聚羟基脂肪酸酯（PHA）是一类由微生物合成的天然高分子聚合物。它具有诸多优良特性，如生物相容性和可降解性好、降解周期宽、机械强度可调，在自然环境及人体内能逐步分解为无害物质；具有多样化的力学性能，通过调整分子结构可以使其具备不同的强度、柔韧性等，以满足各种应用场景的需求。这些特性使PHA在生物基材料领域占据着举足轻重的地位，成为实现绿色可持续发展的理想材料之一。在自然界的神奇画布上，PHA材料以其至少150种结构各异的单体，带来了超过100亿种组合方式。
从实验室到产业化：PHA研究已历百年
PHA的生产主要依靠微生物发酵过程。微构工场采用中国自主研发的嗜盐菌作为底盘，通过数字化技术控制发酵条件，如温度、pH值、溶氧量等，促使微生物大量繁殖并合成PHA；随着发酵的进行，PHA在微生物细胞内逐渐积累，形成颗粒状结构；待发酵完成后，采用分离提取技术，如离心、沉淀等方法，从微生物细胞中获取纯净的PHA。PHA的整个生产过程绿色、环保，无需依赖石油化工原料，符合可持续发展的要求。
PHA的研究可以追溯到20世纪40年代，当时人们首次发现了其在微生物体内以颗粒形式存在。然而，由于早期技术手段有限，对其深入研究和应用开发进展较为缓慢。近几十年来，随着生物技术、材料科学等领域的飞速发展，PHA的研究逐渐受到广泛关注，科研人员在微生物发酵生产、材料性能改性、应用拓展等方面取得了众多突破性成果。
通过连续三十年的PHA研究，清华大学陈国强教授团队成功开发了第四代PHA——聚（3-羟基丁酸-co-4-羟基丁酸）（P34HB），这一创新不仅提高了材料的性能，还拓展了其在生物医学和环境领域的应用潜力。此外，陈教授的团队还推动了开放式无灭菌发酵体系的创新，这种生产方式降低了生产成本，提高了生产效率。这些成果得到了国际同行的高度认可，陈教授因此获得了著名的国际代谢工程奖（IMES Award）和国际生物聚合物大会工业奖（ISBP Industry Award），这不仅是对其个人科研工作的肯定，也是对整个PHA产业化的极大鼓舞。微构工场即转化自陈国强教授最新研究成果，于2021年在北京成立。图1为微构工场开放式发酵产线。
PHA的应用范围十分广泛，涵盖了医疗创新和生活方式创新等多个领域。在医疗领域，它可用于组织工程、药物缓释、植入材料等方面，为人类健康提供保障；在纸包装领域，全生物基可降解的特性使其成为传统塑料包装的理想替代品，有助于减少环境污染，推动包装行业的绿色转型。
从组织工程到载药微球：PHA开启医疗创新更多可能
基于PHA生物材料优异的生物相容性、生物可降解性和柔韧性，通过生物工程技术、化学改性和物理加工，可以将其加工成高附加值的医用材料，有望在未来的临床应用中发挥重要作用。
在骨组织工程中，PHA展现出巨大潜力。例如，聚羟基丁酸酯（PHB）与纳米羟基磷灰石共混制备的复合支架，不仅具有高度互连的多孔结构和较高孔隙率，还有利于成纤维细胞、内皮细胞和上皮细胞的生长与繁殖，为新骨组织的形成提供了良好的支撑环境。此外，聚羟基丁酸酯-羟基己酸酯共聚物（PHBHHx）相较于PHB和聚羟基丁酸酯-羟基戊酸酯共聚物（PHBV），具有更优越的机械性能和弹性，能够更好地模拟天然骨组织的力学特性，在骨重建领域具有广阔的应用前景。
在皮肤修复方面，PHA材料同样表现出色。研究人员利用溶剂浇铸和静电纺丝技术制备的P34HB膜及无纺布静电纺膜作为伤口敷料，其生物降解性能确保敷料在伤口愈合过程中缓慢降解，同时保持一定的机械强度。而且，P34HB静电纺丝膜更有利于干细胞的增殖和向成纤维细胞分化，促进伤口愈合、血管形成和再生。此外，通过湿法诱导相分离技术开发的孔隙可调节的不对称PHA纤维支架，展现出优异的抗菌性能，能够有效抑制皮肤组织修复中的感染问题。
