季銨鹽類聚合物增強納米抗菌材料性能的研究進展

2021-02-27 07:34:04孫宇君

武漢工程大學學報 2021年1期

孫宇君，呂中

武漢工程大學環境生態與生物工程學院，湖北武漢 430205

細菌感染一直影響著人類生產生活的各個方面，對人類生命安全以及世界經濟都造成了不良的影響［1］。由于人們在治療細菌感染時對抗生素的長期濫用和誤用，使得細菌不斷進化產生了耐藥性［2-3］。最近的研究數據表明，全世界每年約有70 萬人死于耐藥菌的感染性疾病，預計到2050 年這一數字可能上升到1 000 萬［4-6］。而在長期的抗菌藥物研制中，人們發現將兩種及多種抗菌材料聯合形成復合抗菌材料，不僅可以在降低藥物劑量和細胞毒性的基礎上獲得更好的抗菌活性，還可以降低細菌耐藥性的產生，增加材料的整體治療效果［7］。

季銨鹽類聚合物是指中心為一個帶正電荷的氮“頭”（N+），不同的基團通過4 個共價鍵與N+相連形成的聚合物。代表的結構組成是N+R1R2R3RX-和N+R1R2R3X-，其具體結構分布如圖1（a）所示［8］。其中X-通常是Cl-、Br-以及I-等陰離子，R 可以是氫原子、烷基、芳基、雜環基團或含官能團的烷基鏈［9］。根據R 基團的結構差異，季銨鹽類聚合物可以被分為含有芳香族或雜環結構的聚合物、丙烯酸和甲基丙烯酸脂類聚合物、陽離子共軛聚合電解質、聚硅氧烷聚合物、聚碳酸酯類聚合物等［9-11］。不同結構季銨鹽類聚合物結構如圖2 所示［12-13］。

圖1 季銨鹽類聚合物：（a）結構，（b）抗菌作用機理［8］Fig.1 Quaternary ammonium salt polymers：（a）structure，（b）antibacterial mechanism［8］

季銨鹽類聚合物因帶有正電荷，很容易與帶負電荷的細菌通過靜電作用相結合，這一特點使其在抗菌方面的應用廣受關注［10，14］。季銨鹽類聚合物的抗菌機理如圖1（b）所示：聚合物上帶正電荷的季銨頭（QACs head）首先與帶負電的細菌細胞膜進行作用，通過靜電相互作用使得季銨基團吸附于細菌外膜上的磷脂分子，隨后季銨聚合物中的側鏈滲透到膜內區域，瓦解細胞膜結構，最終導致細胞質泄露和細胞裂解［14-15］。由于細菌對其不易產生耐藥性以及與細菌細胞膜具有良好的吸附能力等諸多優勢，季銨鹽聚合物被廣泛用作抗菌體系中的基礎材料來構筑復合體系［15］。

納米材料在抗菌領域已被廣泛應用，微小的尺寸以及較高的比表面積等特征為其與細菌作用提供了大量結合位點，同時良好的擴散能力和穿透能力也有效提高了其對致病性微生物的抗菌活性［16］。然而，納米材料在制備或儲存過程中容易發生聚集，這嚴重影響了材料整體的分散性；此外，部分金屬納米材料在生物介質環境中不夠穩定，易被氧化從而造成損失［16-17］。納米材料對正常細胞的細胞毒性也在一定程度上限制了其在抗菌方面的應用［18］。因此，制備多組分且具有協同抗菌作用的復合抗菌材料已逐漸成為研究熱點。

利用季銨鹽類聚合物對納米材料進行表面功能化是改善納米材料分散性和穩定性的有效策略。季銨鹽類聚合物所帶的電荷斥力使得小分子納米材料不容易發生團聚現象，而且季銨鹽類聚合物的修飾對于一些易受氧化的納米材料可以起到很好的保護作用［16］。相比于原始無機納米粒子，季銨化的納米材料因具有更豐富的正電荷從而更易于與細菌細胞膜結合，并且具有更易于修飾的結合位點，這為多功能復合抗菌材料的制備與應用提供了更大的可能性［18］。目前利用季銨鹽類聚合物修飾納米材料以增強抗菌活性的研究已有不少報道。本文綜述了季銨鹽聚合物在增強納米材料的分散性、穩定性、抗菌活性，以及降低生物毒性等方面的應用。

