含聚六亞甲基胍接觸抗菌聚氨酯的制備與表征*

王潤平，彭開美

(黔南民族師范學院 化學化工學院，貴州 都勻 558000)

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

胍基具有很強的堿性，能在寬的pH范圍內保持離子化狀態。當其離子化后，胍基基團的正電荷離域到3個氮原子上，使其不但保持高溫及堿穩定性，且電荷離域化的陽離子化合物的毒性要遠小于非離域的季銨鹽離子[2]。此外，相對于季銨鹽離子與細菌細胞膜表面磷酸根離子的靜電作用，胍基能與細菌細胞膜表面磷酸根離子形成雙氫鍵[3]，其抗菌活性要強于季銨鹽離子。聚六亞甲基胍(PHMG)是一種已經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[4]。

聚氨酯有優異的熱穩定性及機械性能，在膠黏劑、合成纖維、泡沫塑料、涂料、生物醫學移植及抗菌材料方面有廣泛的應用[5-7]。點擊化學，尤其是銅催化炔基-疊氮環加成(CuAAC)反應，具有強健、高效、正交的特性[8]，是用于聚合物主鏈引入功能結構的好工具[9]。本文以點擊化學為連接策略，在聚氨酯側鏈引入聚六亞甲基胍(PHMG)，制備了含胍聚合物(PU-PHMG)，并測試其物理化學特性及抗菌活性。

1 實驗部分

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，室溫攪拌過夜。反應停止，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，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 20 h。反應完成后，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)清洗有機相，無水硫酸鎂干燥，過濾，除去溶劑，得到最終產品為DAzD。

反應瓶中加入 30 g IPDI及 27.5 g PPG，攪拌均勻。反應物加熱至 80 ℃，在此溫度下反應 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6～7 h。得到PU-N3固含量為34%的DMF溶液。

1.4 側鏈接枝PHMG的聚氨酯(PU-PHMG)的合成

側鏈接枝PHMG的聚氨酯(PU-PHMG)制備過程如下：反應瓶中加入 12 g 上述PU-N3溶液及 20 mL 含有PHMG-Al的DMF溶液，隨后用氮氣脫氣 20 min。在一個史萊克瓶中加入 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入上述三口瓶中，室溫下反應 1 h。反應停止，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 的聚四氟乙烯培養皿中，在 75 ℃ 下干燥 24 h，冷卻，脫膜，備用。

1.5 抗菌實驗

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]來確認的。具體過程是：細菌涂于瓊脂板上并在 37 ℃ 下過夜培養。然后取單菌落于培養基中，在 37 ℃ 下保溫 12 h，得到細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皿中，然后把 100 μL 細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 的細菌懸液均勻的涂于瓊脂板上，在 37 ℃ 下培養 24 h，對瓊脂板上的菌落計數。注意，上述實驗至少重復3次，且所有的聚合物樣品膜都經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 瓊脂培養基注入到消毒的培養皿中并待其固化。培養基固化后把適量的細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。培養皿在 37 ℃ 下保溫 8 h。注意：上述實驗至少重復3次，且所有的聚合物樣品膜都經乙醇清洗及在紫外光下輻照 30 min 的消毒處理。

2 結果與分析

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加成(CuAAC)反應，把炔基化修飾的聚六亞甲基胍(PHMG-Al)引入到聚氨酯的側鏈。當加入PHMG-Al后(如圖2所示)，反應產物在 2104 cm-1處的紅外吸收峰明顯減弱，說明點擊反應順利的進行；而在 3308 cm-1及 3145 cm-1處出現了新的吸收峰，說明反應物中出現了PHMG的結構。這些結果充分證明了PHMG被成功接枝于聚氨酯的側鏈。

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

2.2 熱穩定性

由于PHMG是一種熱穩定性能較好的化合物，且點擊反應生成的三唑環也具有很好的熱穩定性能，因此，PU-PHMG的熱穩定性要稍強于PU，如圖3A所示。隨著PHMG的引入，PU-PHMG的初始分解溫度(Td)增大，其熱穩定性有所提高(如圖3B所示)。聚氨酯經歷兩個階段的分解，其與相應的關于聚氨酯分解溫度的研究相一致[10-11]。其中，第一個分解階段發生在200～340 ℃ 的區間范圍內；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一定的上升。對于第二個分解階段，主要是C-O鍵的斷裂，殘余量的進一步減少。

圖3 聚氨酯(PU)及帶聚六亞甲基胍側鏈聚氨酯(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)計算：

(1)

其中，A為與PU對照接觸后的菌落數，B為PU-PHMG接觸后的菌落數。

如圖4所示，當PHMG在聚合物中的質量分數為0.50%時，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在聚合物中的質量分數達到0.85%時，基本上完全殺滅與其接觸的細菌。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，且表現出優異的抗菌活性。

圖4 與PU、PU-PHMG 1與PU-PHMG 2接觸后，細菌在瓊脂上的存活數

為了排除有微量的PHMG滲透而導致細菌被滅殺，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，發現其與浸泡前沒有明顯的差異，依然表現出很強的抗菌活性，如圖5所示。取PU-PHMG 2及物理混合(PU + PHMG-Al)膜層，對其進行抑菌圈測試，發現PU與PHMG-Al的物理混合膜層出現明顯的抑菌圈，而PU-PHMG 2膜層沒有出現抑菌圈。這些結果說明，PU-PHMG是通過接觸殺菌的方式實現其抗菌功能的。

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散測試

3 結論

以點擊化學為連接策略，高效地制備了側鏈含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出優異抗菌活性，并證明了點擊化學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現其抗菌功能。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；而點擊化學具有正交性的特點，通過可點擊聚合物構建多功能聚合物是一種高效且便利的路徑。