研究背景：

PHA是由(R)-羟基烷酸组成的线性等向聚酯，以不溶性细胞质包体的形式储存，包被含有表面活性蛋白的表层(PHA颗粒)。使用不同的底物，可以合成各种各样的PHAs，它们的侧链长度有显著差异。PHAs的生物降解与多个应用领域密切相关，然而，从医学应用发展的角度来看，仍然缺乏准确的方法来预测PHA材料降解的动力学和后果，包括对其力学性能和结晶度的影响。这在很大程度上依赖于这样一个事实，即PHAs的胞外降解率受到几个相互依赖的因素的影响，这些因素是传统体降解实验难以控制的，例如，(i) 3-羟基烷酸重复单元的侧链长度，(ii)由于序列结构和制备方法的变化而导致的材料相形态的差异，(iii) PHAs的样品几何形状，例如膜、颗粒、球团，(iv)降解条件(pH值、温度、酶)。因此，在精确控制相形态和外部条件的同时，利用一种技术来研究PHA水解和酶催化降解的分子机制是至关重要的。

研究内容：

德国的Lendlein等人使用空气-水(A-W)界面的Langmuir单分子层作为合适的模型，通过控制聚合物的状态(半晶、非晶)、堆积密度、pH值和降解机制，来评估两种具有不同侧链长度和结晶度的PHAs的非生物降解。通过Langmuir方法，分子薄膜在A - W界面形成，精确控制每个分子的面积和其他实验条件，允许用二维模型系统研究聚合物的性质/功能。首先，利用Langmuir单层等温线和偏振调制红外反射吸收光谱(PM-IRRAS)测定了PHB和PHOHHx在不同ph下的溶剂质量、堆积密度和状态(半晶、非晶)。然后通过LMD实验考察了侧链和聚合物结晶度对材料非生物降解的影响。非晶态薄膜的降解曲线符合聚酯水解降解的定量模型。制备不同结晶度(10%、30%、40%)的PHB单分子膜，考察其对材料降解行为的影响。用界面剪切流变学方法研究了降解对薄膜力学性能的影响。

主要研究结果：

1. (上)PHB和PHOHHx单层压缩等温线。(下)表面压力与平均分子面积(MMA)的双对数图。由半稀态过渡到浓态时的表面压力π**随pH的增大而增大。π**与π*之间的曲线线性拟合得到指数y。π*处从稀到半稀的转变只有在溶剂条件差的情况下才能观察到。起始浓度较高，说明在良好的溶剂条件下，链扩散后已经重叠。

2. 不同表面压力下PHB的PM-IRRAS光谱。π = 12 mN/m处的光谱分别在达到表面压力15 min后(a)、达到表面压力45 min后(b)、达到表面压力150 min后(c)记录。对同一层进一步压缩，记录π = 15 mN/m处的光谱。

3. (A) PHB在不同pH下随表面压力变化的动态模量。(B) PHHHX在中性和高pH下随表面压力变化的动态模量。(C)在π = 7.5 mN/m以下和过渡表面压力(12 mN/m)恒定表面压力下复界面粘度的时间依赖性。MMA作为时间的函数(实线)。复界面粘度ηs*随时间的函数(开平方)。

4. PHA中酯键和降解机制的表征。对于PHOHHx，有四个不同的diads。摩尔分数根据共聚单体含量的统计概率计算。PHOHHx二联体的侧链越长，酯键对水解攻击的空间屏蔽作用就越强。聚合物从链端开始的非生物降解可以由链端在酯键上的分子内攻击催化。链端较长的侧链对这种攻击产生空间位阻，降低反应速率。

5. 在常数降解表面压力πD = 7.5 mN/m下，PHOHHx和PHB水解降解。拟合曲线用绿色虚线表示。

6. (A) pH = 12.3时PHB的降解/结晶。MMA (Å2，实线)和复界面粘度(ηs*，开平方)随时间的变化。测试了三种估计的结晶水平(10%，30%，40%)。30%和40%的箭头表示注射KOH前面积减少。(B) pH = 12.3时，10%晶态PHB(实线，取自a)和非晶态PHB(虚线)的橙色相对降解At(%)和复杂界面粘度(ηs*，开平方)随时间的函数。(C) 30%估计结晶时的降解/结晶。MMA作为时间的函数(橙色线)。复界面粘度ηs*随时间的函数(开平方)。

研究结论：

主要结论：(i) PHA薄膜在pH = 12.3时有效降解的最大结晶度为40%。(ii)由侧链长度较短的重复单元组成的PHA在碱性条件下更容易水解。当聚合物结晶度为40%时，碱性水解效率降低约65%。(iii)在初始结晶度相对较高的PHA薄膜中，非生物降解引发了化学结晶现象，表现为存储模量(E’)的增加。这可以转化为脆性的增加和材料降解性的降低。最后，我们证明了长期实验测量系统的稳定性，这使得聚合物的降解条件可以密切模拟实时降解。

通过Langmuir单分子层作为可预测模型，对未来生物材料的降解行为进行可靠的预测，需要对降解进行研究直到最后，并考虑化学结晶现象。即使在非常恶劣的条件下(pH = 12.3)， PHB的化学结晶导致降解终止。PHA的序列结构和相形态在聚合物膜的水解降解中起着关键作用。这些聚合物抗水解的高稳定性突出了通过引入允许弱酯键裂解但防止材料结晶的重复单元来产生具有改善相形态的创新PHAs的重要性。最后，这项工作支持了Langmuir单层技术，以密切模拟聚合物在各种条件下的实时降解。

参考文献：

Unraveling the Interplay between Abiotic Hydrolytic Degradation and Crystallization of Bacterial Polyesters Comprising Short and Medium Side-Chain-Length Polyhydroxyalkanoates

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.biomac.9b01458?goto=supporting-info

DOI: 10.1021/acs.biomac.9b01458