防污抗菌材料的設(shè)計合成與應(yīng)用研究進展

劉家威，陳 姣，王含含，韓 霞*，劉洪來

（華東理工大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院，上海 200237）

在生物醫(yī)用材料領(lǐng)域，生物污損（如由非特異性蛋白質(zhì)吸附、細(xì)菌粘附和隨后的定植導(dǎo)致的生物膜形成等）是一個普遍存在的問題[1-3]。現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)中，醫(yī)療器械是必不可少的組件，然而，它們可能會被來自醫(yī)護工作人員和患者的飛沫、空氣或身體的細(xì)菌所污染，這些細(xì)菌可以在這些器械表面存活、繁殖并在表面定居，最終可能醫(yī)療器械的使用而導(dǎo)致的感染，給患者帶來重大的經(jīng)濟損失甚至危及生命安全[4]。美國每年由于治療醫(yī)療器械引發(fā)感染的費用接近270億美元[5]。

為了提高材料表面的抗菌性能，人們進行了深入的研究。目前，有2種常見的方法可以實現(xiàn)材料表面的抗菌性[6]。一種是使用生物相容性聚合物作為防污涂料來防止細(xì)菌粘附的“被動防御”方法，例如利用聚乙二醇（PEG）、聚丙烯酰胺、聚(N-乙烯基吡咯烷酮)、聚惡唑啉和兩性離子聚合物等對材料表面改性[7-12]。該方法的缺陷是細(xì)菌一旦粘附，這種涂層表面無法殺死細(xì)菌或抑制細(xì)菌的繁殖[13]；此外，細(xì)菌與底物結(jié)合后會改變涂料的表面構(gòu)型，產(chǎn)生細(xì)胞外聚合物質(zhì)基質(zhì)并迅速形成生物膜，這些生物膜很難被消除，還會使細(xì)菌免受傳統(tǒng)抗菌劑的侵害并引起頑固的感染[14-16]。另一種是利用殺菌劑或藥物來主動殺死細(xì)菌的“主動攻擊”方法，例如利用銀離子、金納米顆粒、陽離子聚合物、抗菌肽和抗生素等復(fù)合于材料中或材料表面[17-22]；但這種方法的缺點是材料的生物相容性差，而且可能會導(dǎo)致細(xì)菌的耐藥性[23]。

近年來，綜合考慮2種方法，將被動防污和主動殺菌結(jié)合起來是一種新穎而又有前途的制備策略，將2種互補機制的優(yōu)勢結(jié)合起來不僅可有效防止細(xì)菌在表面粘附又可防止細(xì)菌的定殖，從而實現(xiàn)防污抗菌的雙重效果。

1 防污表面與殺菌物質(zhì)的結(jié)合

1.1 PEG與殺菌物質(zhì)的結(jié)合

PEG 毒性低、親水性和良好的生物相容性在生物材料領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，引起了人們對防污涂料發(fā)展的極大興趣[24-25]。PEG通過表面水合和空間排斥作用產(chǎn)生防污性能，也是目前與殺菌物質(zhì)結(jié)合應(yīng)用最廣的防污材料之一?？股氐倪^量使用不僅會使細(xì)菌產(chǎn)生耐藥性導(dǎo)致超級細(xì)菌的出現(xiàn)，還會對土壤或水體環(huán)境造成污染[26]。因此，現(xiàn)在抗菌的研究與設(shè)計都集中在材料表面。目前與PEG 結(jié)合常用的殺菌物質(zhì)有銀納米顆粒（AgNPs）、金納米顆粒（AuNPs）、氧化鋅（ZnO）和季銨類化合物（QACs）等。常用方法有紫外光引發(fā)聚合、表面引發(fā)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ST-ATRP）、沉積法、近紅外誘導(dǎo)（NIR）等。

