基于聚維酮碘改性的抗菌復合材料的研究進展

潘倩文 ，李惠靜 ，2，吳彥超

(1.哈爾濱工業(yè)大學(威海)海洋科學與技術學院，山東威海 264209； 2.威海惠安康生物科技有限公司，山東威海 264200)

近年來，抗菌高分子材料已被廣泛應用于生物醫(yī)學[1]、包裝材料[2-3]、涂料[4]、空調過濾器[5]、凈水器[6]等領域。截至目前，獲得抗菌高分子材料的主要方法就是通過在高分子材料中摻雜和吸附一些抗菌劑和殺菌劑，如：季銨鹽類[7–9]、酚類[10]、鹵素衍生物類[11]、重金屬[12]等。但此類方法添加的活性抗菌物質毒性較高，安全性較差，殺菌效率低?？咕钚晕镔|會快速從材料中釋放到環(huán)境，導致抗菌作用快速失效。一般，抗菌高分子材料的滅活機理分為兩種，一是釋放活性物質[13]，二是接觸滅活[14]。而接觸滅活類材料表面通常易結垢，一段時間后會阻礙細菌與活性物質接觸，從而使該材料的抗菌性能失效。為解決上述問題，研究工作者嘗試開發(fā)了基于聚維酮碘(PVP–I)改性的抗菌高分子復合材料。主要通過以下幾種方法：(1)接枝共聚；(2)制成聚納米顆粒；(3)利用靜電紡絲技術制備成納米纖維；(4)包埋或摻雜。

1 PVP–I

1．1 PVP–I 及其消毒殺菌機理

PVP–I，屬于非離子型碘伏，是眾所周知的消毒殺菌藥物。它是聚乙烯吡咯烷酮(PVP)與碘(I2)的絡合產物，固相時為紅棕色無定形粉末，其具有良好的化學穩(wěn)定性、低毒性、高滅菌活性、適用范圍廣等優(yōu)點。消毒殺菌機理主要是通過緩慢釋放出游離碘，利用游離碘的超強氧化性來使細菌、病毒內的蛋白質變性失活，從而達到殺菌消毒的目的[15]。目前PVP–I 仍主要應用于醫(yī)用消毒。通過改性可以將PVP–I應用于其他聚合物中，這進一步擴大了PVP–I 的應用范圍。

1．2 PVP–I 絡合機理

藥典中提出PVP–I 結構，見圖1 所示[16]。而液相中PVP–I 的結構則備受爭議，1979 年 Schenck 研究小組提出，圖2 中所示[17]是目前普遍接受的結構。而2017 年，M. J.Goodwin 研究小組[18]證明了1979 年提出PVP–I 的分子內的氫鍵幾何結構是不正確的，產生氫鍵的吡咯烷酮基團不一定是鄰位的。PVP–I 的結構可以更好地表示為圖3 所示，其中不同的聚合物鏈通過氫鍵成對地鍵合在一起或形成交聯網絡。

圖1 中國藥典中PVP–I 結構

圖2 Hansuwe Schenck 研究小組提出的PVP–I 的結構

圖3 Jonathan W.Steed 研究小組提出的PVP–I 的結構

2 基于PVP–I 改性抗菌高分子復合材料研究方法及應用

2．1 通過接枝共聚N–乙烯基吡咯烷酮(NVP)的抗菌高分子

接枝共聚技術是基于PVP–I 改性抗菌高分子材料的主要手段。N–乙烯基吡咯烷酮(NVP)可以很容易地接枝到聚合物基材上，然后再與碘發(fā)生絡合反應[19]，與PVP 與碘絡合機制一樣。NVP 也可以通過與其他化合物進行不同比例的共聚得到帶有NVP 片段的共聚物，然后再與碘絡合[20]。因此，可以得到一種用表面固定PVP–I 復合物的新型的抗菌材料。

聚合物基材表面接枝NVP，再與碘絡合。早在2005 年，Xing C M等[19]開發(fā)了一種通光接枝固定NVP于聚丙烯(PP)薄膜表面上，再與碘絡合的方法，形成了一種新的碘絡合物作為新型表面抗菌材料。通過大腸桿菌(革蘭氏陰性菌)、金黃色葡萄球菌(革蘭氏陽性菌)和白色念珠菌(真菌)對PVP–I 復合物表面固定化改性薄膜進行抗菌活性檢查。經實驗表明，隨著三種微生物活細胞與改性薄膜接觸時間的增加，該類改性薄膜對微生物的滅活率可達99.999%。孫玉鳳等[21]研究了利用熔噴PP 無紡布表面接枝NVP 再與碘絡合，獲得具有抗菌性能的新材料。

