合成生物学表型测试生物反应器及其装备化研究进展

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作者 郭肖杰 剪兴金 +2 位作者 王立言 张翀 邢新会 《合成生物学》 CSCD 北大核心 2024年第1期16-37,共22页

合成生物学经过多年的发展,形成了典型的细胞工厂创制“设计-构建-测试-学习”(design-build-testlearn,DBTL)循环,成为支撑面向加速生物制造发展的智慧生物育种的重要方法。其中,测试环节是对前期所设计与构建的生物体系进行表型测试,... 合成生物学经过多年的发展,形成了典型的细胞工厂创制“设计-构建-测试-学习”(design-build-testlearn,DBTL)循环,成为支撑面向加速生物制造发展的智慧生物育种的重要方法。其中,测试环节是对前期所设计与构建的生物体系进行表型测试,以提供大量数据用于后续的学习和迭代升级。测试阶段的通量主要依赖于细胞自身或其培养测试所使用的生物反应器及其装备,是整个DBTL流程的限速步骤。本文系统综述了合成生物学表型测试所开发的面向不同通量的生物反应器及装备,从单细胞检测和筛选及不同尺度生物反应器包括皮纳升级生物反应器、微升级生物反应器、毫升级生物反应器和升级生物反应器等,系统地介绍了各自的特点和应用场景。同时,指出了现有生物反应器及其装备的应用潜力、面临的挑战与发展趋势,为合成生物学表型测试技术研究提供重要参考。 展开更多

关键词 合成生物学 高通量筛选 液滴微流控 生物反应器 微孔板 微型管式生物反应器

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微生物合成二元醇研究进展 被引量：1

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作者 竺方欢 岑雪聪 陈振 《合成生物学》 CSCD 北大核心 2024年第6期1367-1385,共19页

二元醇是一类重要的大宗化学品,在高分子材料、化妆品、燃料、食品和制药行业有着广泛应用。开发可利用生物质及碳一原料等可再生原料生产二元醇的生物合成路线对于降低化石资源依赖、减少二氧化碳的排放具有重要意义,近年来受到了国内... 二元醇是一类重要的大宗化学品,在高分子材料、化妆品、燃料、食品和制药行业有着广泛应用。开发可利用生物质及碳一原料等可再生原料生产二元醇的生物合成路线对于降低化石资源依赖、减少二氧化碳的排放具有重要意义,近年来受到了国内外广泛关注。虽然通过生物法生产1,3-丙二醇、1,3-丁二醇和1,4-丁二醇已实现商业化,但大多数其他二元醇的高效生物合成仍面临挑战,主要原因包括缺乏有效的天然生物合成途径、基因工程菌的产率低等。本综述全面探讨了微生物合成二元醇的最新研究进展,特别是在开发新代谢途径和代谢工程策略方面,以实现C_(2)至C_(5)二元醇的高效生物合成。例如通过对非天然合成途径的设计和构建以实现系列非天然二元醇的生物合成,以及利用非传统的碳源(如木质纤维素等)通过特定的代谢途径和优化策略合成二元醇,为生物合成领域开辟新的道路。此外,本文还讨论了这些生物合成过程向工业应用转化的主要挑战和未来的发展前景,包括廉价和可持续原料的获取、大规模放大过程的复杂性、满足下游特定需求的后提取工艺开发等。 展开更多

关键词 二元醇 生物合成 代谢工程 可再生原料 工业应用

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代谢物生物传感器:微生物细胞工厂构建中的合成生物学工具 被引量：5

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作者 周益康 吴亦楠 +3 位作者 王天民 郑翔 邢新会 张翀 《生物技术通报》 CAS CSCD 北大核心 2017年第1期1-11,共11页