紫外光引發(fā)聚合是一種比較新穎的聚合技術(shù)，優(yōu)點是能加快分子鍵的斷裂并促進聚合反應(yīng)，節(jié)省反應(yīng)時間且提高了單體轉(zhuǎn)化率；無需加熱，常溫下反應(yīng)即可完成；反應(yīng)過程容易控制、易操作，反應(yīng)速率和反應(yīng)程度由光源的強弱控制；引發(fā)劑用量少，成本低[27]。

LI 等基于一鍋法，以具有殺菌性能的聚乙二醇甲基丙烯酸酯（PEGMA）改性的ZnO（ZnOPEGMA）和具有防污性能的4-疊氮基苯甲酸瓊脂糖（AG-N3）為基礎(chǔ)在紫外線照射下制備了互穿聚合物網(wǎng)絡(luò)（IPN）結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合水凝膠，該水凝膠具有優(yōu)異的機械性能、防污和抗菌性能[28]。NOTTELET 等通過紫外光插入將含芳基疊氮化物的防污PEG 和殺菌季銨化的聚丙烯酸二甲基氨基乙基酯（PQDMAEMA）聚合物共價接枝到聚醚醚酮（PEEK）上，可防止PEEK 植入物上的細(xì)菌粘附，而在體外不表現(xiàn)出細(xì)胞毒性[29]。

銀納米顆粒（Ag NPs）已被廣泛用于開發(fā)抗菌材料，它們對多種細(xì)菌具有優(yōu)異的殺菌能力[30]。Ag NPs與細(xì)菌接觸可以釋放Ag+，破壞細(xì)胞膜的滲透性和呼吸功能并且攻擊DNA 的復(fù)制過程，導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)泄漏甚至細(xì)胞死亡[31]。將Ag NPs 直接分布到聚合物基質(zhì)中會導(dǎo)致Ag NPs 的聚集、抗菌活性的喪失還可能影響聚合物的加工參數(shù)；直接在材料表面物理涂覆Ag NPs，雖然可以提高抗菌性能，但在早期Ag NPs 容易釋放到溶液中，導(dǎo)致對人體細(xì)胞的毒性和抗菌性能的不持久性[32]。尋找一種可靠的方法將Ag NPs 與防污材料完美的結(jié)合起來是很有必要的。

YIN等通過紫外線引發(fā)接枝反應(yīng)，將具有抗菌功能的防污PEG 接枝到TPU 納米纖維上，然后在超聲輔助下將Ag NPs 作為殺菌成分牢固地錨定在TPU-g-PEG 納米纖維上，表現(xiàn)出更好的防污和抗菌雙重性能[32]。ZHAO 等以防污PEGMA 和Ag+錨定劑甲基丙烯酸（MAA）為原料，一步交聯(lián)制備了納米凝膠，然后將聚醚砜（PES）添加到PEGMAMAA 納米凝膠溶液中，澆鑄獲得防污復(fù)合膜；該復(fù)合膜具有優(yōu)異的血液相容性和超低的血栓形成潛力，對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌均表現(xiàn)出顯著的抑制和殺傷能力[33]。

此外，YIN 等利用生物啟發(fā)的多巴胺（DA）化學(xué)優(yōu)勢，制造了集成防污PEG 組件和活性殺菌聚（N-乙烯基吡咯烷酮）-碘（PVP-I）組件的功能化聚丙烯（PP）無紡布。這種無紡布表現(xiàn)出顯著的細(xì)菌粘附抑制和有效的殺菌能力，而且可以極大地抵抗血小板和紅細(xì)胞的粘附[34]。

XU等基于SI-ATRP和聚氨酯（PU）表面的席夫堿反應(yīng)，將具有殺菌性能的聚[2-(二甲基癸基銨)乙基甲基丙烯酸]（PQDMAEMA）和PEG 整合在一起，開發(fā)了一種自適應(yīng)抗菌表面PU-PQ-PEG。在正常和輕微感染條件下，該表面對蛋白質(zhì)和細(xì)菌顯示出優(yōu)異的防污性和生物相容性；發(fā)生嚴(yán)重感染并且細(xì)菌在PU-PQ-PEG 表面上定居時，細(xì)菌會觸發(fā)表面的自適應(yīng)防污-殺菌轉(zhuǎn)換機制[35]。XU課題組還以金納米棒（Au NRs）和PEG 組成的NIR響應(yīng)型有機、無機雜化涂層為基礎(chǔ)，制備了具有防污和光熱殺菌性能的功能化PU-Au-PEG，用于疝氣修復(fù)[36]。

