综述：基于酶的途径来制备可生物降解的功能性聚酯

本文综述了酶催化环开聚合制备功能化可降解聚酯的最新进展，讨论了单羟基、多羟基及宏观引发剂在调控聚合物拓扑结构、降解行为及性能方面的作用，并展望了其在生物医药、材料科学等领域的应用前景。

　　

张宇|蔡雅|刘一环|李曦|胡欣|郭凯|朱宁

南京工业大学生物技术与制药工程学院，材料导向化学工程国家重点实验室，江苏南京，211800，中国

摘要

酶法工艺已被证明是合成高附加值化学品和聚合物材料的强大且可持续的平台。功能性生物可降解聚酯通常通过在引发剂存在下进行开环聚合（ROP）来制备。引发剂的功能性与聚合物主链的可降解性的结合赋予了其优异的性能和广泛的应用前景。在合成基于引发剂的功能性生物可降解聚酯的过程中，由于酶法的环保和可持续性特点，环状单体的酶法开环聚合引起了越来越多的研究兴趣。在过去的几十年中，研究人员研究了多种单羟基和多羟基引发剂以及大分子引发剂，通过脂肪酶催化生成了末端基团终止的、嵌段状的和非线性的生物可降解聚酯。本综述重点介绍了基于酶法的合成功能性生物可降解聚酯的进展、挑战和机遇，希望这对聚合物化学和可持续材料的发展有所帮助。

引言

在可持续发展的背景下，酶法工艺已被证明是合成高附加值化学品[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]和聚合物材料[9]、[10]、[11]的强大工具。与化学催化剂相比，酶作为绿色催化剂[12]、[13]具有许多优势，如高效率[14]、[15]、高选择性[14]、[16]、温和的反应条件[17]、无毒性[15]、[18]以及环保性[19]。在六大类酶中，氧化还原酶[18]、[20]、[21]、[22]、[23]、转移酶[18]、[20]、[23]、[24]和水解酶[18]、[20]、[23]、[25]、[26]已被证实可以通过多种机制（包括但不限于开环聚合[18]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、自由基聚合[18]、[23]、[33]、[34]、[35]、[36]、缩聚[18]、[37]、[38]、[39]、[40]和氧化聚合[18]、[41]、[42]、[43]）用于聚合反应。通过酶法已成功制备了聚酯[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]、聚氨基酸[10]、[11]、多糖[51]、[52]、[53]、[54]、蛋白质[55]、[56]、[57]、聚酰胺[55]、[56]、[58]和多酚[59]、[60]等，这些材料在生物医学[61]、[62]、[63]、[64]、包装[61]、[65]、3D打印[66]、化妆品[67]、[68]、电子[69]、农业[61]和水处理[70]、[71]等领域有广泛的应用。酶法聚合为化学工程和材料科学提供了巨大的机遇。

生物可降解聚合物因能解决塑料污染问题并满足特定需求[72]、[73]、[74]而受到越来越多的关注。作为一类重要的生物可降解聚合物，脂肪族聚酯（如聚乳酸）因其优异的生物相容性[75]、[76]、[77]、[78]、加工性能[79]、[80]、[81]以及单体-聚合物-单体循环回收性[83]、[84]而受到广泛研究。聚酯通常是部分结晶的疏水性聚合物，主要通过酯键的水解进行降解[85]、[86]。对于非酶促水解，聚酯遵循整体侵蚀机制，其特征是在质量损失之前分子量显著下降[85]、[86]、[87]；而酶促降解则遵循表面侵蚀机制，其特征是线性质量损失，同时核心分子量保持稳定[85]、[87]、[88]、[89]。在垃圾填埋场和堆肥系统等复杂环境中，降解机制变得非常复杂且依赖于具体条件[87]、[90]。结晶性和疏水性都会阻碍水分渗透，从而导致降解速率缓慢[85]、[86]、[87]。为了调节降解行为，通过改变亲水-疏水平衡、结晶性和空间位阻，人们开发了引入亲水末端基团或嵌段的方法[85]、[88]。

环状单体的开环聚合（ROP）是制备脂肪族聚酯的主要合成方法[31]、[91]、[92]、[93]、[94]、[95]。生物催化的ROP遵循“活化单体”机制（图1A）[29]、[30]、[86]、[96]、[97]：脂肪酶的亲核羟基攻击内酯的羰基碳，形成酶活化的单体（EM）。在引发步骤中，水或醇（R-OH）攻击EM的酰基碳，生成ω-羟基羧酸或ω-羟基酯，并释放出游离的脂肪酶。然后在传播阶段，末端羟基反复攻击EM，使聚合度从n增加到n+1[29]、[30]、[98]、[99]、[100]。这种机制不仅使得酶法ROP在温和条件下成为一种绿色工艺，而且对反应基团的耐受性也比金属[29]、[30]、[97]和有机催化剂[29]、[101]更强。已有报道表明多种脂肪酶可以介导ROP，包括南极假丝酵母（Candida antarctica）脂肪酶B（CALB）[102]、[103]、[104]、荧光假单胞菌（Pseudomonas fluorescens）的Amano脂肪酶[105]、[106]、假单胞菌属（Pseudomonas species）的脂肪酶（AK/PF）[104]、[107]以及铜绿假单胞菌（Pseudomonas cepacia）的脂肪酶（PC）[107]。