圖2 部分典型季銨鹽類聚合物的結構式［9-13］Fig.2 Structural formulas of some typical quaternary ammonium salt polymers［9-13］

1 季銨鹽類聚合物提高納米材料的分散性和穩定性

納米材料因其在催化、光學以及抗菌等諸多領域的優良性能引起了人們的廣泛興趣。由于納米材料在溶液中易于聚集且易被氧化，不利于后期的應用，因此合成長期穩定的納米材料具有很大的挑戰性。為了解決這些問題，研究人員用聚合物修飾納米材料以提升穩定性，季銨鹽類聚合物便是其中重要的一類［17-18］。

研究發現，季銨鹽類聚合物負載于納米材料時其所帶的正電荷能有效增大納米粒子間的電荷斥力，有助于得到粒徑更均勻、穩定性更好以及分散性更高的納米粒子［17］。基于這一特征，研究者利用具有豐富正電荷的n-烷基化聚（-乙烯基吡啶）（NPVP）對金剛石納米顆粒進行表面功能化［19］。NPVP 所帶的正電荷增加了納米粒子之間的排斥力，不僅能有效阻礙合成過程中納米粒子之間的相互聚集作用，還能使已經聚集的大粒徑物質重新分解為均勻分布的納米粒子，實現了小尺寸材料的合成及其在溶液中的穩定懸浮，解決了金剛石納米材料修飾過程中存在的團聚和分散穩定性差的問題。

除了所帶正電荷外，季銨鹽聚合物所帶的各類基團既能通過配位鍵與納米粒子緊密結合，也能通過空間位阻減少納米粒子之間的團聚現象，對維持材料的穩定性起到了關鍵作用［17，20］。季銨鹽聚合物在緊密結合于納米顆粒的同時，還能在其表層起到類似于保護膜的作用，這有效降低了材料在空氣中被氧化的可能性，提高化學穩定性。Cao 等［21］以季銨化的甲基丙烯酸酯季銨鹽（BHPVP）和溴化銀（AgBr）為原料合成了AgBr/BHPVP 復合材料。BHPVP 的N+能與Ag 形成Ag-N 配位鍵來保持AgBr 納米粒子的穩定性，同時所帶的正電荷及其它側鏈基團也能通過靜電斥力及空間位阻防止納米粒子之間的聚集，以此得到了粒徑均勻且分散良好的AgBr/BHPVP 納米復合材料。You 等［22］研究也表明，引入合適的季銨鹽類聚合物能降低一些易氧化納米顆粒如金屬單質納米顆粒在空氣中被氧化的可能性，提高其化學穩定性。You［22］在合成中將聚季銨鹽纖維素（QC）作為一種產生靜電斥力的保護配體合成了粒徑為1 nm 的QC-Ag 納米顆粒。QC 通過-OH和-N（CH3）3+與銀納米顆粒相互作用使得納米顆粒附著在QC 鏈上，保持顆粒的空間穩定性。同時，剩余帶正電的N（CH3）3+基團通過靜電排斥力防止Ag 納米顆粒的團聚。此外，QC 具有的正電荷鏈為Ag 納米顆粒提供了一種能有效減少銀納米顆粒與外界的接觸的保護外殼，使得QC-Ag 納米復合材料在維持了較高物理穩定性的同時，還保持了化學性質的穩定性。

季銨鹽類聚合物的電荷密度、與納米顆粒的結合能力以及聚合物與納米材料的比例都會對季銨化復合納米材料的分散性和穩定性產生影響。選擇合適的季銨鹽類聚合物，優化其與納米材料之間的比例，對于提高復合材料的分散性和穩定性具有重要意義。

2 季銨鹽類聚合物增強復合材料抗菌活性

隨著細菌感染對社會生活的影響日益嚴重，人們對抗菌材料的抗菌活性提出了更高的要求，單一抗菌材料已經不能滿足人們復雜多樣的應用需求，研發制備具有多抗菌途徑、高抗菌活性的復合材料已迫在眉睫。將季銨鹽類聚合物與納米抗菌材料結合能賦予復合納米材料以下優勢［8，23］：①季銨鹽類聚合物由于帶有大量的正電荷，可以通過靜電作用與帶負電的細菌靶向結合，從而提高局部藥物濃度最終提高抗菌效果；②季銨鹽類聚合物所帶長鏈的脂肪烴基具有優異的親脂性，可以使復合材料和細菌細胞膜有更多的接觸位點，并與磷脂分子的疏水基團緊密結合，進而導致細胞膜骨架結構解體。

