2018, Vol. 31
2. 上海交通大学化学化工学院, 上海 200240
3. 石油化工新材料协同创新中心, 安徽 安庆 246011
2. School of Chemistry and Chemical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
3. Collaborative Innovation Center for Petrochemical New Materials, Anqing 246011, Anhui, China
随着现代医疗水平的逐渐提高，生物医学材料在人体内得到越来越广泛的应用，诸如生物传感器、人工关节、生物芯片、隐形眼镜和靶向药物载体等。然而，这些材料在使用过程中，往往会发生非特异性蛋白吸附，造成体内细胞在生物材料表面的吸附、铺展、增殖以至死亡，导致该材料失效[1]。另外，海洋中的微生物、贝壳以及藻类等在材料表面的黏附、增殖和堆积，同样也给船舶和海洋设施带来巨大的损害[2]。因此，无论在生物医学领域，还是在海洋防污领域，研发并制备表面具有抗蛋白以及微生物吸附性能的材料就显得尤为重要[3]。
聚乙二醇(PEG)[4-5]和寡聚乙二醇(OEG)是现阶段应用比较广泛的抗蛋白材料，该类材料通过氢键与水分子结合可形成防污水化层。但是，PEG和OEG的主链很容易发生氧化分解且链节单元的侧链缺乏活性基团，使其应用受到了极大限制。两性离子聚合物作为一种新兴的抗蛋白以及微生物黏附的功能性材料受到极大的关注，该类聚合物通过离子基团的溶剂化作用与水分子进行结合能形成防生物污染的水化层[6]。两性离子聚合物均匀分布着等量的阳离子基团和阴离子基团[7]，由于阳离子基团与阴离子基团种类繁多，故该类聚合物有着更大的分子设计空间，且有望取代PEG成为新的抗菌/防污材料[8]。
但是，两性离子聚合物极易吸水溶胀，使该类聚合物材料的力学性能很差，故通常将其化学接枝到特定基材表面，从而达到赋予基材特殊的抗菌/防污性的目的，材料的力学性能则由基材本身决定[9-10]。Jiang等[11]将羧酸盐甜菜碱型两性离子单体(CBAA)通过原子转移自由基聚合(ATRP)接枝到硅片表面，将其置于模拟人体血液中，该功能性硅片表面对非特异性蛋白的吸附量小于5 ng/cm2。Liu等[12]将磺酸盐甜菜碱型两性离子单体(SBMA)通过ATRP接枝到纤维素膜表面，改性后的纤维素膜具有一定的防污特性。但是，将侧链含有酯键或者酰胺键的两性离子聚合物接枝到基材表面存在着3个问题：(1)基材表面的疏水性得不到较好的改善，在一些低表面能基材表面接枝两性离子聚合物后，接触角大大减小，表面能增大；(2)基材的选择因用途而异，大大增加了生产成本和材料损耗；(3)基材表面接枝的两性离子聚合物会发生水解, 使功能性基团诸如阴离子基团和阳离子基团剥落[13]，导致基材表面的抗菌/防污性失效。上述问题严重限制了该类两性离子聚合物在防污涂层和抗菌薄膜领域的应用。因此，设计出一种化学结构稳定、具有较好力学性能、表面亲水性适中的两性离子聚合物薄膜材料就显得尤为重要。聚4-乙烯基吡啶P(4-VP)有着如下优势：(1) P(4-VP)侧链的活性吡啶环易于与季铵化试剂反应得到两性离子聚合物；(2) P(4-VP)具有优异的抗菌性和良好的疏水性；(3)基于P(4-VP)的两性离子聚合物侧链不含易水解的酯键或者酰胺键。因此，基于P(4-VP)的两性离子聚合物也就成了抗菌/防污薄膜的首选。
本文以甲基丙烯酸二甲氨乙酯(DMAEMA)与4-VP为单体通过自由基共聚得到P(4-VP-co-DMAEMA)，采用丙磺酸内酯对该共聚物进行离子化可控修饰，获得了力学性能较好、亲水性适中、化学结构稳定、抗菌/防污性优异的两性离子共聚物改性薄膜P(4-VPPS-co-DMAPS)，为两性离子共聚物在抗菌/防污领域做了一些探索性的基础研究。
1 实验部分 1.1 原料与试剂4-VP、1, 3-丙磺酸内酯、2, 2-偶氮二异丁腈(AIBN)、DMAEMA：分析纯，阿拉丁试剂有限公司；乙醇、琼脂粉：化学纯，国药集团化学试剂有限公司；正己烷、氯化钠：化学纯，上海泰坦科技股份有限公司；蛋白胨、酵母粉：分析纯，安琪酵母股份有限公司。
1.2 P(4-VP-co-DMAEMA)的制备称取一定计量比的4-VP和DMAEMA倒入聚合瓶中，溶剂为乙醇，体系中两种单体的总质量分数控制在25%左右，引发剂AIBN占单体总质量的0.1%。对聚合瓶反复通氩气、抽真空，除去溶液中的氧气，反应温度控制在60 ℃左右，充分反应6 h得到黏稠微黄色透明液体。用正己烷对反应产物进行充分沉降，除去未反应的单体，得到白色产物，保存待用。投料比(χ(4-VP))为0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7的共聚物依次标记为：P(4-VP-co-DMAEMA)-1, P(4-VP-co-DMAEMA)-2, P(4-VP-co-DMAEMA)-3, P(4-VP-co-DMAEMA)-4, P(4-VP-co-DMAEMA)-5, P(4-VP-co-DMAEMA)-6。