M. H. Gutierrez-Villarreal 研究小組[22]使用二苯甲酮作為引發(fā)劑將NVP 光引發(fā)接枝到聚乳酸(PLA)薄膜上，將天然疏水性的PLA薄膜改性為具有所需潤濕性的親水性薄膜，同時使其獲得與碘絡合的能力，以形成一種新的抗菌高分子薄膜，見圖4 所示。此類抗菌復合材料會同時具有基礎聚合物基材廉價、易得、易成型等各種優(yōu)良特性和PVP–I 高效、光譜殺菌性的優(yōu)點。因此，有望在醫(yī)用材料及殺菌消毒日用品等領域有廣闊的應用前景。

圖4 表面接枝PVP–I 制備聚丙烯復合膜[22]

單體小分子與NVP 共混聚合制得相應的共聚物，然后再與碘進行絡合得到具有抗菌防污性能的共聚物。Q.Borjihan 研究小組[20]，以不同的進料比的甲基丙烯酸六氟丁酯單體(HFBMA)和NVP 合成一系列不同聚合度的聚(甲基丙烯酸六氟丁酯–共–乙烯基–2–吡咯烷酮)，即P(HFBMA–NVP)，以獲得水不溶性和防污共聚物，然后通過共聚物中的NVP 片段使之與碘絡合，得到具有抗菌防污性能的共聚物P(HFBMA–NVP)–I。此類材料可以很好地應用于醫(yī)學防污，如無菌手術衣、防護服、醫(yī)用無菌玻片等。

此外，還有通過其他接枝手段[23]制得的基于PVP–I 改性的高分子復合材料。PVP 根據其分子量的不同有不同的應用，且PVP 具有很好的親水性和生物相容性。所以，通過表面接枝PVP 的高分子材料獲得了一定的親水性和生物相容性，利用這一點可以將該類抗菌材料擴展應用到生物醫(yī)學裝置上。這極大地解決了由細菌污染引起的生物材料相關感染及隨后在表面形成生物膜而導致抗菌效果下降等醫(yī)療衛(wèi)生問題。

2．2 基于 PVP–I 的聚合物納米粒子

由于PVP–I 具有較高的水溶性，導致其在一些潮濕的環(huán)境中用作添加劑時，出現耐久性差，抗菌活性降低等問題。因此，使用不溶于水的抗菌材料進行消毒是一種新型的殺菌消毒技術[24]。為了解決這類問題，研究人員提出了通過提高PVP–I 的疏水性來增強其抗菌活性，延緩其失效時間。近年來，隨著納米技術在開發(fā)抗菌聚合物復合材料中的應用，研究人員通過精確控制聚合物的納米結構形態(tài)(如：形狀和大小)來提高其疏水性和抗菌活性。

將NVP 與其他單體小分子共聚制成納米顆粒再與碘絡合制備具有抗菌特性的納米顆粒。Gao Tianyi 等[25]為了提高PVP–I 作為強抗菌劑的疏水性和抗菌穩(wěn)定性，通過與納米技術優(yōu)勢相關的兩步法成功獲得疏水性PVP–I 納米粒子。先通過調節(jié)NVP 與MMA(甲基丙烯酸甲酯)的進料比以及反應條件來控制聚(N–乙烯基–2–吡咯烷酮–共–甲基丙烯酸甲酯)納米顆粒即P(NVP–MMA)NP 的合成。然后，使產物P(NVP–MMA)NPs 與碘進行絡合反應，從而形成疏水性抗菌物質，PVP–I NPs。結果表明，當碘被附載絡合到P(NVP–MMA)NPs 上時，以大腸桿菌和金黃色葡萄球菌為細菌模型，新型PVP–I NPs 顯示出了強大的抗微生物特性。因此，PVP–I NPs 作為抗菌添加劑在染料和涂料領域有很好的應用前景，未來還有可能在其他領域有更好應用。

將PVP–I 制成納米顆粒再摻雜在其他聚合物納米顆粒中，V. Pawar 等[26]通過向附載有PVP–I(PI)的海藻酸鹽凝膠(Alg)中摻雜殼聚糖納米顆粒(CNP)來獲得高穩(wěn)定性和高抗菌活性的CNPs-PI–Alg 凝膠。此類材料可以作為預防和治療骨科植入物相關感染的有效材料，以及一些燒傷感染治療的基材。

