王潤平，彭開美

(黔南民族師范學(xué)院 化學(xué)化工學(xué)院，貴州 都勻 558000)

細(xì)菌產(chǎn)生的危害是一個(gè)全球關(guān)注的問題。據(jù)1995-2007年疾病分類調(diào)查，中國細(xì)菌感染性疾病占全部疾病的18%～21%。在工業(yè)化國家，每年因住院病人感染導(dǎo)致的死亡人數(shù)高達(dá)17.5萬[1]。因此，有效地抑制細(xì)菌的生長與繁殖，對提高人類生活質(zhì)量、延長壽命等方面意義重大。接觸殺菌聚合物是與細(xì)菌接觸就能抑制細(xì)菌活性或滅殺細(xì)菌的一類聚合物。構(gòu)建接觸殺菌聚合物最常用的方式是通過共價(jià)鍵把具有抗菌活性的分子接枝于聚合物分子主鏈。

胍基具有很強(qiáng)的堿性，能在寬的pH范圍內(nèi)保持離子化狀態(tài)。當(dāng)其離子化后，胍基基團(tuán)的正電荷離域到3個(gè)氮原子上，使其不但保持高溫及堿穩(wěn)定性，且電荷離域化的陽離子化合物的毒性要遠(yuǎn)小于非離域的季銨鹽離子[2]。此外，相對于季銨鹽離子與細(xì)菌細(xì)胞膜表面磷酸根離子的靜電作用，胍基能與細(xì)菌細(xì)胞膜表面磷酸根離子形成雙氫鍵[3]，其抗菌活性要強(qiáng)于季銨鹽離子。聚六亞甲基胍(PHMG)是一種已經(jīng)商品化的含胍基抗菌劑，被廣泛使用于化妝品與紡織品等行業(yè)[4]。

聚氨酯有優(yōu)異的熱穩(wěn)定性及機(jī)械性能，在膠黏劑、合成纖維、泡沫塑料、涂料、生物醫(yī)學(xué)移植及抗菌材料方面有廣泛的應(yīng)用[5-7]。點(diǎn)擊化學(xué)，尤其是銅催化炔基-疊氮環(huán)加成(CuAAC)反應(yīng)，具有強(qiáng)健、高效、正交的特性[8]，是用于聚合物主鏈引入功能結(jié)構(gòu)的好工具[9]。本文以點(diǎn)擊化學(xué)為連接策略，在聚氨酯側(cè)鏈引入聚六亞甲基胍(PHMG)，制備了含胍聚合物(PU-PHMG)，并測試其物理化學(xué)特性及抗菌活性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)、1，4-丁二醇(BDO)、溴化亞銅及五甲基二乙烯三胺(PMDETA)，購自百靈威科技有限公司。聚丙二醇(PPG)、2，2-二(溴甲基)-1，3-丙二醇、二月桂酸二丁基錫、溴丙炔、疊氮化鈉及三羥甲基丙烷(TMP)，購自阿拉丁試劑有限公司。

熱重分析曲線由德國Netzsch TG209測得，升溫速率為 10 K/min。紅外(FT-IR)光譜由美國Nicolet 6700紅外光譜儀測得。

1.2 炔基修飾聚六亞甲基胍(PHMG-Al)的合成

在三口圓底燒瓶中，加入 5 g PHMG及 10 mL 二甲基亞砜(DMSO)，加熱至 60 ℃，待PHMG溶解后，降至室溫，緩慢滴加溴丙炔DMSO溶液，室溫?cái)嚢柽^夜。反應(yīng)停止，加入15×3 mL 丙酮清洗，于 50 ℃ 真空干燥箱中干燥 24 h，得到淺黃色稠狀的炔基修飾聚六亞甲基胍(PHMG-Al)。

1.3 側(cè)鏈含疊氮聚氨酯(PU-N3)的合成

2，2-雙(疊氮甲基)丙烷-1，3-二醇(DAzD)合成過程參考Hu等[8]的文獻(xiàn)，具體過程如下：燒瓶中依次加入 10.4 g 2，2-二(溴甲基)-1，3-丙二醇、6.5 g 疊氮化鈉及 50 mL DMSO。在 110 ℃ 下反應(yīng) 20 h。反應(yīng)完成后，降至室溫，加入 30 mL 去離子水，用乙酸乙酯萃取(90 mL×3)，用食鹽水(60 mL×3)清洗有機(jī)相，無水硫酸鎂干燥，過濾，除去溶劑，得到最終產(chǎn)品為DAzD。