1.3 P(4-VPPS-co-DMAPS)的制备称取1 g的P(4-VP-co-DMAEMA)-2，置于盛有30 mL乙醇的单口烧瓶中，该共聚物中结构单元的实际物质的量之比(n4-VP/nDMAEMA)为0.44。称取一定量的丙磺酸内酯，溶解在10 mL乙醇中，利用恒压滴定漏斗以每秒10滴的速率缓慢滴加到单口烧瓶中，反应温度为60 ℃，充分反应12 h，得到乳白色溶液。将反应产物进行多次离心-洗涤，真空干燥，得到不同离子修饰度的两性离子共聚物P(4-VPPS-co-DMAPS)。通过调控丙磺酸内酯物质的量，得到季铵化修饰度分别为20%, 30%, 40%, 50%, 100%的两性离子共聚物，依次标记为：P(4-VPPS-co-DMAPS)-2/20%，P(4-VPPS-co-DMAPS)-2/30%，P(4-VPPS-co-DMAPS)-2/40%，P(4-VPPS-co-DMAPS)-2/50%，P(4-VPPS-co-DMAPS)-2/100%。其中，季铵化修饰度为100%的P(4-VPPS-co-DMAPS)-2/100%的制备过程如图 1所示。
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图 1 P(4-VPPS-co-DMAPS)-2/100%的合成路线 Fig. 1 Synthetic route of P(4-VPPS-co-DMAPS)-2/100% |
1.4 P(4-VP-co-DMAEMA)薄膜和P(4-VPPS-co-DMAPS)薄膜的制备
将P(4-VP-co-DMAEMA)溶解在乙醇中，使其质量浓度为0.025 g/mL，待充分溶解后，将其分别置于四氟乙烯板中，在室温条件下缓慢挥发乙醇，得到P(4-VP-co-DMAEMA)薄膜，控制膜厚在0.3 mm左右。用同样的方法得到P(4-VPPS-co-DMAPS)薄膜。
1.5 P(4-VPPS-co-DMAPS)膜抗菌实验取120 mg P(4-VPPS-co-DMAPS)膜，置于25 mL大肠杆菌培养液中(光密度(OD)=1.5)，在37 ℃条件下，振荡5 h。然后，取一定量的大肠杆菌菌液，将其稀释107倍，采用稀释涂布平板法，涂布于培养基表面，在37 ℃条件下培养24 h后观察活菌菌落数。
1.6 P(4-VPPS-co-DMAPS)膜防污实验分别将P(4-VPPS-co-DMAPS)和P(4-VP-co-DMAEMA)-2溶解在乙醇-水的混合溶剂中，使其质量浓度为0.025 g/mL。在载玻片表面滴加5滴左右已经配制好的上述聚合物溶液，置于室内自然挥干。最后，将大肠杆菌菌液(OD=1.5)浸润在上述载玻片表面，维持60 s左右，用去离子水冲洗载玻片，利用美蓝染色法对载玻片进行染色，用光学显微镜观察载玻片表面细菌的黏附情况。
1.7 测试与分析采用德国AVANCE500超导傅里叶变换核磁共振波谱仪对共聚物进行1H-NMR表征；采用美国Nicolet5700型傅里叶变换红外光谱仪，使用KBr压片法对样品进行官能团进行红外表征；GPC采用北京普立泰科有限公司PL-GPC50型DMF相凝胶渗透色谱仪进行表征；参照GB/T1040—92标准，利用MTS工业系统中国有限公司E43.103型电子万能试验机对薄膜进行拉伸测试；采用德国200 PC型差示扫描量热分析进行DSC测定；薄膜的热重曲线采用德国STA409PC型综合热分析仪测定；采用杭州格图科技有限公司BM-18双目生物显微镜对大肠杆菌在薄膜表面的黏附情况进行观察；采用活菌平板计数法研究薄膜对大肠杆菌的致死率。
2 结果与讨论 2.1 P(4-VP-co-DMAEMA)和P(4-VPPS-co-DMAPS)的结构分析 2.2.1 P(4-VP-co-DMAEMA)-2无规共聚物的FT-IR及1H-NMR分析图 2(a)为P(4-VP-co-DMAEMA)-2的1H-NMR谱，其中a峰(δ=8.5)和b峰(δ=7)的出现，证明了吡啶环基团的存在；f峰(δ=2.2)也表明了无规共聚物中叔胺基团的存在。图 2(b)的红外光谱图中，P(4-VP-co-DMAEMA)-2在1 731 cm-1处出现了羰基强吸收峰(PDMAEMA均聚物也有该羰基峰)，在1 598 cm-1处出现了吡啶环特征吸收峰(P(4-VP)均聚物也有该吡啶环特征峰)，表明P(4-VP-co-DMAEMA)-2无规共聚物已被成功合成。