代谢物生物传感器作为重要的合成生物学工具,能够感应细胞内代谢物浓度的变化,转化为特定信号输出,在微生物细胞工厂的构建中显现出巨大的应用潜力。其主要组成部分通常包括生物识别元件和信号输出元件,前者来源于自然界中丰富的调控元... 代谢物生物传感器作为重要的合成生物学工具,能够感应细胞内代谢物浓度的变化,转化为特定信号输出,在微生物细胞工厂的构建中显现出巨大的应用潜力。其主要组成部分通常包括生物识别元件和信号输出元件,前者来源于自然界中丰富的调控元件,如转录因子、核糖开关等,有着不同的响应机理,后者可以为荧光信号、生长优势、特定代谢通路的开闭等,取决于应用所需。着重介绍了近年来代谢物生物传感器在微生物细胞工厂构建中的应用实例,主要包括目标化合物菌株的高通量筛选、选择、胞内代谢动态调控和非遗传异质性选择,同时也着重讨论了代谢物生物传感器的性能对于应用的影响和在实际应用中可能面临的机遇与挑战。 展开更多

关键词 代谢物生物传感器 响应机理 响应性能 微生物细胞工厂

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挑战造物主:合成生物学使能工具 被引量：4

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作者 史硕博 张翀 +1 位作者 成喜雨 邢新会 《合成生物学》 CSCD 2023年第1期1-4,共4页

合成生物学以工程化理念,对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成[1]。早在1957年,弗朗西斯·克里克提出的生物体“中心法则”已指出细胞的几乎所有代谢、感知、生长等活动都由基因决定,揭示了造物主的“密码本”[2]。随后,DN... 合成生物学以工程化理念,对生物体进行有目标的设计、改造乃至重新合成[1]。早在1957年,弗朗西斯·克里克提出的生物体“中心法则”已指出细胞的几乎所有代谢、感知、生长等活动都由基因决定,揭示了造物主的“密码本”[2]。随后,DNA测序技术[3]和DNA重组技术[4]等工具的建立揭示了人类改写生物体“密码本”的可能性,并在20世纪80年代提出了基于基因重组的合成生物学概念[5]。目前飞速发展的合成生物学往往需要对大量基因进行操纵,针对单个或几个基因的传统DNA重组技术已不能满足其要求,急需满足其设计能力的强大使能工具。 展开更多

关键词 中心法则 合成生物学 基因重组 DNA测序技术 DNA重组技术 克里克 工程化 生物体

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合成生物学装备:颠覆生命科技的利器

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作者 司同 邢新会 《合成生物学》 CSCD 2023年第5期853-856,共4页

工欲善其事,必先利其器。人类探索生命奥秘和应用生物技术的实践表明,生物学发展史上的颠覆性技术往往是由新的科研装备创新驱动的,同时前沿仪器装备引领生物产业的创新发展。例如,显微镜的发明为细胞学说奠定基础,X射线衍射仪的应用对... 工欲善其事,必先利其器。人类探索生命奥秘和应用生物技术的实践表明,生物学发展史上的颠覆性技术往往是由新的科研装备创新驱动的,同时前沿仪器装备引领生物产业的创新发展。例如,显微镜的发明为细胞学说奠定基础,X射线衍射仪的应用对于DNA双螺旋结构解析至关重要。据不完全统计,74.6%的诺贝尔化学奖和90%的诺贝尔生理学或医学奖成果,是借助各种先进的科学装备完成,或直接与新装备方法或功能的发展相关。与此同时,新科研装备的研发可以大幅提升生命科学领域的科研效率,为重复获得高质量数据提供标准化操作。例如,毛细管电泳测序仪的发展使得人类基因组计划提前2~3年完成[1],聚合酶链反应核酸扩增仪的出现推动了PCR这一革命性技术在基因克隆、分子诊断等领域的广泛应用[2]。 展开更多

关键词 诺贝尔生理学或医学奖 DNA双螺旋结构 人类基因组计划 聚合酶链反应 细胞学说 生物产业 诺贝尔化学奖 合成生物学

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基于极端微生物的生物制造 被引量：1

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作者 邵明威 孙思勉 +1 位作者 杨时茂 陈国强 《合成生物学》 CSCD 北大核心 2024年第6期1419-1436,共18页

