西北大学魏岱旭教授团队：微生物PHA颗粒的应用现状与挑战--颗粒学报PARTICUOLOGY

西北大学魏岱旭教授团队在PARTICUOLOGY上发表综述文章，总结了微纳尺度PHA颗粒在颗粒制备、降解行为、生物安全、表面功能化等方面的研究现状以及目前面临的挑战，同时也对PHA颗粒在递药系统、环境保护、组织工程、疫苗工程、食品科学、生物技术以及化妆品等领域的应用进行归纳，并提出潜在的发展方向。

上述成果发表于PARTICUOLOGY （Volume 87），欢迎感兴趣的读者扫描下方二维码或者点击文末“阅读原文”进入ScienceDirect官网阅读、下载！

研究背景

PHA是一类具有良好生物相容性和生物可降解性的天然生物聚酯。目前，微纳米尺度的PHA颗粒已成为研究热点，研究人员利用多种手段制备出不同尺寸、形貌和功能的PHA颗粒，极大地推动了在众多领域中的广泛应用。

本文介绍了PHA颗粒的制备方法、生物降解行为、生物活性、生物安全性及表面修饰；总结了PHA颗粒在递药系统、环境保护、组织工程、疫苗工程、食品科学、生物技术以及化妆品行业等领域的应用，并对PHA颗粒的未来发展趋势和面临的挑战进行探讨。

要点精读

1 PHA颗粒

目前已知的PHA颗粒制备方法有溶剂蒸发、超声乳化、溶液置换、单体聚合、喷雾干燥、微流控、膜乳化等（图1）。其中，溶剂蒸发法具有操作简单、重现性好、加工速度快、关键工艺参数少等特点，是制备聚合物颗粒最常用的方法。它适用于有不同组件组成的系统。其中，O/W体系可用于制备载疏水药物的固体微球；水包油包水（W/O/W）体系适用于制备装载亲水性药物的固体颗粒；固体-油-水（S/O/W）体系类似于W/O/W体系，是利用固体粉末代替内部水相，常用于制造包裹蛋白质或携带水不溶性药物的颗粒；利用气-油-水（G/O/W）体系制备的微球不仅适合装载亲水性药物，还可形成多孔结构，可以保护和运输细胞进行原位组织修复。超声乳化法具有亲脂性药物包封效率高、操作简便、收率高、重现性好、粒度分布窄等优点，但其水溶性药物在乳化过程中容易渗漏到外部水相，从而导致包封效率低。与传统乳化方法相比，膜乳化法具有粒径分布窄且粒径可调、乳液释放可预测、药物包封率高、能量输入少、材料热剪切降解低等优点。然而，由于膜孔径的限制，很难利用膜乳化法制备出粒径小于50nm的纳米颗粒。喷雾干燥法适用于固体微球的大规模制备，也可用于设计具有多功能结构的颗粒。然而，喷雾干燥的过程控制相对复杂，属于新兴的研究领域，目前还没有利用该法制备PHA微粒的报道。电喷雾是由静电纺丝工艺改进而来，可以通过选择不同的针距、电喷涂距离、物料浓度、电压、压力等系统参数，生产形状和大小可调控的颗粒。

PHA以聚合物形式来源于自然界，因此并不适合通过单体聚合生产PHA颗粒。而现有的常用方法仍有较大的提升空间。溶液置换法很难选择药物/聚合物/溶剂/非溶剂体系，而且也不适合制备携带亲水药物的纳米颗粒。另外，微流控技术作为当前研究的热点，可以通过控制混合速率来调整纳米颗粒的大小、均匀性、载药和释放特性等，但由于参数选取以及仪器维护的难度，目前微流控技术尚未成功应用于PHA颗粒制备。