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图 2 P(4-VP-co-DMAEMA)-2的1H-NMR谱图(a)和FT-IR谱图(b) Fig. 2 1H-NMR spectrum (a) and FT-IR spectra (b) of P(4-VP-co-DMAEMA)-2 |
2.2.2 P(4-VP-co-DMAEMA)-2的GPC分析
P(4-VP-co-DMAEMA)-2共聚物的GPC曲线见图 3。该无规共聚物的数均分子量在9.0×104左右，PDI=1.35。其GPC曲线呈现单峰，没有多重峰，表明P(4-VP-co-DMAEMA)-2确实得以成功制备，且体系中不含P(4-VP)和PDMAEMA均聚物。
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图 3 P(4-VP-co-DMAEMA)-2的GPC曲线 Fig. 3 GPC curve of P(4-VP-co-DMAEMA)-2 |
2.2.3 P(4-VPPS-co-DMAPS)-2/100%的红外分析
图 4是P(4-VP-co-DMAEMA)-2和P(4-VPPS-co-DMAPS)-2/100%的红外谱图。由图可见，当丙磺酸内酯对P(4-VP-co-DMAEMA)-2进行完全离子化修饰后，P(4-VPPS-co-DMAPS)-2/100%两性离子共聚物在1 589 cm-1处的吡啶特征峰完全消失，在1 644 cm-1处出现了新的季铵盐特征峰，且在1 033 cm-1处产生了新的磺酸根特征吸收峰，表明P(4-VPPS-co-DMAPS)-2/100%得以成功制备。
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图 4 P(4-VP-co-DMAEMA)-2和P(4-VPPS-co-DMAPS)-2/100%的红外谱图 Fig. 4 FT-IR spectra of P(4-VP-co-DMAEMA)-2 and P(4-VPPS-co-DMAPS)-2/100% |
2.2 P(4-VP-co-DMAEMA)膜的拉伸性能
图 5是P(4-VP-co-DMAEMA)共聚物薄膜的应力-应变曲线。表 1为共聚物中的n4-VP/nDMAEMA。由图 5可知，4种共聚物薄膜的断裂伸长率均可以达到300%左右；随着4-VP结构单元的增加，共聚物薄膜的力学强度有所上升。这是因为4-VP内含刚性吡啶环，当共聚物中刚性结构单元含量增加时，共聚物薄膜的力学强度也随之增加。由图 5可知，P(4-VP-co-DMAEMA)-2薄膜的断裂伸长率最大，韧性最好，且兼具一定的力学强度。
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图 5 P(4-VP-co-DMAEMA)薄膜的应力-应变曲线 Fig. 5 σ -ε curves of P(4-VP-co-DMAEMA) films |
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表 1 投料比与P(4-VP-co-DMAEMA)共聚物中结构单元的实际比 Table 1 Compositions of feed and P(4-VP-co-DMAEMA) copolymer |
2.3 P(4-VPPS-co-DMAPS)-2膜的拉伸性能
图 6为P(4-VPPS-co-DMAPS)-2薄膜的拉伸曲线。研究表明，随着P(4-VPPS-co-DMAPS)-2的侧链季铵化程度增加，共聚物薄膜的断裂伸长率明显下降，韧性显著降低；此外，力学强度也明显下降。考虑到两性离子共聚物薄膜的实际应用，应当合理地调控聚合物侧链季铵化修饰程度，以便制备韧性以及力学强度较好的薄膜，故P(4-VPPS-co-DMAPS)-2/20%薄膜可作为首选。
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图 6 P(4-VPPS-co-DMAPS)-2膜的应力-应变曲线 Fig. 6 σ -ε curves of P(4-VPPS-co-DMAPS)-2 films |
2.4 P(4-VPPS-co-DMAPS)-2/20%膜的热学性能