1.2 兩性離子與殺菌物質(zhì)的結(jié)合

兩性離子聚合物是一類整體呈電中性，在同一單體側(cè)鏈上同時含有陰、陽離子基團的聚電解質(zhì)[37-38]。兩性離子聚合物由于靜電相互作用和氫鍵結(jié)合而具有顯著的水合作用能力，可以結(jié)合水分子在材料表面形成一層致密的水化層[39-40]。根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點，兩性離子聚合物可以按照陰、陽離子基團的類型進行分類。陽離子基團類型主要有4種：季銨鹽陽離子、季鏻鹽陽離子、吡啶鎓離子和咪唑鎓離子[41-44]；陰離子基團類型主要有3 種：磺酸根負(fù)離子、羧酸根負(fù)離子和磷酸根負(fù)離子[45-47]。其中，應(yīng)用最為廣泛的磺酸甜菜堿（SB）、羧酸甜菜堿（CB）和磷酰膽堿（PC）通常是由季銨鹽陽離子與不同類型的陰離子組合得到的，他們的結(jié)構(gòu)式為[48]：

PEG 材料的穩(wěn)定性相對較差，在生物體環(huán)境中容易被氧化[49]。兩性離子聚合物由于水合層的形成和親水性基團的空間位阻效應(yīng)可以阻止蛋白質(zhì)吸附、細(xì)胞粘附和細(xì)菌粘附，具有明顯的生物相容性[50]和優(yōu)異的防污性。兩性離子聚合物作為一種有前途的防污材料是PEG 的理想替代物。然而，經(jīng)兩性離子聚合物改性后，材料無法抑制細(xì)菌的生長并阻止細(xì)菌粘附在材料表面上[51]。這就需要引入一些殺菌物質(zhì)，包括Ag NPs、殼聚糖（CS）和季銨類化合物（QACs）等。

QACs由一種含氮化合物，其中N通過共價鍵連接4 個不同的基團。由通式N+R1R2R3R4X-表示，其中R可以是氫原子、普通烷基或被其他官能團取代的烷基，X 代表陰離子[52]。通常含8～18 個碳原子的長鏈Q(jìng)ACs 具有良好的殺菌活性。QACs 通過攜帶的正電荷和細(xì)菌膜上的負(fù)電荷發(fā)生靜電相互作用來破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜，隨后QACs的疏水尾整合到細(xì)菌疏水膜核心，使結(jié)構(gòu)蛋白和酶變性[52]。QACs 制備簡便、分子結(jié)構(gòu)的靈活、抗菌壽命持續(xù)、無系統(tǒng)性副作用而且產(chǎn)生抗藥性的可能性低[53]。

CHEN等將具有異氰酸酯基的兩性離子磺丙酸基甜菜堿（ISB） 和具有異氰酸酯基的季銨鹽（IQAS）采用協(xié)同“驅(qū)殺”的方法制備具有防污殺菌活性的棉織物表面，親水性、抗菌性和防污性都有很大提高[54]。CHEN等將均含有異氰酸酯基的季銨鹽（IQAS） 和兩性離子磺基丙基甜菜堿（ISB）通過共價鍵成功地結(jié)合到PVA 納米纖維的表面上，從而制備出具有低細(xì)胞毒性的殺菌和防污PVA納米纖維[55]。

CS是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中研究最廣泛的聚合物，是一種由β-1,4-連接的D-氨基葡萄糖和N-乙?；?D-氨基葡萄糖合成的線性聚陽離子雜多糖共聚物[52]。擁有良好的生物相容性和生物降解性、無毒性以及抗微生物活性和低免疫原性[56]。