反應(yīng)瓶中加入 30 g IPDI及 27.5 g PPG，攪拌均勻。反應(yīng)物加熱至 80 ℃，在此溫度下反應(yīng) 2 h，冷卻至 40 ℃，加入 140 mL 無水DMF、4.68 g BDO、3 g TMP及 2.75 g DAzD。攪拌均勻，升溫至 80 ℃，反應(yīng)6～7 h。得到PU-N3固含量為34%的DMF溶液。

1.4 側(cè)鏈接枝PHMG的聚氨酯(PU-PHMG)的合成

側(cè)鏈接枝PHMG的聚氨酯(PU-PHMG)制備過程如下：反應(yīng)瓶中加入 12 g 上述PU-N3溶液及 20 mL 含有PHMG-Al的DMF溶液，隨后用氮?dú)饷摎?20 min。在一個(gè)史萊克瓶中加入 10 mL DMF，脫氣 20 min，再加入 0.2 g 溴化亞銅及 360 μL 五甲基二乙烯三胺(PMDETA)，脫氣 10 min，得到催化劑溶液。將催化劑溶液用注射器轉(zhuǎn)入上述三口瓶中，室溫下反應(yīng) 1 h。反應(yīng)停止，加入去離子水析出，離心，得到固體。把固體在溶解于DMSO中，然后加入去離子水析出，如此重復(fù)3次，得到PHMG含量不同的樣品：PU-PHMG 1(w=0.50%)、PU-PHMG 2(w=0.85%)、PU-PHMG 3(w=1.8%)。

取 1 g PU-PHMG溶于 8 mL DMSO中，倒入直徑為 5 cm 的聚四氟乙烯培養(yǎng)皿中，在 75 ℃ 下干燥 24 h，冷卻，脫膜，備用。

1.5 抗菌實(shí)驗(yàn)

不同膜對革蘭氏陽性(金黃色葡萄球菌)及革蘭氏陰性(大腸桿菌)的抗菌活性是通過抗菌drop-test分析方法[21]來確認(rèn)的。具體過程是：細(xì)菌涂于瓊脂板上并在 37 ℃ 下過夜培養(yǎng)。然后取單菌落于培養(yǎng)基中，在 37 ℃ 下保溫 12 h，得到細(xì)菌懸液并把其稀釋到 105CFU/mL，備用。長寬為 20 mm ×20 mm 的膜樣品置于消毒的培養(yǎng)皿中，然后把 100 μL 細(xì)菌菌液滴于樣品表面。純聚氨酯PU膜作為對照。所有這些滴有細(xì)菌的樣品膜在 37 ℃ 下保溫 8 h，先用 5 mL 磷酸鹽緩沖溶液簡單沖洗，隨后加入 15 mL 的磷酸鹽緩沖溶液超聲清洗，合并兩次清洗液，搖勻。取 200 μL 的細(xì)菌懸液均勻的涂于瓊脂板上，在 37 ℃ 下培養(yǎng) 24 h，對瓊脂板上的菌落計(jì)數(shù)。注意，上述實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)3次，且所有的聚合物樣品膜都經(jīng)乙醇清洗及在紫外光下輻照 30 min 消毒處理。

膜滲透測試的過程如下：10 mL 瓊脂培養(yǎng)基注入到消毒的培養(yǎng)皿中并待其固化。培養(yǎng)基固化后把適量的細(xì)菌懸液均勻分散到瓊脂表面，10 mm×10 mm×0.5 mm的聚合物膜貼合于瓊脂表面上。培養(yǎng)皿在 37 ℃ 下保溫 8 h。注意：上述實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)3次，且所有的聚合物樣品膜都經(jīng)乙醇清洗及在紫外光下輻照 30 min 的消毒處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 聚合物的合成與表征

通過逐步聚合，把功能單體2，2-雙(疊氮甲基)丙烷-1，3-二醇(DAzD)引入到聚氨酯中，得到了可點(diǎn)擊聚合物PU-N3(圖1)。

圖1 聚合物合成路線

由圖2可知，2104 cm-1處為-N3的紅外特征吸收峰峰，這說明成功的制備了PU-N3。隨后，通過銅催化疊氮端炔環(huán)加成(CuAAC)反應(yīng)，把炔基化修飾的聚六亞甲基胍(PHMG-Al)引入到聚氨酯的側(cè)鏈。當(dāng)加入PHMG-Al后(如圖2所示)，反應(yīng)產(chǎn)物在 2104 cm-1處的紅外吸收峰明顯減弱，說明點(diǎn)擊反應(yīng)順利的進(jìn)行；而在 3308 cm-1及 3145 cm-1處出現(xiàn)了新的吸收峰，說明反應(yīng)物中出現(xiàn)了PHMG的結(jié)構(gòu)。這些結(jié)果充分證明了PHMG被成功接枝于聚氨酯的側(cè)鏈。