在含有羟基的化合物作为引发剂的情况下，酶促聚合可以生成末端基团终止的、嵌段状的和非线性的生物可降解聚酯，这些聚酯结合了引发剂的特性和聚合物主链的可调节降解性[86]、[108]、[109]、[110]、[111]、[112]、[113]。本综述重点介绍了基于酶法的合成功能性生物可降解聚酯的进展、挑战和机遇，讨论了单羟基和多羟基引发剂以及大分子引发剂如何利用各种脂肪酶作为催化剂将目标功能性和结构引入聚合物中。综述还强调了酶促聚合的动力学、分子量、分散度（D）、化学和拓扑结构、性能及应用。鉴于生物催化过程中4-6元和≥8元内酯的实例有限，选择了ε-己内酯（ε-CL）及其衍生物作为模型单体（图1B），以突出引发剂和脂肪酶的作用。据我们所知，这是第一篇专注于生物催化合成基于引发剂的功能性生物可降解聚酯的综述，希望它能对聚合物合成和可持续发展提供指导。

节选内容

含有惰性基团的单羟基引发剂

单羟基引发剂能够高效且可控地催化ε-CL的开环聚合，从而精确调节聚合动力学、分子量、分散度（D）和末端基团的官能化。结构简单且含有惰性基团（如甲基或芳基衍生物）的引发剂可以避免副反应干扰，便于准确量化脂肪酶的催化效率和链引发及传播的速率常数，因此是一个理想的模型系统

在单羟基大分子引发剂存在下通过酶法合成嵌段状生物可降解聚酯

使用单羟基大分子引发剂进行ε-CL的酶促开环聚合可以高效构建结构精确的嵌段共聚物。这种策略可以调节聚合物的性能，包括亲水性、结晶性、可降解性和机械强度，从而制备出先进的功能性材料（表4）。Kaplan等人研究了N435催化的ε-CL开环聚合的机制和局限性，使用了甲基聚乙二醇（mPEG，Mn=2000 g/mol，D=1.02）（方案4，I55）。

化学选择性引发

尽管存在多个羟基，但由于活性位点的空间位阻，脂肪酶优先激活初级羟基。然而，这种区域选择性并非绝对；空间位阻较小的次级羟基也可能进入催化口袋引发反应（表5）。

采用多羟基糖类引发剂的酶促开环聚合策略具有区域选择性。脂肪酶专门针对初级羟基进行反应

在多羟基大分子引发剂存在下通过酶法合成非线性生物可降解聚酯

多羟基大分子引发剂（表7），包括线性聚合物、星形聚合物和多糖衍生物，为构建具有复杂拓扑结构和集成功能的先进聚酯材料提供了方法。这是通过这些大分子引发剂上丰富的羟基来引发ε-CL的酶促开环聚合实现的。

基于线性聚醚的大分子引发剂，如PEG和Pluronic（EPE），作为两亲嵌段中的亲水段

通过酶法合成取代ε-CL

取代基团在ε-CL环上的大小和位置显著影响酶促开环聚合的动力学（表8）。脂肪酶的高对映选择性使得PCL的对映体富集成为可能，凸显了这些聚合物作为药物中间体的潜力[241]。因此，取代ε-CL的酶促开环聚合值得特别关注。Palmans和Meijer等人报道了一种化学-酶联策略，用于合成对映体富集的嵌段共聚物P((S

结论与展望

酶法工艺已被发展为合成高附加值化学品和聚合物材料的可持续平台。作为一类重要的聚合物材料，生物可降解聚合物因其优异的性能和广泛的应用而受到更多关注。在过去的几十年中，通过酶法开环聚合（ROP）合成生物可降解聚合物已经实现了独特的优势，如环保工艺和温和的反应条件

缩写

A
来自黑曲霉的脂肪酶
γ-AcCL
γ-乙酰氧基-ε-己内酯
γ-丙烯酰氧基-ε-己内酯

ADH

醇脱氢酶

AgNP

银纳米颗粒

AIBN

2,2′-偶氮二(2-甲基丙腈)

AIE

聚集诱导发光

AK/PF

来自假单胞菌属的脂肪酶

APB

炔基聚(天冬氨酸)苯酯

ATRP

原子转移自由基聚合

BnOH

苯甲醇

bpy

2,2′-联吡啶

BR

批次反应器

BSP

枯草芽孢杆菌碱性蛋白酶

BVMO

Baeyer-Villiger单加氧酶

γ-BzCL:

γ-苯甲酰氧基-ε-己内酯

CA/CALB

假丝酵母

CRediT作者贡献声明

张宇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。蔡雅：撰写 – 审稿与编辑。刘一环：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念构思。李曦：撰写 – 审稿与编辑，监督，概念构思。胡欣：撰写 – 审稿与编辑，监督，资金获取，概念构思。郭凯：撰写 – 审稿与编辑。朱宁：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，资金获取，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：22278223、22478188、22278205）的支持。