图 7为P(4-VPPS-co-DMAPS)-2/20%膜的DSC(图 7(a))和TG(图 7(b))曲线。由图 7(a)可以看出，P(4-VPPS-co-DMAPS)-2/20%薄膜在-3 ℃有较小的吸热补偿峰，对应于共聚物的玻璃化转变温度(Tg)。此外，在112 ℃左右有较强的吸热峰，对应于共聚物的熔点Tm。研究表明，P(4-VPPS-co-DMAPS)-2/20%薄膜高弹态的温度区间相对较宽，即材料的使用温度范围较宽。由图 7(b)可以看出，P(4-VPPS-co-DMAPS)-2/20%薄膜在245 ℃开始第1阶段分解，质量降低较多，可达70%，这是由于两性离子共聚物主链和侧链裂解造成的。在500 ℃左右开始第2阶段分解，主要是断裂后的短链分子进一步氧化分解造成的。根据TG数据可知，P(4-VPPS-co-DMAPS)-2/20%薄膜的热分解温度能够达到250 ℃左右，热稳定性能较好。
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图 7 P(4-VPPS-co-DMAPS)-2/20%膜的DSC (a)和TG (b)曲线 Fig. 7 DSC (a) and TG (b) curves of P(4-VPPS-co-DMAPS)-2/20% film |
2.5 P(4-VPPS-co-DMAPS)-2膜的抗菌性
图 8(a)为P(4-VPPS-co-DMAPS)-2膜以及空白对照组的抗菌图。图 8(b)表示培养基表面的大肠杆菌菌落数平均值。结果表明，随着离子化程度的增加，薄膜材料的抗菌效果增强。当离子化程度为40%时，薄膜的抗菌效果最好，几乎达到95%以上；但是，当离子化修饰程度继续增加时，其抗菌效果反而下降。这是由于对大肠杆菌起到致死作用的主要是季铵正离子[14]，该正离子可以通过强静电作用吸引表面带负电荷的大肠杆菌，破坏细菌细胞壁从而杀死细菌。离子化程度增高，薄膜中阳离子基团和阴离子基团之间的距离减小，正负离子的静电吸引增强，局部电荷中和；季铵正离子不易裸露在材料外侧，使细菌与季胺正离子接触机会降低，从而导致其抗菌效果变差。因此，可以通过改变两性离子共聚物中的离子化程度来调控薄膜的抗菌效果。
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图 8 P(4-VPPS-co-DMAPS)-2膜以及空白对照组的大肠杆菌抗菌图 Fig. 8 Antibacterial ability images of P(4-VPPS-co-DMAPS)-2 films and blank control group against E. coli |
2.6 P(4-VPPS-co-DMAPS)-2膜的防污性
图 9为P(4-VPPS-co-DMAPS)-2、P(4-VP-co-DMAEMA)-2薄膜的抗大肠杆菌黏附图。结果表明，离子化修饰程度在20%左右或者以上时，薄膜的抗细菌黏附效果良好；而未进行任何季铵化修饰的P(4-VP-co-DMAEMA)-2以及空白对照组表面都黏附了较多的大肠杆菌。这是因为两性离子聚合物中的阴离子基团(磺酸根)容易和水分子形成静电作用，在薄膜材料表面形成保护性水化层，该水化层能够有效地阻止细菌在表面的黏附[15]。由于薄膜材料的离子化程度增高，会使材料的力学性能变差且吸水性增强。因此，在确保薄膜具有优异抗菌/防污性的同时，应尽可能地降低薄膜的离子化修饰程度，故P(4-VPPS-co-DMAPS)-2/20%是综合性能较佳的功能性薄膜。
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图 9 P(4-VPPS-co-DMAPS)-2，P(4-VP-co-DMAEMA)-2膜以及空白对照组的抗细菌黏附图 Fig. 9 E. coli adhesion of P(4-VPPS-co-DMAPS)-2 films, P(4-VP-co-DMAEMA)-2 film and the blank control group |
3 结论
(1) 将4-VP与DMAEMA进行自由基共聚，得到共聚物P(4-VP-co-DMAEMA)。当共聚物中结构单元n4-VP/nDMAEMA=4.4/5.6时，P(4-VP-co-DMAEMA)-2薄膜的韧性最好，且兼具一定的强度。
(2) 通过对P(4-VP-co-DMAEMA)-2进行1, 3-丙磺酸内酯的离子化修饰，能够得到具有优异抗菌/防污性的两性离子共聚物薄膜。当离子化修饰程度为20%时，P(4-VPPS-co-DMAPS)-2/20%薄膜的力学强度最好、热稳定性良好、使用温度范围较宽，且具有优异的抗菌/防污特性。
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