對于自身抗菌活性較差的無機納米材料，如碳納米管、金剛石納米顆粒，季銨鹽聚合物的修飾能夠大幅提高其抗菌活性（見表1）。如Joo 等［24］合成了季銨化處理的聚2-二甲氨基乙基甲基丙烯酸酯（PDMAEMA）多壁碳納米管（MWCNT），得到的復合材料對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有顯著的抗菌作用。帶正電荷的PDMAEMA 通過靜電作用吸附在細菌細胞表面，與細菌細胞膜結合破壞細胞膜，細胞內容物泄露，最終導致細菌死亡，該材料對大腸桿菌的抗菌效果高度依賴于碳納米管表面的PDMAEMA 含量。另外，Cao 等［25］研究表明，季銨鹽類聚合物中側鏈基團與細菌細胞膜之間形成的氫鍵在藥物與細菌的細胞膜的相互作用中也發揮了重要作用。研究人員通過將季銨化聚（4-乙烯基吡啶-co-羥乙基甲基丙烯酸酯）共聚物與納米金剛石偶聯合成高比表面積的季銨化金剛石納米顆粒，對抗菌機理的研究表明羥乙基甲基丙烯酸酯的羥基可以和細胞膜上的磷酸頭基團之間形成氫鍵，從而增強了材料與細菌脂質雙膜的相互作用（圖3），使其對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌能力顯著增強。

圖3 功能化金剛石納米顆粒與細菌細胞膜的相互作用［26］Fig.3 Representative interaction between functionalized NDs and bacterial cell membrane［26］

而對于本身具有抗菌活性的無機納米顆粒，如應用于抗菌領域的二氧化硅納米材料、氧化鋅納米材料、銀納米材料等，季銨鹽所帶的正電基團修飾后能夠進一步提高納米材料的靶向性，使得材料和細菌充分接觸。Song 等［26］利用一種季銨鹽硅烷對二氧化硅納米粒子進行表面改性，使得粒子表面攜帶疏水性的烷基并帶有正電荷，復合粒子與細菌作用時，帶正電荷的季銨基團通過電荷作用吸附于細菌細胞膜并與脂質雙分子層結構相互作用，進而疏水的長烷基鏈插入并破壞細菌外膜，使得細菌細胞完整性受損，最終導致細菌死亡。實驗表明其抗菌效果與季銨鹽核殼的表面積有一定關系。Gao 等［27］將聚（烯丙基縮水甘油醚-二甲基二烯丙基氯化銨）與納米氧化鋅結合制備成復合抗菌涂層涂覆于棉織物上。經涂覆處理的棉織物能通過靜電作用結合細菌，從而高效發揮氧化鋅納米材料對大腸桿菌、金黃色葡萄球菌和白色念珠菌等多種細菌的抗菌作用。

季銨鹽聚合物修飾納米材料除了能提高復合納米材料對細菌的靶向性之外，其所帶的親脂基團還能使細菌細胞膜滲透性發生改變從而促進納米材料穿透細胞膜殺死細菌［28-29］。Lin 等［29］使用聚2-（二甲氨基）甲基丙烯酸乙酯合成了一種抗菌納米粒子Ag@PDMAEMA-C4，發現材料表面的PDMAEMA-C4為材料提供了能與細菌細胞質膜脂質雙分子層相容的親脂段，導致細菌細胞膜流動性降低。最終破壞細菌的細胞質膜，促使銀納米顆粒穿透細菌細胞膜（圖4）。

圖4 Ag@PDMAEMA-C4對細菌細胞膜的破壞作用［29］Fig.4 Destruction of bacterial cell membrane by AgNPs@PDMAEMA-C4［29］