以微生物或酶为基础的生物制造,正以其绿色、环保、可持续等优势逐渐替代以化石燃料为原料的传统化工生产模式。然而,传统工业生物技术存在易染菌、设备复杂、难以连续发酵等劣势。相较而言,“下一代工业生物技术”(NGIB)利用以嗜盐菌... 以微生物或酶为基础的生物制造,正以其绿色、环保、可持续等优势逐渐替代以化石燃料为原料的传统化工生产模式。然而,传统工业生物技术存在易染菌、设备复杂、难以连续发酵等劣势。相较而言,“下一代工业生物技术”(NGIB)利用以嗜盐菌、嗜热菌和嗜酸碱菌等极端微生物作为底盘细胞,使用廉价底物生产多种高附加值产品,具有开放、无需灭菌、连续发酵等优点。本文介绍了嗜盐菌、嗜热菌和嗜酸碱菌极端微生物的定义以及在高盐、高温、极度酸碱等极端环境下快速生长的特性。随后总结了目前极端微生物的基因工程手段例如启动子工程、以CRISPR为代表的基因编辑技术、命运共同体策略、稳定质粒载体等,代谢工程手段例如增加碳源前体、敲除旁路代谢、减少副产物、提高转运等,以及极端微生物生产的多种产品例如PHA、蛋白质、氨基酸及小分子衍生物等。同时概括了目前在极端微生物底盘细胞改造过程中仍存在的问题,如缺乏多种优秀的质粒载体、质粒转化效率低、缺乏高效基因编辑技术以及其他非嗜盐菌生长发酵周期较长等,并提出了相应的解决策略。最后展望了如何充分利用不同类型极端微生物的特性生产优势产品,推动下一代工业生物技术的发展与完善,实现绿色、环保、可持续的生物制造。 展开更多

关键词 极端微生物 嗜盐菌 下一代工业生物技术 生物制造 聚羟基丁酸 基因工程 代谢工程 合成生物学 无灭菌发酵 非粮生物原料

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毕赤酵母利用甲醇生产重组蛋白技术的研究进展

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作者 王媛媛 张翀 +1 位作者 韩双艳 邢新会 《化工进展》 北大核心 2025年第5期2441-2450,共10页

甲醇等一碳化合物作为生物制造的一种绿色可持续低碳原料,不存在与人争粮的问题,具有巨大的应用发展潜力。能够天然利用甲醇的毕赤酵母研究历史长,已被广泛应用于多种重组蛋白的生物制造中,成为甲醇利用性能优良的底盘细胞工厂。近年虽... 甲醇等一碳化合物作为生物制造的一种绿色可持续低碳原料,不存在与人争粮的问题,具有巨大的应用发展潜力。能够天然利用甲醇的毕赤酵母研究历史长,已被广泛应用于多种重组蛋白的生物制造中,成为甲醇利用性能优良的底盘细胞工厂。近年虽然对毕赤酵母的生理学、甲醇代谢网络、蛋白分泌表达途径及关键元件挖掘开展了大量的研究,积累了大量知识,但仍存在影响其高效应用的一系列关键问题,如甲醇及其代谢物对细胞毒性的复杂影响机制认知有限、细胞鲁棒性及甲醇利用相关的“生命暗物质”挖掘能力不足、甲醇高效转化成目标蛋白的工程化手段有限等。本文综述了国内外有关毕赤酵母生物转化甲醇合成重组蛋白的研究现状,重点总结讨论了毕赤酵母细胞工厂转化甲醇及蛋白表达优化策略,最后探讨了当前毕赤酵母生物转化甲醇生产重组蛋白过程中面临的挑战,并对其未来的生物技术创新和应用进行了展望。 展开更多

关键词 甲醇 毕赤酵母 重组蛋白 代谢工程 合成生物学

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ARTP诱变技术在食品和饲料加工生物催化剂改造中的应用进展 被引量：12