对于神经组织损伤后的再生难题，PHA基生物材料提供了新的解决方案。例如，通过固/液相分离方法制造的PHB支架，能够在体外促进细胞附着并分化到神经细胞，为神经再生医学研究带来了新的希望。
PHA材料的生物降解性和生物相容性也使其成为理想的药物载体。通过将其加工成微米/纳米级颗粒，如纳米微球、纤维和微胶囊等，可以将药物包裹在内部或吸附于表面。同时，在颗粒表面耦联特异性靶向分子，如配体、单克隆抗体等，能够实现精准的靶向药物治疗。例如，PHBV纳米粒可提高抗癌药物玫瑰树碱的治疗效果，增强其对癌症细胞系的抑制活性；PHB纳米载体在传递和控制抗癌药物多西紫杉醇释放方面，相较于传统材料PLGA，展现出更高的载药效率和更缓慢的释放速率，具有更好的治疗潜力。
微构工场在PHA医疗领域积极布局并取得了显著进展。微构工场构建的PHAmily?誖库中，提供了多种医疗应用场景的医疗级原料需求，实现了PHA的高值应用。微构工场与川宁生物合资的微宁生物在新疆伊犁建设医用级PHA原料产线，投产后将实现大规模医疗级PHA原料的生产。同时，作为入围工信部生物医用材料创新任务揭榜挂帅的企业，微构工场开发了基于PHA的多种加工成型技术，如微球、3D打印、静电纺丝和熔融纺丝等，并与北大口腔、北医三院、中国医学科学院整形外科医院等机构开展合作，发掘PHA在口腔修复膜、乳房软组织加固补片、医美微球等领域的应用潜力，为实现可吸收医疗器械商业化奠定基础，有望打破中国可吸收医疗器械生物医用材料长期依赖进口的局面，提升国产器械市场竞争力。图2为微构工场正在联合开发的PHA微球。
PHA：开启包装行业绿色新时代
PHA材料在纸包装领域的应用，更是一场环保革命与产业升级的生动实践。它以独特的功能和价值，正在重塑整个包装行业的发展方向。
作为一种全生物基可降解材料，PHA在纸包装中的应用突破了传统材料的局限，实现了环保性能的显著升级。当与纸基材料复合后，PHA能在工业堆肥、土壤、淡水甚至海洋环境中完全降解为二氧化碳和水，解决了传统纸塑复合材料中PE淋膜难以降解的痛点。PHA不仅能满足工业堆肥需求，还能实现家庭堆肥和海洋降解，满足更多环保需求。
在功能性方面，PHA为纸包装带来了卓越的阻隔性能，不仅防水、防油、耐高温，还能承受95℃高温液体，同时保持纸基的可回收性。与传统PE淋膜纸杯相比，PHA淋膜制品无微塑料残留；与PLA淋膜纸杯相比，它能解决高温运输时容易粘连的问题。此外，PHA表面光滑自然，避免了传统材料的蜡质感。随着全球“禁塑令”的推进，PHA纸包装因原料来源于生物质发酵、碳排放低，成为合规的替代方案，契合“双碳”目标下的产业链转型需求，尤其是PHA水性涂层加工，更是被誉为绿色包装的终极解决方案。
在应用领域，PHA纸包装已经广泛融入食品接触类包装，包括直接接触的纸杯、纸碗，以及间接接触的纸袋、封口膜等。例如，恒鑫生活量产的PHA淋膜纸杯（见图3）已经通过欧盟及中国食品接触安全认证，而微构工场为亿滋测试的饼干包装则采用海洋降解淋膜复合制成。此外，高端礼品包装也在尝试利用PHA的光泽度与可印刷性，将其应用于化妆品礼盒、酒类包装，兼顾环保与品牌调性。
2025年是PHA纸包装产业化和规模化发展的关键节点。微构工场通过四步PHA战略，实现了更高的淋膜速率，同时降低了淋膜克重，并且使其材料适应性达到了与传统PE淋膜设备兼容的水平。产品矩阵不断扩展，从单一纸杯向耐高温的淋膜吸管、注塑餐具等多元化产品延伸，均通过工业化验证。借助嗜盐菌开放式发酵技术和产能释放，PHA的成本也在逐步降低，微构工场的愿景是让PHA产品走进千家万户。