除了正電基團和親脂尾部部分，季銨鹽類聚合物所具有的其它性質也能從不同方面提升復合材料的抗菌活性。例如Wang 等［30-31］的研究表明，季銨鹽類聚合物中陽離子共軛電解質的骨架具有很強的光吸收能力和較高的熒光量子產率，表現出一定的光誘導生物殺滅效應，當與金屬納米顆粒結合時，能夠進一步提升復合材料對光能的吸收和轉化，同時增加活性氧的生成增強抗菌能力。另外，Song 等［32］的研究還證明季銨鹽類聚合物的加入能顯著降低復合材料的粒徑，從而使其比表面積大幅增加。比表面積的增大既能增加材料與細菌的接觸，還能提高材料的離子釋放量，增強抗菌活性［33］。

為了滿足日益復雜的應用需求，構筑多功能抗菌納米材料已成為納米材料的研究趨勢。各類季銨鹽類聚合物所具有的正電荷基團以及種類豐富的側鏈基團為構筑多功能納米材料奠定了基礎。正電荷使得所合成的材料具備一定的靶向性，而側鏈基團牢固結合納米材料的同時也可作為橋梁連接其它功能性分子，進一步功能化納米材料。目前，已有大量的季銨化復合納米材料被研究和報道，這些復合材料在實驗條件下能通過多種抗菌途徑表現出優異的抗菌活性［16-17］。因此，選取符合實際應用方向的季銨鹽類聚合物對納米材料進行修飾和構筑得到具有高靶向性、多途徑、高抗菌活性的多功能復合材料意義重大。

表1 基于季銨鹽聚合物和無機金屬納米粒子抗菌體系的作用機制Tab.1 Action mechanisms of antimicrobial systems based on quaternary ammonium salt polymer and metallic nanoparticles

3 季銨鹽類聚合物降低復合材料的毒性

通常，納米材料對細菌的抗菌活性都具有較大的濃度依賴性，同時納米材料對正常細胞的細胞毒性也會隨著用藥量的增大而加大。研究表明，一些納米抗菌材料在抗菌過程中不可避免的會對正常細胞產生毒副作用，甚至會破壞正常細胞的結構導致細胞死亡，這限制了抗菌材料在臨床治療中的應用［18］。為了減少抗菌材料對正常細胞的損傷，可以通過提高藥物抗菌活性從而減少用量，以及用生物相容性較好的物質進行修飾這兩種途徑來降低材料本身的毒性。

研究證明，將季銨鹽類聚合物與納米材料結合能夠在提高材料抗菌活性，從而降低藥物用量，有效減少材料對正常細胞的毒性［17-18］。Velevt等［39］將銀離子注入到生物降解性良好且無毒的木質素（EbNPs）中形成以釋放Ag+殺菌為主導的復合材料EbNPs-Ag+。EbNPs-Ag+在抗菌時Ag+的使用量對正常細胞的毒性較大，而將聚二烯丙基乙基氯化銨（PDAC）對EbNPs -Ag+表面進行包覆處理得到復合材料［EbNPs-Ag+］-PDAC 時，季銨化的表面增強了材料與細菌表面之間的靜電相互作用，促進局部富集的銀離子有效殺滅病原菌，使得在達到相同的抗菌效果的條件下Ag+的使用量降低近10 倍，極大降低了在達到有效抗菌效果時復合材料對正常細胞的毒性。

另外，通過調整季銨鹽聚合物的親疏水基團比例也能得到生物相容性優良的低毒性材料。季銨鹽聚合物能通過靜電相互作用和含有負電荷磷脂的細菌膜結合，而疏水作用則促進了季銨鹽聚合物與脂雙層膜的結合和插入。當聚合物親水部分較大時，聚合物能較好地與細胞膜結合，然而，當疏水部分過大時，聚合物對細胞喪失了選擇性。季銨鹽聚合物對正常細胞的毒性通常是由其所帶的疏水烷基引起的。使用具有親水基團的季銨鹽聚合物制備復合材料時，不僅能促使季銨化納米復合材料更好地作用于細菌并殺滅細菌，還能降低材料對正常細胞的傷害［9，40］。為此，有研究者［25，41］通過對聚合物內基團的改性，制備了一種具有親水基團的季銨化納米復合材料，親水性基團的引入降低了復合材料本身對正常細胞的毒性，同時親水的-OH 能與細菌細胞膜脂多糖鏈形成氫鍵，促進復合材料對細菌細胞膜的作用，阻止細胞攝取營養導致細菌死亡，進而降低了有效抗菌時材料的用量和毒性。