图1. PHA颗粒的制备方法

(a)传统溶剂蒸发: O/W; W1/O/W2; S/O/W; G/O/W; (b)微流控; (c)膜乳化; (d)静电喷雾

PHA作为典型的生物聚酯，具有天然的颗粒结构、可生物降解性以及生物相容性等优势，使其广泛应用于纳米技术、组织工程和其他生物医学应用、食品工程、化妆品和保健品等领域。近年来，随着不同尺寸、形状及功能纳米颗粒的大力开发，极大地推动了PHA颗粒在上述领域的进一步发展。目前已实现商业化的PHA有：PHB（聚3-羟基丁酸）、P4HB（聚4-羟基丁酸）、PHBV（3-羟基丁酸-3-羟基戊酸共聚物）、PHBHHx（3-羟基丁酸-3-羟基己酸共聚物）、P34HB（3-羟基丁酸-4-羟基丁酸酯共聚物）、PBVHx（3-羟基丁酸-3-羟基戊酸-3-羟基己酸共聚物），如图2所示。颗粒的合成条件对微球的微观结构有较大影响，而且，PHA的分子量、油相浓度、搅拌速率、外水相中表面活性剂浓度、油相与外水相的体积比等因素均会影响微粒的大小，尤其是颗粒粒径大小对PHA的主要特性起决定性作用。目前已报道的PHA颗粒粒径有小至30 nm，大到600 μm，图3呈现了PHA颗粒粒径及其对应的表面结构特性。

图2. PHA的通式及常见的商业化PHA

商用PHA包括：第一代，聚3-羟基丁酸(PHB)和聚4-羟基丁酸(P4HB)；第二代，3-羟基丁酸-3-羟基戊酸共聚物(PHBV)；第三代，3-羟基丁酸-3-羟基己酸共聚物(PHBHHx或PHBHx)；第四代，3-羟基丁酸-4-羟基丁酸酯共聚物(P34HB或P3HB4HB)；第五代，3-羟基丁酸-3-羟基戊酸-3-羟基己酸共聚物(PHBVHHx或PHBVHx)

图3. 已报道的PHA颗粒粒径大小及其表面结构

2 PHA颗粒的表面功能化

PHA颗粒表面呈多样性，且其多样性是通过不同特异性PHA合成酶的作用实现的。天然环境下，各种酶粘附在PHA颗粒表面并参与PHA的合成、改性以及降解，目前已报道的酶种类有：PhaA、PhaB、PhaC、PhaZ、PhaP和PhaR，见表1。其中，PhaP编码颗粒组装蛋白，PhaM编码PHA合成酶催化活性的激活剂和加速器，PhaA编码乙酰辅酶a 3-酮巯基酶，PhaG编码3-羟基载体蛋白-辅酶a转移酶，PhaJ编码烯基辅酶a水解酶，PhaZ编码细胞内PHA解聚酶。由此可见，PHA颗粒可被多种表面结合蛋白修饰，从而扩大了PHA的应用范围。

此外，PhaC催化由辅酶A（CoA）携带的羟酰基片段聚合形成PHA；Phasins（或PhaPs）是覆盖PHA颗粒表面的主要蛋白质之一；转录抑制因子PhaR调节phasin表达和PHA颗粒合成；以及其他具有类似功能的PHA颗粒相关蛋白也有报道。而且，来自Pseudomonas oleovorans的PhaF和PhaI蛋白已被确定为PhaF调节PHA合成的模型蛋白。

表1. 天然环境下参与PHA合成、改性和降解的酶种类

3 PHA颗粒的应用

PHA颗粒在递药系统、环境保护、组织工程、疫苗工程、食品科学、生物技术以及化妆品等领域均已广泛应用，如图4所示。其中，生物可降解的载药PHA颗粒被用于局部和靶向给药，可顺利完成药物在体内的可控释放。与不可生物降解的石化塑料相比，PHA因具有生物可降解性，被认为是一种“绿色塑料”，而且它们的降解产物对环境和生物是无害的。PHA还被作为一种多功能的细胞载体或组织工程支架，为细胞增殖和分化提供三维环境。PHA颗粒疫苗递送系统已为疫苗开发提供了一种有利的方法。在食品科学领域应用中，PHB（PHA家族中最简单的一员）被作为一种膳食添加剂，通过自身降解为肠道细菌和宿主细胞提供短链脂肪酸，维持胃肠道微生物群的平衡。另外，PHA颗粒还在重组蛋白纯化、双杂交系统、内毒素去除和生物催化等生物技术领域，以及作为商业化的皮肤用去角质磨砂膏等化妆品领域的应用也逐渐被人们关注。