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作者 张雪 吴亦楠 +4 位作者 马飞 王立言 张翀 李和平 邢新会 《生物产业技术》 2019年第3期13-24,共12页

食品和饲料的生物催化转化和发酵技术成为保障餐桌安全及绿色发展的重要领域,其用酶量在工业酶制剂市场中占比最大,且增长最快。性能优良的酶制剂能显著缩短发酵周期,降低生产成本,提高目标产物的转化率,进而提高市场竞争力。食品和饲... 食品和饲料的生物催化转化和发酵技术成为保障餐桌安全及绿色发展的重要领域,其用酶量在工业酶制剂市场中占比最大,且增长最快。性能优良的酶制剂能显著缩短发酵周期,降低生产成本,提高目标产物的转化率,进而提高市场竞争力。食品和饲料加工产业除了应用分离提取的酶制剂外,很多发酵过程仍以微生物为细胞工厂进行多种酶催化转化。该发酵过程通常涉及复杂的代谢网络和调控机制,且很多体系不能采用基因工程技术,因此理性基因工程改造通常难以满足应用需求。诱变育种仍然是食品和饲料加工用酶及微生物菌株改造的主要手段,需要与时俱进不断发展新技术。近年发展起来的常压室温等离子体(ARTP)诱变育种技术因其具有操作简单、安全、环境友好、突变率高、突变库容大等特点,在食品和饲料加工微生物育种中得到了广泛应用,取得了良好的成效。重点介绍近年ARTP在食品与饲料加工酶制剂及发酵微生物改造中的相关应用进展。 展开更多

关键词 常压室温等离子体(ARTP) 酶制剂 食品和饲料加工 微生物发酵 诱变育种

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合成甲基营养细胞工厂同化甲醇的研究进展及未来展望 被引量：4

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作者 张卉 袁姚梦 +2 位作者 张翀 杨松 邢新会 《合成生物学》 CSCD 2021年第2期222-233,共12页

甲醇具有来源广、易储存运输、原料价格竞争力强等优势,被视为极具潜力的生物制造非糖基碳源资源。常用的模式底盘微生物研究历史长、认知清楚、操作工具多,在工程化改造中具有显著优势。近年来,通过借鉴天然甲基营养型微生物的甲醇利... 甲醇具有来源广、易储存运输、原料价格竞争力强等优势,被视为极具潜力的生物制造非糖基碳源资源。常用的模式底盘微生物研究历史长、认知清楚、操作工具多,在工程化改造中具有显著优势。近年来,通过借鉴天然甲基营养型微生物的甲醇利用途径对模式底盘进行改造,获得具备高效利用甲醇能力的合成甲基营养细胞工厂的研究日益受到关注。本文系统综述合成甲基营养细胞工厂的甲醇氧化、同化基因及其调控元件,和以共用糖基碳源结合适应性进化策略为主的核酮糖单磷酸途径重构及甲醇同化途径设计构建的研究现状,进而结合合成甲基营养细胞工厂面临的挑战进行展望,提出基于全基因组靶向基因编辑技术结合实验室适应性进化策略构建更高效合成甲基营养细胞工厂的研究方向。 展开更多

关键词 甲醇 合成甲基营养细胞工厂 生物元件 核酮糖单磷酸途径 实验室适应性进化

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微生物细胞工厂的智能设计进展 被引量：7

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作者 张震 曾雪城 +1 位作者 秦磊 李春 《化工学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第12期6093-6108,共16页

在细胞工厂构建中设计-构建-测试-学习(design-build-test-learn,DBTL)循环是开发微生物细胞工厂的基本研究思路,其中设计环节尤为重要,然而传统的微生物细胞工厂设计方法主要依靠经验、费时费力、准确率低,影响了微生物细胞工厂的开发... 在细胞工厂构建中设计-构建-测试-学习(design-build-test-learn,DBTL)循环是开发微生物细胞工厂的基本研究思路,其中设计环节尤为重要,然而传统的微生物细胞工厂设计方法主要依靠经验、费时费力、准确率低,影响了微生物细胞工厂的开发效率。当前,规模越发庞大的生物数据库和人工智能技术推动了微生物细胞工厂智能设计的快速发展,提升了在生物合成途径设计、调控元件设计和全局优化设计等方面的设计效率与应用。本文综述了微生物细胞工厂中途径预测、元件设计和途径与元件的组合三个环节中的智能设计工具,微生物细胞工厂智能设计的飞速发展将对生物制造领域产生变革性的影响。 展开更多