2．3 通過靜電紡絲技術將PVP–I 制備成納米纖維

靜電紡絲作為一種生產聚合物纖維的技術近年來已被廣泛應用。由于靜電紡絲具有高比表面積、高孔隙率和高通透性等獨特性質，使其有潛力適合各種各樣的應用，如：創(chuàng)面敷料[27]、納米載藥[28]、組織工程[29]等。

王慶等[30]通過高壓靜電紡絲機將PVP–I 溶液直接制備成 PVP–I 納米纖維，見圖5 所示。

圖5 靜電紡絲制備示意圖

經實驗篩選證明當PVP 質量濃度為40%時，PVP–I 可通過靜電紡絲技術制成PVP–I 納米纖維。M. Ignatova 等[31]研究開發(fā)了兩種基于PVP 和聚環(huán)氧乙烷(PEO)制備相應抗菌納米纖維的方法：(1)先通過靜電紡絲技術制備PVP 和PEO／PVP 混合溶液的納米纖維，再與碘絡合得到相應的抗菌納米纖維；(2)直接將準備好的 PVP–I 和 PEO／PVP–I 混合溶液通過靜電紡絲技術制備成納米纖維。經抗菌活性實驗表明此類納米纖維有望作為新型的生物活性創(chuàng)面敷料，未來在醫(yī)療器械行業(yè)會有很好的應用。

2．4 將PVP–I 作為抗菌添加劑包埋或摻雜在其它聚合物內

在高分子材料中摻雜或吸附一些活性抗菌物質也是得到抗菌高分子復合材料的主要方法?；诳缮锝到饩酆衔?如聚氨酯類、聚二甲基硅氧烷類)的生物醫(yī)學裝置容易遭受細菌污染。細菌生物膜可以在大部分生物聚合物的表面生長，甚至一些細菌有時候會發(fā)生滲透包裹在聚合物材料內產生強大的抗性，變得比循環(huán)細菌更難消除。

2011 年，D. A. P. K. Mukesh[32]通過可逆膨脹過程在聚合物(聚氨酯)表面區(qū)域物理地包埋改性物質(PVP–I)而產生新的改性高分子復合材料。聚氨酯由于本身具有很好的機械穩(wěn)定性、生物相容性、易于加工成型、成本低廉以及優(yōu)良的力學性能等優(yōu)點，使得其在生物醫(yī)學領域有著廣泛的應用[33]。通過包埋PVP–I 后又增加了其抗菌性，使得改性的聚氨酯復合材料在生物醫(yī)學領域有了更好的應用前景。

2018 年，E. L. Papadopoulou 等[34]開發(fā)了一種在聚二甲基硅氧烷(PDMS)與淀粉組成的生物彈性體基質中添加PVP–I 獲得的抗菌復合材料。由于PVP–I 屬于親水性化合物，導致其難以均勻地分散在疏水性PDMS 基質中。為了實現PVP–I 在PDMS 中的分散，以淀粉顆粒作為增容劑來產生穩(wěn)定均勻的抗菌復合材料。此類抗菌復合材料通過調整材料中PVP–I 濃度，可以使藥物釋放持續(xù)時間達到一個月以上。PDMS 是生物醫(yī)學應用中廣泛使用的材料之一。所以此類新抗菌復合材料在生物醫(yī)學領域有很好的應用，特別是在需要實現長期抗菌的情況下。

3 結語

近年來有機高分子材料飛速發(fā)展，具有抗菌性的高分子新材料憑借其在醫(yī)療衛(wèi)生、包裝材料、涂料等領域的廣泛應用，成為研究人員的關注熱點。而PVP–I 作為日常生活中常見的殺菌劑，具有廣譜高效、安全低毒、廉價易得等優(yōu)點，在傳染病控制、醫(yī)院感染控制、食品衛(wèi)生、環(huán)境衛(wèi)生和飲用水衛(wèi)生、農業(yè)、漁業(yè)、畜牧業(yè)等領域都有較好的應用?；赑VP–I 改性的高分子材料亦可獲得很好的殺菌消毒效果?；赑VP–I 改性高分子材料有效地提升了材料的抗菌性能，同時具有安全、高效、持續(xù)性強等優(yōu)良特性。因此研究開發(fā)出更多的PVP–I 改性的抗菌高分子復合材料，不僅有廣闊的應用前景，也有助于推動其他科學領域的研究和發(fā)展。