新型抗污着、抗菌功能性共聚物界面的制备及其表征方法的研究

摘要

抗细菌污着和抗菌界面的研究在生物医学、生态环境以及工业应用领域有十分重要的应用前景,业已成为国际学术界的研究热点。特别是聚合物高分子材料构建的功能化界面,由于它们高效抗菌能力,低毒性以及稳定性好等特点尤其受到人们的重视。抗菌界面是指具有杀灭黏附于其上的细菌的功能的一类界面;而双功能界面是指同时具有减少细菌黏附和杀灭黏附细菌功能的一类界面。论文研究了两大类,即抗菌和双功能季铵盐类接枝共聚物及其构成的功能性界面的物理化学性质,发展了这类功能界面抗污着、抗菌性能的检测方法,获得了高效的抗污着、抗菌功能界面。论文的研究成果主要包括以下几个方面:
　　 1.功能性接枝共聚物的合成和分子结构表征
　　 合成了两大类,共16种季铵盐类接枝共聚物,包括抗菌共聚物10种,双功能共聚物6种。这两类共聚物以20 kDa的聚左旋赖氨酸(PLL)为主链,侧链上含有抗菌功能的季铵盐(QAC)基团。抗菌共聚物具有不同接枝率、QAC功能化程度以及QAC的分子结构中烷烃链的长度(1、6或12个)。而通过在接枝共聚物的侧链上加入聚乙二醇(PEG)结构单元,得到了一类同时具有抗菌能力和抗细菌污着功能的共聚物(同时含有PEG和QAC),即双功能共聚物。核磁共振(NMR)谱研究证实了上述设计的共聚物分子结构,同时测得抗菌共聚物的接枝率在1-21之间,双功能共聚物的接枝率在3.5-7.4之间,QAC功能化程度为1-100％。
　　 2.功能性接枝共聚物在基底表面的自组装条件研究
　　 通过静电力相互作用成功地在多种带负电的基底表面上制备了接枝共聚物自组装界面。基底无机物如硅、金属氧化物和有机物基底,如聚苯乙烯。系统研究了温度、pH、钠离子浓度和组装时间的因素对自组装过程的影响及其显著性。研究表明,在一定范围内,温度(20-37℃)、pH(4-10)和组装时间(0.5-2小时)对自组装反应没有显著性影响,我们发现,钠离子浓度(0-200 mM)对共聚物自组装量及功能性界面的稳定性具有显著性影响。离子浓度越低,功能性界面的稳定性越佳。
　　 考虑到后续实验的便利性,确定了接枝共聚物的自组装条件的优化条件。即20℃,pH7.4,组装时间2小时,钠离子浓度150 mM。
　　 3.功能性共聚物界面物理化学性质的表征
　　 利用多种表征手段对自组装共聚物界面的物理化学性质进行了表征。光波导模式谱(OWLS)实时监测了共聚物在界面的自组装,证明双功能共聚物能够减少50-90%的血清蛋白吸附;椭圆偏光法测得抗菌共聚物分子层厚度在5-6埃,而双功能共聚物为12-15埃;接触角测量(CA)表明PEG和QAC官能团提高了界面的疏水性;原子力显微镜(AFM)对界面拓扑形貌的观察可说明共聚物在微观尺度上是均一和稳定的,且其在界面上的均一性程度与共聚物在水相溶液中的溶解度无关;截塔电位分析说明了功能性共聚物界面带有正电荷,界面的截塔电位与QAC密度有明显关联,且界面电荷能够在溶液中稳定保持2周。研究证明了自组装共聚物界面的时间稳定性。
　　 4.功能性共聚物界面抗污着、抗菌能力的表征——荧光显微镜法
　　 使用双色荧光显微技术,研究了共聚物界面的抗细菌污着和抗菌性能。证明了大部分抗菌界面虽然和双功能界面都具有较高的灭菌效率。抗菌界面24小时内可将＞99%的黏附细菌杀灭,而双功能界面最高为92%。单纯抗菌界面发挥效能的速度较快,而双功能界面可减少＞55%细菌污着程度。双功能界面的抗污着和抗菌性能与QAC功能化程度密切相关,以8%为阈值,高于8%的共聚物偏向于高灭菌效率,反之则抗污着特性较好。具有不同结构的共聚物界面在抗污着能力、抗菌效率以及动力学方面均有较显著的差异。系列实验结果证明了:烷烃链长度和QAC功能化程度是影响界面抗污着和抗菌性能的主要因素。
　　 5.基于流式细胞技术界面抗污着、抗菌性能的表征
　　 虽然荧光显微术是表征功能性界面抗污着抗菌特性的“金标准”并已经应用多年,但仍存在有费时、信息收集片面、结果可重复性差等缺点。我们建立了基于流式细胞分析(FC)的新型表征检测方法,使得对于界面抗污着抗菌能力的表征更加高效(每秒可分析5000个以上微粒)、准确(检测准确率在98%以上)和稳定,适合对抗菌界面——周边环境中的微生物的相互作用进行全面的表征和研究。我们利用在聚苯乙烯微球上通过静电力驱动自组装方法构建的功能化共聚物界面,设计制备了一套标准样品用来校准仪器,并在此基础上确立了一套数据处理算法。该算法结合了门限选择、逻辑运算与统计运算等综合方法,不但可以进行与传统显微镜技术相同的界面抗菌抗粘附功能的分析,还可以对周边环境中的细菌增殖以及存活情况等进行分析。利用FC表征方法,检测了上述抗菌和双功能防御界面的抗污着和抗菌性能,以及溶液中浮游细菌的增殖和存活率等指标。与荧光显微镜所得结果进行比较,证明了FC检测系统具有检测速度高、获得的信息全面、结果重复性好等优势。
　　 6.基于荧光光谱技术的界面与液体环境相互作用表征方法的初步研究
　　 利用荧光光谱技术对功能性界面与液体环境相互作用研究的可行性进行了初步研究,特别是研究界面作用下周边液体环境下的浮游细菌的增长和存活率。实验结果表明,荧光光谱技术能够胜任相关的检测要求。区分细菌存活率的准确度＞98%,即标准曲线线性相关度达到r2＞0.99,检测灵敏限达到106CFU/mL。使用该项技术研究了几种典型的抗菌和双功能界面,并与FC分析所得结果进行对比,结果具有很高的一致性。研究表明荧光光谱技术可以作为荧光显微镜的补充技术,能够更全面地分析功能化界面对环境微生物的影响。