关键词 生物制造 微生物细胞工厂 智能设计 生物逆合成 调控元件设计

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ARTP生物育种技术与装备研发及其产业化发展 被引量：30

11

作者 吴亦楠 邢新会 +2 位作者 张翀 李和平 王立言 《生物产业技术》 2017年第1期37-45,共9页

安全高效的微生物诱变和高通量筛选技术与装备是生物技术科研及产业发展的核心,具有重要的研究价值和广泛的应用前景。笔者研究团队成功将基于大气压射频辉光放电的常压室温等离子体(ARTP)应用于生物诱变育种领域,对其与生物大分子、细... 安全高效的微生物诱变和高通量筛选技术与装备是生物技术科研及产业发展的核心,具有重要的研究价值和广泛的应用前景。笔者研究团队成功将基于大气压射频辉光放电的常压室温等离子体(ARTP)应用于生物诱变育种领域,对其与生物大分子、细胞之间的作用机理进行了系统研究,并研发了具有自主知识产权的ARTP生物育种仪。因操作安全简便、突变快、突变率高、获得的突变体性状稳定等特点,ARTP育种仪已成功应用于百种以上微生物的诱变育种,在行业引起了广泛关注,并实现了的国际出口。综述了ARTP生物育种技术的原理、装备研发现状及其近年来的研究和应用进展,并对其今后的发展趋势进行了展望。 展开更多

关键词 ARTP 筛选 生物育种 诱变

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微生物细胞工厂的设计构建:从诱变育种到全基因组定制化创制 被引量：11

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作者 袁姚梦 邢新会 张翀 《合成生物学》 2020年第6期656-673,共18页

微生物细胞工厂(microbial cell factories,MCFs)被广泛用于生产丰富多样的化学品、食品、药品和能源,是绿色生物制造的核心环节。早期主要通过天然微生物的筛选和诱变育种的方式获得高产菌种,然而作为一种“以时间(人力)换水平”的非... 微生物细胞工厂(microbial cell factories,MCFs)被广泛用于生产丰富多样的化学品、食品、药品和能源,是绿色生物制造的核心环节。早期主要通过天然微生物的筛选和诱变育种的方式获得高产菌种,然而作为一种“以时间(人力)换水平”的非理性策略,其创制效率极低。随着分子生物学和基因工程研究方法的不断发展,对微生物系统认知和改造能力的进步促使代谢工程学科诞生。基于生物学知识的理性/半理性代谢工程设计和构建策略,目前已发展了从分子、途径到基因组层次不同的MCFs设计和工程化构建策略。本文结合实际案例对MCFs的设计及构建策略进行综述,首先回顾传统诱变育种和代谢工程指导的理性/半理性设计策略,探讨如何突破代谢工程经典框架的限制,实现全基因组水平定制化MCFs的快速构建,最后对这一新的构建范式的未来进行展望。 展开更多

关键词 生物制造 微生物细胞工厂 代谢工程 基因型-表型关联 数据驱动

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大气压冷等离子体与水溶液作用过程的数值模拟研究进展 被引量：2

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作者 常海波 张雪 +3 位作者 张晓菲 张翀 李和平 邢新会 《化工进展》 EI CAS CSCD 北大核心 2016年第7期1929-1941,共13页

