潘倩文 ，李惠靜 ，2，吳彥超

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東威海 264209； 2.威?；莅部瞪锟萍加邢薰?，山東威海 264200)

近年來，抗菌高分子材料已被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)[1]、包裝材料[2-3]、涂料[4]、空調(diào)過濾器[5]、凈水器[6]等領(lǐng)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(zhì)毒性較高，安全性較差，殺菌效率低。抗菌活性物質(zhì)會(huì)快速從材料中釋放到環(huán)境，導(dǎo)致抗菌作用快速失效。一般，抗菌高分子材料的滅活機(jī)理分為兩種，一是釋放活性物質(zhì)[13]，二是接觸滅活[14]。而接觸滅活類材料表面通常易結(jié)垢，一段時(shí)間后會(huì)阻礙細(xì)菌與活性物質(zhì)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(fù)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(shù)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(jī)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(luò)合產(chǎn)物，固相時(shí)為紅棕色無定形粉末，其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、低毒性、高滅菌活性、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。消毒殺菌機(jī)理主要是通過緩慢釋放出游離碘，利用游離碘的超強(qiáng)氧化性來使細(xì)菌、病毒內(nèi)的蛋白質(zhì)變性失活，從而達(dá)到殺菌消毒的目的[15]。目前PVP–I 仍主要應(yīng)用于醫(yī)用消毒。通過改性可以將PVP–I應(yīng)用于其他聚合物中，這進(jìn)一步擴(kuò)大了PVP–I 的應(yīng)用范圍。

1．2 PVP–I 絡(luò)合機(jī)理

藥典中提出PVP–I 結(jié)構(gòu)，見圖1 所示[16]。而液相中PVP–I 的結(jié)構(gòu)則備受爭(zhēng)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(jié)構(gòu)。而2017 年，M. J.Goodwin 研究小組[18]證明了1979 年提出PVP–I 的分子內(nèi)的氫鍵幾何結(jié)構(gòu)是不正確的，產(chǎn)生氫鍵的吡咯烷酮基團(tuán)不一定是鄰位的。PVP–I 的結(jié)構(gòu)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(duì)地鍵合在一起或形成交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。

圖1 中國藥典中PVP–I 結(jié)構(gòu)

圖2 Hansuwe Schenck 研究小組提出的PVP–I 的結(jié)構(gòu)

圖3 Jonathan W.Steed 研究小組提出的PVP–I 的結(jié)構(gòu)

2 基于PVP–I 改性抗菌高分子復(fù)合材料研究方法及應(yīng)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(shù)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(luò)合反應(yīng)[19]，與PVP 與碘絡(luò)合機(jī)制一樣。NVP 也可以通過與其他化合物進(jìn)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(luò)合[20]。因此，可以得到一種用表面固定PVP–I 復(fù)合物的新型的抗菌材料。

聚合物基材表面接枝NVP，再與碘絡(luò)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(luò)合的方法，形成了一種新的碘絡(luò)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(duì)PVP–I 復(fù)合物表面固定化改性薄膜進(jìn)行抗菌活性檢查。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，隨著三種微生物活細(xì)胞與改性薄膜接觸時(shí)間的增加，該類改性薄膜對(duì)微生物的滅活率可達(dá)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(luò)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(rùn)濕性的親水性薄膜，同時(shí)使其獲得與碘絡(luò)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(fù)合材料會(huì)同時(shí)具有基礎(chǔ)聚合物基材廉價(jià)、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(diǎn)。因此，有望在醫(yī)用材料及殺菌消毒日用品等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

圖4 表面接枝PVP–I 制備聚丙烯復(fù)合膜[22]