KANG 等將聚甲基丙烯酸磺基甜菜堿（PSBMA）和殺菌聚合物N-[(2-羥基-3-三甲基銨)丙基]殼聚糖氯化物（HTCC） 集成在一起，得到了HTCC-b-PSBMA 涂層[57]。YIN 等通過CS 伯胺與陽離子羧基甜菜堿酯共聚物的氮雜內(nèi)酯部分之間的“點擊”型界面反應(yīng)將其共價固定在CS 非織造表面上，具有可切換的殺菌和防污功能[58]。

除此之外，ZHAO 等通過席夫堿的逐層組裝（LbL）制備了兩性離子聚合物聚乙烯亞胺（PEI）和甲基丙烯酸磺基甜菜堿（SBMA）復(fù)合防污膜，隨后在表面上原位生成Ag NPs，從而實現(xiàn)了該表面優(yōu)異的抗蛋白質(zhì)吸附和細(xì)菌粘附的能力[59]。

LEE 等通過將具有殺菌腰果酚基團的甲基丙烯酸2-羥基-3-二氨基戊基丙基酯（HCPM）和甲基丙烯酸二甲氨基乙酯（DMAEMA）的自由基聚合得到聚(DMAEMA-co-HCPM)（PDH），然后用1,3-丙磺酸內(nèi)酯化合成了共聚物（PSH），具有優(yōu)異的殺菌和防污性能（THF為四氫呋喃，AIBN為偶氮二異丁腈）[60]：

JIANG等利用SI-ATRP將磺基甜菜堿甲基丙烯酸酯（SBMA）和氯化[2-(丙烯?；?酰氧基)乙基]三甲基銨（DAC）的共聚物刷接枝到纖維素膜表面上，改善了透明纖維素膜的防污和抗菌性能[61]。ZHAO等通過直接縮聚反應(yīng)和溫和條件季銨化反應(yīng)，將具有2個叔胺基的新型雙酚單體合成了新型兩性離子聚芳基醚惡二唑（Z-PAEO）膜材料，其具有優(yōu)異和持久的防污性能以及抗菌性能[62]。TIRAFERRI 等利用基于Ag 的金屬有機框架（MOFs） 與羧基（COO-）和含硫（SO3-）的兩性離子相結(jié)合，通過表面功能化開發(fā)了新型的防污/防生物污垢的薄膜復(fù)合材料（TFC）[63]。

1.3 其他方法

除了上述的基于PEG 和兩性離子的防污聚合物改性，研究人員也提出了其他不同的策略。CHEN 等[64]通過表面引發(fā)可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移（RAFT）聚合，將熱響應(yīng)性N-異丙基丙烯酰胺（NIPAAm）和殺菌季銨鹽（2-(二甲胺基)-甲基丙烯酸乙酯（DMAEMA+））結(jié)合起來，構(gòu)了建可逆切換的溫度響應(yīng)殺菌防污P（DMAEMA+-co-NIPAAm）共聚物涂層。

BROOKS 等基于貽貝啟發(fā)的化學(xué)方法，利用聚多巴胺（PDA）膜和防污N,N-二甲基丙烯酰胺（PDMA）組件組成的雙層涂層為血小板存儲袋材料提供了防污特性，可大大減少纖維蛋白原、細(xì)菌和血小板的污損結(jié)合[65]。DING 等通過電紡二氧化硅納米纖維和功能性Si－O－Si 鍵合網(wǎng)絡(luò)的組合，開發(fā)了具有仿生和超彈性骨架結(jié)構(gòu)的二氧化硅納米纖維氣凝膠（SNA），具有可再生的殺菌和防污性能[66]。ZHANG 等通過在金表面構(gòu)建帶有S6-冠[3]-芳烴[3]噠嗪（S6-CAP）和NpAAS 的宿主-客體復(fù)合物，制備了擁有防污和殺菌活性的超分子轉(zhuǎn)換表面[67]。YANG等利用相變牛血清白蛋白（PTB）的一步水性超分子組裝，固定ε-聚賴氨酸（εPL）并形成多功能涂層（PTB@εPL），其具有廣譜抗菌和抗常見病原菌生物膜形成的功能[68]。