作为一种新型高效多样的化学反应场,近年来大气压冷等离子体(cold atmospheric plasma,CAP)在生物、医学、环保、材料等领域的研究和应用日益广泛。由于这些领域的应用大多涉及以水溶液为介质的反应体系,因此,深入认识和理解CAP与水溶... 作为一种新型高效多样的化学反应场,近年来大气压冷等离子体(cold atmospheric plasma,CAP)在生物、医学、环保、材料等领域的研究和应用日益广泛。由于这些领域的应用大多涉及以水溶液为介质的反应体系,因此,深入认识和理解CAP与水溶液的相互作用机制具有重要的理论意义和实用价值。然而CAP与水溶液的反应过程高度复杂,现有实验检测手段难以全面揭示其作用机制,而近年计算模拟在CAP领域的研究获得了长足发展,并成为研究CAP与溶液相互作用机制的重要手段之一。本文重点综述了近几年流体力学模拟和分子动力学模拟在CAP与水溶液相互作用机制研究中的应用。在流体力学模拟方面,本文详细介绍了近几年发展的二维模型、一维模型和Global模型的特点以及这些模型在介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)和等离子体射流与水溶液相互作用研究中的应用,以揭示等离子体作用于水溶液后的反应过程;在分子动力学模拟方面,本文详细介绍了将基于反应性力场(reactive force field)的分子动力学模拟用于含氧活性粒子(reactive oxygen species,ROS)与水溶液中生物分子相互作用机制研究中的应用。在此基础上,本文进一步分析和比较了流体力学模型和分子动力学模拟的特点,并展望了在CAP与水溶液相互作用机制研究中亟待解决的问题和未来这一领域研究工作的发展方向。 展开更多

关键词 大气压冷等离子体 水溶液 流体力学模拟 分子动力学模拟 突变

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黄嘌呤氧化酶的研究进展及其发展前景 被引量：13

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作者 王成华 邢新会 《广西科学》 CAS 2017年第1期15-24,共10页

本文综述了黄嘌呤氧化酶(XOD)的研究进展及其发展前景。首先总结了XOD的基因、蛋白结构、催化机制和生物合成机制,其次介绍了与XOD催化相关的嘌呤代谢途径及其生理病理作用和相关的疾病,再次综述了目前已有商品化XOD及其生产现状和存在... 本文综述了黄嘌呤氧化酶(XOD)的研究进展及其发展前景。首先总结了XOD的基因、蛋白结构、催化机制和生物合成机制,其次介绍了与XOD催化相关的嘌呤代谢途径及其生理病理作用和相关的疾病,再次综述了目前已有商品化XOD及其生产现状和存在的问题,然后概述了XOD的应用进展和发展前景,最后探讨了XOD基础和应用研究存在的问题并提出发展建议。 展开更多

关键词 黄嘌呤氧化酶 酶生物合成及其调控 辅助装配 代谢途径 低嘌呤食品 检测试剂盒 细胞工厂

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聚羟基脂肪酸酯在组织工程中的应用 被引量：3

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作者 陈国强 刘心怡 刘絮 《同济大学学报（自然科学版）》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第11期1657-1662,共6页

聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoate,PHA)是一系列由微生物合成的天然高分子材料,目前已发现有超过150种组成单体不相同的PHA聚合物。由于最常见也是研究最广泛的PHA——聚3‒羟基丁酸(PHB)具有优良的生物相容性和生物可降解性,且其降... 聚羟基脂肪酸酯(polyhydroxyalkanoate,PHA)是一系列由微生物合成的天然高分子材料,目前已发现有超过150种组成单体不相同的PHA聚合物。由于最常见也是研究最广泛的PHA——聚3‒羟基丁酸(PHB)具有优良的生物相容性和生物可降解性,且其降解产物3‒羟基丁酸(3HB)对多种疾病具有潜在的治疗功能,PHA相关材料在组织修复与再生领域得到广泛的关注。介绍了不同单体组成的PHA在修复骨缺损、愈合皮肤伤口、重建神经和递送药物等不同组织工程领域的应用,总结了对应的材料制备方法及组织修复机制,为后续PHA的生物医疗应用提供新的思路。 展开更多

关键词 聚羟基脂肪酸酯 组织工程 生物材料 药物载体

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