图4. PHA颗粒的应用

总结与展望

自20世纪20年代PHA被发现以来，人们对这一重要的聚合物家族进行了大量研究，发现可通过控制颗粒粒径来制备不同尺寸、不同性能的微纳级PHA颗粒，而且，由于其良好的生物降解性、生物活性和安全性，近年来对不同结构以及性状的微纳PHA颗粒的研究及其应用越来越多。目前，PHA颗粒已被广泛应用于多个领域。比如，PHB可作为一种丁酸产菌的益生菌食品，其水解产物3HB可诱导肠道环境轻微酸化，在动物肠道中发挥微生物激活剂的作用，被称为“酮益生元”。新型功能化PHA颗粒具有良好的生物相容性、载药及释放特性、靶向及成像功能等已被作为多孔细胞载体应用于递药系统。更有资料报道，意大利Bioon SpA公司已生产出一种PHA微球，被作为化妆品、沐浴露以替换传统的石化塑料微球。上述实例表明，PHA颗粒的应用已贴近人们的日常生活，不仅被应用于生物医学领域帮助人们治愈疾病，还被应用于食品科学领域帮助人们改善、调节身体机能等。

但是，目前PHA的应用仍存在诸多问题，如成本高、产量低、颗粒尺寸控制难度大，与PLA（聚乳酸）颗粒相比降解慢，合成PHA的同时还可能会产生内毒素等问题，这也导致PHA颗粒的商业化应用受到一定限制。

基于合成生物学的理念，工程细菌可以提高PHA的生物合成及多样性，因此作者认为可利用工程细菌生产更稳定、更便宜的PHA颗粒，从而降低PHA的生产成本。而且，还可利用极端微生物工程，进一步提高碳基质向PHA转化的同时控制PHA颗粒的分子量。另外，随着PHA多样性的开发，PHA颗粒将在不同领域被赋予更多的新特性，如环境响应性、形状记忆性以及可控性等，PHA将得到更广泛的应用。同时，随着合成生物学的发展，PHA也将进入一个新的黄金时代。

作者简介

第一作者：刘佳轩，就读于西北大学生命科学与医学部，在魏岱旭教授课题组进行科研训练。目前已在Particuology、Journal of Polymer Science、Frontiers in Nutrition期刊发表SCI论文3篇，申请专利1项。

通讯作者：魏岱旭，西北大学生命科学与医学部医学院教授、西北大学-榆林碳中和学院教授、博士生导师，陕西省高校杰出青年人才、中国生物材料学会材料生物力学分会常委、中国颗粒学会青年理事、陕西细胞治疗学会委员、陕西产业工匠人才、西安市科技专家。2018年毕业于清华大学生命科学学院，获博士学位，师从清华大学陈国强教授。长期从事生物材料、合成生物学、组织工程与再生医学、医用微纳米器件、智能递药系统、医学美容及化妆品、脑科学与抗衰老等研究工作。担任国际学术期刊Smart Materials in Medicine编委、Military Medical Research、Asian Journal of Pharmaceutical Sciences、iMeta和Brian-X期刊青年编委。获中国医促会华夏医学科技奖（省部级）三等奖，曾参与中国航天重大项目“天舟一号”科学实验，相关科研事迹登上《中国日报》海外版（China Daily）、中央电视台《早间新闻》和《走近科学》。

供稿：原文作者

编辑：《颗粒学报》编辑部

文章信息

Liu, J., Zhou, Z., Li, H., Yang, X., Wang, Z., Xiao, J., & Wei, D.-X. (2024). Current status and challenges in the application of microbial PHA particles. Particuology, 87, 286-302. https://doi.org/10.1016/j.partic.2023.08.011.

附件：