在产业链合作中，微构工场与化工巨头索理思建立战略合作，共同推进PHA水性乳液在海外市场的开发。同时，微构工场与金光APP、都佰城、恒鑫生活四方联合开发机内涂布PHA纸塑包装，目标是替代5%传统食品包装，年减排二氧化碳达50万吨。
随着技术的成熟和政策红利的释放，PHA材料在纸包装领域有望成为千亿级环保包装市场的核心驱动力。微构工场致力于成为PHA行业的引领者，推动包装行业从“线性消耗”向“循环再生”跨越，为全球可持续发展提供“中国方案”。
市场广阔，政策助力：PHA迎来发展新机遇
PHA作为一种全新的生物材料，其在全球市场的前景十分广阔。随着全球对环境保护和可持续发展的关注度不断提高，以及各国政策对可降解材料的支持力度不断加大，PHA市场正迎来快速发展的机遇期。
据恒州博智（QYR）的统计及预测，2024年全球PHA市场销售额达到2.06亿美元，预计2031年将达到4.01亿美元，2025—2031年复合增长率为10.1%。此外，Research Nester预计到2037年PHA市场规模将达到3.5642亿美元，2023—2037年期间的复合年增长率为10.12%。而Mordor Intelligence的报告则显示，2024年PHA市场规模预计为39.70千吨，预计到2029年将达到114.14千吨，2024—2029年期间的复合年增长率为23.52%。
从应用领域来看，在医疗领域，随着人口老龄化趋势加剧和慢性病患者数量增加，对安全有效的可降解医疗器械和耗材的需求日益增长，预计未来五年内全球医疗领域对PHA的需求将以年均20%的速度增长。在包装领域，根据Grand View Research的预测，全球生物降解塑料市场规模预计2025年将达56亿美元，年复合增长率超10%，而PHA作为一种重要的生物降解塑料，在包装领域的应用将不断拓展。此外，PHA在农业、纺织品、化妆品、电子电器等领域的应用也在不断探索和拓展中。
政策支持是推动PHA全球市场发展的重要动力。欧盟2012年启动并通过欧洲生物经济战略，2018年通过修订后的欧盟废弃包装条例，鼓励成员国支持在包装生产中使用生物基材料，并且计划到2030年将30%的石化衍生化学品被生物基和可生物降解替代品取代。美国2000年颁布《生物质研发法案》，2005年颁布《能源政策法》，均提出鼓励生物能源发展的政策措施。日本2019年发布《塑料资源循环战略》，以实现一次性塑料减排，提高生物基塑料实用性。2024年，我国工信部联合生态环境部、应急管理部、国家标准化管理委员会印发了《标准提升引领原材料工业优化升级行动方案（2025—2027年）》，明确将生物基材料（包括PHA）列为关键战略材料，要求加快绿色低碳标准建设，推进生物基材料等新型绿色产品的标准制修订。
总体而言，PHA凭借显著的性能优势和广阔的运用前景，已成为生物材料领域备受瞩目的明星。站在全球视角，随着科研探索的深入推进、政策扶持的不断加码，以及社会环保意识的持续高涨，PHA的市场需求正呈现出井喷式增长态势。它正以蓬勃之势突破传统材料的局限，在包装、医疗等关键产业引发革新，助力这些领域迈向绿色、可持续的转型之路。
展望未来，PHA将在全球舞台上绽放更耀眼的光芒，以强大的生命力和适应力，深度融入人类生活的方方面面，成为守护地球生态、推动经济与环境和谐共生的关键力量。