类 糖类衍生物也是一种天然的可生物降解化合物, 由于天然多糖类做为可生物降解材料有不尽人意之处, 因而改性天然多糖类就成为人们观注的焦点之一。利用生物方法开发这类 高分子化合物当然也不会例外。酶法开发的主要途径实际大多是在聚酯链上引入糖基, 以增强聚合 物的生物可降解性能。 主要合成模式如下:式中糖做为二醇的单位, 如果用化学方法聚合, 需要将有些羟基保护起来, 避免副反应, 聚合完毕后, 再脱保护, 反应过程复杂, 还有异构体生成24 , 而用酶法合成不需要基团保护 ( 酶优先催化 6位羟基酯化) , 反应条件温和。D o rd i

25、ck 25 利用蛋白酶作催化剂, 以蔗糖作为羟基供体, 2, 2, 22三氟代乙醇丁二酸酯为酰基供 体, 在吡啶中催化合成聚糖酯, 产物是水溶性的, 聚合度达到 30。R e thw isch 和 D o rd ick 用这种方法 将棉子糖与己二酸聚合, 反应的位置选择性好 ( 只酰化 1 位和 6 位的羟基) , 分子量达到 13, 800D , 得到的聚糖酯生物相容性好, 能被各种脂肪酶和蛋白酶所降解。21213酶促合成法与化学合成法的结合使用酶促合成法具有高的位置及立体选择性, 而化学聚 合则能有效地提高聚合物的分子量, 因此, 为了提高聚合的效率, 现在有的研究者已开始将目光转

26、9; 1994-2014 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. x化学通报 1997 年 第 3 期·13·向用酶促法与化学方法联合使用来合成可生物降解的高分子材料。他们的基本思路是: 利用酶的选择性来催化一个选择性的步骤, 合成能聚合的单体或寡聚体, 然后利用化学方法聚合, 得到生物相 容性很好的高分子化合物。P a t il26利用蔗糖和丙烯酸乙酯为单体, 以蛋白酶为催化剂, 在吡啶中, 合成了丙烯酸蔗糖酯,然后用化学方法聚合成聚丙烯酸糖酯, 分子量达 91, 0

27、00D。聚合物高度无定形并且是水溶的。这种聚丙烯酸蔗糖酯能被脂肪酶和蛋白酶所降解, 释放出蔗糖。M a rgo lin 等人27 利用 P seu d em on a s 脂 肪酶催化酰化外消旋的脂肪醇和胺, 合成有光学活性的丙烯酸衍生物, 然后利用自由基聚合反应合成高分子聚合物, 产物旋光纯度达 98% 以上, 分子量达到 4×106D。R it te r 等人28先合成寡聚体, 再用化学法聚合, 得到了高分子化合物。也用类似的方法3展望本文主要介绍的可生物降解高分子材料的合成方法 酶促合成法, 由于其独特的优点而正在越来越受到世界各国的重视, 并且研究者们也在努力解决酶法的一些不

28、完善之处, 酶促方法的酶源到目前为止还是比较有限的, 大部分只局限于脂肪酶和蛋白酶, 开发更多的、廉价的、稳定的酶源 是研究者们的一个重要课题之一; 另外, 酶促方法的反应类型也很有限 ( 只限于酯合成等少数反应类型) , 开发利用更多的反应类型也是一项重要而有意义的工作。值得注意的是, 酶法与化学法联合 使用, 已经逐渐显示其优越性, 预计在不久的将来, 会在可生物降解高分子材料的开发中起到重要作用。可生物降解高分子材料的开发由于它重要的社会意义, 必将越来越引起世界各国研究者们的 重视。利用酶法开发可生物降解高分子材料, 做为一种新型的、有广阔前景的方法, 必将也会发挥其应有的价值。参考文

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