此外，在疏水性顆粒表面修飾親水性基團可以增加納米顆粒的親水性，在保證抗菌特性的基礎上提高材料整體的生物相容性［42］。Sarka 等［43］將季銨鹽聚合物和乙二醇鏈組成的親水性季銨鹽聚合物N，N，N-三甲基-3，6，9，12，15-五氧雜十七烷基-17-磺酰-1-溴化銨修飾金納米棒，修飾后的材料具有更強的親水性，使得材料整體在抗菌作用時幾乎沒有細胞毒性。這類通過調控聚合物中的親疏水基團的比例來降低材料整體毒性的方法是解決納米抗菌材料毒性的有效方法。

4 季銨鹽類聚合物增強納米抗菌涂層的持久性

納米材料在實際應用中常被附著于物品表面或棉織物表層制備抗菌涂層，但這類涂層在使用或洗滌時常易脫落或變性，導致抗菌作用降低［44］。目前研究表明［45-47］，加入季銨鹽類聚合物能使納米材料與物品表面連接更加緊密，增強抗菌涂層的穩定性和抗菌持久性。Gao 等［27］將一種環氧基季銨鹽聚合物［P（AGE-DMDAAC）］附著于納米氧化鋅（ZnO）表面，并使其緊密附著于棉織物表層形成抑菌棉織物。P（AGE-DMDAAC）既能通過氨基與ZnO 顆粒表面形成穩定的配位鍵，又能通過側鏈環氧基與棉織物纖維的-OH 相互作用牢固結合［圖5（a）］。因此P（AGE-DMDAAC）像橋梁一樣將ZnO 與棉織物緊密連接，在與ZnO 協同抗菌的同時，提高了抗菌主體ZnO 在棉纖維上的固著程度和耐久性。Yin 等［48］將聚二甲基丙烯酸乙酯（qPDMAEMA）負載于硅晶片之上，同時快速且穩定的將納米銀粒子（AgNPs）原位合成于qPDMAEMA 分子層中。聚合物的存在有效保持了納米銀的穩定性，使其牢固附著于硅晶片表層，并與其相互協同有效增強了涂層整體的抗菌活性。Kang 等［49］使用氯化縮水甘油基三甲基銨（GTAC）將銀納米顆粒通過交聯劑交聯附著于棉織物，形成GTAC/納米銀復合抗菌棉織物［圖5（b）］。經GTAC 與交聯劑的交聯將納米銀穩定地附著于棉織物形成牢固的抗菌表層，抗菌表層能附著在帶負電荷的細菌表面，抑制微生物代謝，且銀納米粒子在微生物細胞失活過程中能增強對細菌細胞膜的滲透性，即使對于具有多重耐藥性的銅綠假單胞菌該棉織物也能起到持久有效的滅活作用。

圖5 （a）P（AGE-DMDAAC）/納米ZnO 復合材料固定于棉纖維表面［27］，（b）GTAC 將銀納米顆粒通過交聯劑交聯附著于棉織物［43］Fig.5 （a）Scheme of P（AGE-DMDAAC）/nano ZnO composite on surface of cotton fiber［27］，（b）proposed reaction scheme between silver nanoparticles/3-MPTMS and GTAC treated cotton［43］

另外研究還發現［30，50］，利用季銨鹽類聚合物自帶的正電性質還能通過分層組裝技術（LbL）制備簡單、通用性強以及具有持久抗菌性能的復合納米材料抗菌涂層。如Kruk 等［50］借助聚二烯丙基二甲基氯化銨，采用LbL 方法制備了含銅納米粒子的抗菌薄膜。綜上表明，若能合理利用季銨鹽類聚合物所帶的正電荷、功能基團并且選擇合適的連接方式，會使得納米材料在抗菌薄膜中的應用更加廣泛。當然，盡管季銨鹽類聚合物/納米粒子涂層的研究已經取得了顯著進展，但其在實際應用方面仍面臨著成本較高，難以實現大規模生產等挑戰，因此對新型復合抗菌涂層的制備和完善仍然是非常重要的研究內容。

5 結論

作為一種帶正電荷的聚合物，季銨鹽類聚合物來源廣泛且易于修飾，常被用于制備多功能復合納米材料。將季銨鹽類聚合物與納米材料相結合，不僅能有效提高納米材料的穩定性、分散性，還能進一步提升納米抗菌材料的抗菌活性、對細菌的靶向性以及降低材料的毒性。