圖2 聚氨酯(PU)、可點(diǎn)擊聚氨酯(PU-N3)及帶聚六亞甲基胍側(cè)鏈聚氨酯(PU-PHMG)的紅外光譜

2.2 熱穩(wěn)定性

由于PHMG是一種熱穩(wěn)定性能較好的化合物，且點(diǎn)擊反應(yīng)生成的三唑環(huán)也具有很好的熱穩(wěn)定性能，因此，PU-PHMG的熱穩(wěn)定性要稍強(qiáng)于PU，如圖3A所示。隨著PHMG的引入，PU-PHMG的初始分解溫度(Td)增大，其熱穩(wěn)定性有所提高(如圖3B所示)。聚氨酯經(jīng)歷兩個(gè)階段的分解，其與相應(yīng)的關(guān)于聚氨酯分解溫度的研究相一致[10-11]。其中，第一個(gè)分解階段發(fā)生在200～340 ℃ 的區(qū)間范圍內(nèi)；在此階段，聚氨酯的氨基甲酸酯鍵開始降解，因此，聚氨酯分解成異氰酸酯、醇類、二級胺及二氧化碳[12]。此外，在第一分解階段，隨著PHMG的引入，最大分解速率的溫度是出現(xiàn)一定的上升。對于第二個(gè)分解階段，主要是C-O鍵的斷裂，殘余量的進(jìn)一步減少。

圖3 聚氨酯(PU)及帶聚六亞甲基胍側(cè)鏈聚氨酯(PU-PHMG 3)的TGA(A)與DTG(B)曲線

2.3 抗菌特性

通過對金黃色葡萄球菌(S.aureus)與大腸桿菌(E.coli)的抗菌活性測試，評估了PU-PHMG膜層的抗菌特性。聚氨酯PU作為對照，PU-PHMG膜層的接觸殺菌率按公式(1)計(jì)算：

(1)

其中，A為與PU對照接觸后的菌落數(shù)，B為PU-PHMG接觸后的菌落數(shù)。

如圖4所示，當(dāng)PHMG在聚合物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.50%時(shí)，對金黃色葡萄球菌的殺菌率為71%、對大腸桿菌的殺菌率為72%；而隨著PHMG在聚合物中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.85%時(shí)，基本上完全殺滅與其接觸的細(xì)菌。由此可知，PU-PHMG對金黃色葡萄球菌及大腸桿菌都有著滅殺作用，且表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌活性。

圖4 與PU、PU-PHMG 1與PU-PHMG 2接觸后，細(xì)菌在瓊脂上的存活數(shù)

為了排除有微量的PHMG滲透而導(dǎo)致細(xì)菌被滅殺，把PU-PHMG 2浸泡于去離子水中3次，每次 5 h，干燥后測其抗菌活性，發(fā)現(xiàn)其與浸泡前沒有明顯的差異，依然表現(xiàn)出很強(qiáng)的抗菌活性，如圖5所示。取PU-PHMG 2及物理混合(PU + PHMG-Al)膜層，對其進(jìn)行抑菌圈測試，發(fā)現(xiàn)PU與PHMG-Al的物理混合膜層出現(xiàn)明顯的抑菌圈，而PU-PHMG 2膜層沒有出現(xiàn)抑菌圈。這些結(jié)果說明，PU-PHMG是通過接觸殺菌的方式實(shí)現(xiàn)其抗菌功能的。

圖5 PU-PHMG 2(A)及混合物膜(PU與PHMG-Al混合，B)對金黃色葡萄球菌的瓊脂擴(kuò)散測試

3 結(jié)論

以點(diǎn)擊化學(xué)為連接策略，高效地制備了側(cè)鏈含PHMG的聚氨酯(PU-PHMG)?？咕鷾y試表明，PU-PHMG對金黃色葡萄球菌及大腸桿菌表現(xiàn)出優(yōu)異抗菌活性，并證明了點(diǎn)擊化學(xué)是一種用于連接功能分子與聚合物的高效工具。抑菌圈等測試說明，PU-PHMG是通過接觸殺菌的方式實(shí)現(xiàn)其抗菌功能。相對于PHMG的水溶特性，PU-PHMG接觸性抗菌特性拓寬了PHMG的使用范圍；而點(diǎn)擊化學(xué)具有正交性的特點(diǎn)，通過可點(diǎn)擊聚合物構(gòu)建多功能聚合物是一種高效且便利的路徑。