2 仿生結(jié)構(gòu)實現(xiàn)防污和抗菌

雖然PEG 和兩性離子聚合物等由于水合作用而具有出色的抗污性能，但是PEG 涂層表面羥基易被氧化，兩性離子表面在復(fù)雜環(huán)境中可能會失效，這均限制了它們的長期應(yīng)用性能[69]。經(jīng)過長期的自然仿生研究人們發(fā)現(xiàn)，表面潤濕性的調(diào)控是實現(xiàn)表面防污的另一種策略，而自然生物在演變過程中已然成為了這方面的“高手”。荷葉由于其分級微納米結(jié)構(gòu)而具有超疏水特性，其微納米結(jié)構(gòu)的空間中會形成穩(wěn)定的氣墊，從而擁有極高的水靜態(tài)接觸角（CA）和超低滾動角（RA），導(dǎo)致水滴和材料表面之間的接觸顯著減小，達(dá)到防止污損生物的粘附[70]。

不僅是荷葉，壁虎皮膚、蜻蜓、飛虱和蟬的翅膀等也擁有類似的微納米結(jié)構(gòu)[71-74]。這些微納米結(jié)構(gòu)不僅使表面具有超強疏水性，而且對諸如革蘭氏陰性菌、革蘭氏陽性菌、大腸桿菌以及金黃色葡萄球菌都具有良好的殺菌性能[69,75]。研究發(fā)現(xiàn)，這些微納米結(jié)構(gòu)對細(xì)菌的失活是由其高長徑比的密集組裝的納米管對細(xì)胞的機械破裂引起的，納米管拉伸了細(xì)胞膜，而不是通過其尖銳的尖端刺穿細(xì)胞膜，最終導(dǎo)致附著細(xì)菌的死亡[76]。

基于這些啟發(fā)，迄今為止人們開發(fā)了一些具有微納米結(jié)構(gòu)表面的防污抗菌材料。REN 等開發(fā)了一種具有納米柱、納米環(huán)和納米塊結(jié)構(gòu)的金納米顆?？咕砻鎇75]。CRAWFORD 等通過簡單的反應(yīng)離子束刻蝕技術(shù)合成了表面上具有高長徑比的納米突起的黑硅，從而實現(xiàn)表面的抗菌性[77]。REN等通過等離子刻蝕和低溫水熱反應(yīng)相結(jié)合的方法，成功開發(fā)了具有超高接觸角和極低滾動角的仿荷葉表面，其顯示出更先進的協(xié)同抗菌性能，具有長期的細(xì)菌超疏水性、有效和持久的機械殺菌活性[76]。GAO 等通過貽貝啟發(fā)的自組裝方法在316L 鋼表面上制備了含有Ag NPs 的抗菌超疏水膜，具有由聚多巴胺（PDA）和Ag NPs 構(gòu)建的分級微/納米結(jié)構(gòu)，顯示出明顯增強的抗菌活性[78]。

3 總結(jié)與展望

早期人們對防污材料或防污涂層的研究僅停留在防止污損物在表面的粘附，對細(xì)菌定植采取的策略是簡單的使用抗生素進行殺菌。隨著人們對生物污損更深入的了解以及越來越多的防污材料和抗菌物質(zhì)的發(fā)現(xiàn)，防污抗菌材料的制備取得了良好的進展，為降低材料表面的生物污損和細(xì)菌粘附帶來的并發(fā)癥提供了更多思路。

對防污抗菌材料的未來發(fā)展，可以從以下幾個方面考慮：1）這些材料的多功能化以及提高材料的使用耐久性；2）向完全無毒化發(fā)展，提升其生物相容性和環(huán)境友好性；3）制備條件的溫和化和制備方式簡略化，使其易于工業(yè)化并降低生產(chǎn)成本。