單體小分子與NVP 共混聚合制得相應(yīng)的共聚物，然后再與碘進(jìn)行絡(luò)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(jìn)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(luò)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(yīng)用于醫(yī)學(xué)防污，如無菌手術(shù)衣、防護(hù)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(fù)合材料。PVP 根據(jù)其分子量的不同有不同的應(yīng)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(diǎn)可以將該類抗菌材料擴(kuò)展應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)裝置上。這極大地解決了由細(xì)菌污染引起的生物材料相關(guān)感染及隨后在表面形成生物膜而導(dǎo)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(dǎo)致其在一些潮濕的環(huán)境中用作添加劑時(shí)，出現(xiàn)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(jìn)行消毒是一種新型的殺菌消毒技術(shù)[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(qiáng)其抗菌活性，延緩其失效時(shí)間。近年來，隨著納米技術(shù)在開發(fā)抗菌聚合物復(fù)合材料中的應(yīng)用，研究人員通過精確控制聚合物的納米結(jié)構(gòu)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(luò)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(qiáng)抗菌劑的疏水性和抗菌穩(wěn)定性，通過與納米技術(shù)優(yōu)勢(shì)相關(guān)的兩步法成功獲得疏水性PVP–I 納米粒子。先通過調(diào)節(jié)NVP 與MMA(甲基丙烯酸甲酯)的進(jìn)料比以及反應(yīng)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(chǎn)物P(NVP–MMA)NPs 與碘進(jìn)行絡(luò)合反應(yīng)，從而形成疏水性抗菌物質(zhì)，PVP–I NPs。結(jié)果表明，當(dāng)?shù)獗桓捷d絡(luò)合到P(NVP–MMA)NPs 上時(shí)，以大腸桿菌和金黃色葡萄球菌為細(xì)菌模型，新型PVP–I NPs 顯示出了強(qiáng)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(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景，未來還有可能在其他領(lǐng)域有更好應(yīng)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(yù)防和治療骨科植入物相關(guān)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(shù)將PVP–I 制備成納米纖維

靜電紡絲作為一種生產(chǎn)聚合物纖維的技術(shù)近年來已被廣泛應(yīng)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(dú)特性質(zhì)，使其有潛力適合各種各樣的應(yīng)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(jī)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(jīng)實(shí)驗(yàn)篩選證明當(dāng)PVP 質(zhì)量濃度為40%時(shí)，PVP–I 可通過靜電紡絲技術(shù)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(yīng)抗菌納米纖維的方法：(1)先通過靜電紡絲技術(shù)制備PVP 和PEO／PVP 混合溶液的納米纖維，再與碘絡(luò)合得到相應(yīng)的抗菌納米纖維；(2)直接將準(zhǔn)備好的 PVP–I 和 PEO／PVP–I 混合溶液通過靜電紡絲技術(shù)制備成納米纖維。經(jīng)抗菌活性實(shí)驗(yàn)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(huì)有很好的應(yīng)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(nèi)

在高分子材料中摻雜或吸附一些活性抗菌物質(zhì)也是得到抗菌高分子復(fù)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(xué)裝置容易遭受細(xì)菌污染。細(xì)菌生物膜可以在大部分生物聚合物的表面生長(zhǎng)，甚至一些細(xì)菌有時(shí)候會(huì)發(fā)生滲透包裹在聚合物材料內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)大的抗性，變得比循環(huán)細(xì)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(zhì)(PVP–I)而產(chǎn)生新的改性高分子復(fù)合材料。聚氨酯由于本身具有很好的機(jī)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(xué)性能等優(yōu)點(diǎn)，使得其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)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(fù)合材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有了更好的應(yīng)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(zhì)中添加PVP–I 獲得的抗菌復(fù)合材料。由于PVP–I 屬于親水性化合物，導(dǎo)致其難以均勻地分散在疏水性PDMS 基質(zhì)中。為了實(shí)現(xiàn)PVP–I 在PDMS 中的分散，以淀粉顆粒作為增容劑來產(chǎn)生穩(wěn)定均勻的抗菌復(fù)合材料。此類抗菌復(fù)合材料通過調(diào)整材料中PVP–I 濃度，可以使藥物釋放持續(xù)時(shí)間達(dá)到一個(gè)月以上。PDMS 是生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中廣泛使用的材料之一。所以此類新抗菌復(fù)合材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有很好的應(yīng)用，特別是在需要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期抗菌的情況下。

3 結(jié)語

近年來有機(jī)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(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，成為研究人員的關(guān)注熱點(diǎn)。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(jià)易得等優(yōu)點(diǎn)，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(nóng)業(yè)、漁業(yè)、畜牧業(yè)等領(lǐng)域都有較好的應(yīng)用。基于PVP–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(shí)具有安全、高效、持續(xù)性強(qiáng)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(fù)合材料，不僅有廣闊的應(yīng)用前景，也有助于推動(dòng)其他科學(xué)領(lǐng)域的研究和發(fā)展。