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荆綎|威海 264200)

近年來(lái)，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(guò)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(guò)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?？咕钚晕镔|(zhì)會(huì)快速?gòu)牟牧现嗅尫诺江h(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(wèn)題，研究工作者嘗試開(kāi)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(guò)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(wú)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(guò)緩慢釋放出游離碘，利用游離碘的超強(qiáng)氧化性來(lái)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(guò)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(jiàn)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(guò)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(guó)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(guò)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(guò)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(kāi)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(guò)大腸桿菌(革蘭氏陰性菌)、金黃色葡萄球菌(革蘭氏陽(yáng)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(wú)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(jiàn)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(guò)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(wú)菌手術(shù)衣、防護(hù)服、醫(yī)用無(wú)菌玻片等。

此外，還有通過(guò)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(guò)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(wèn)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(wèn)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(wèn)題，研究人員提出了通過(guò)提高PVP–I 的疏水性來(lái)增強(qiáng)其抗菌活性，延緩其失效時(shí)間。近年來(lái)，隨著納米技術(shù)在開(kāi)發(fā)抗菌聚合物復(fù)合材料中的應(yīng)用，研究人員通過(guò)精確控制聚合物的納米結(jié)構(gòu)形態(tài)(如：形狀和大小)來(lái)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(guò)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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)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(lái)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(guò)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(jiàn)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(guò)靜電紡絲技術(shù)制成PVP–I 納米纖維。M. Ignatova 等[31]研究開(kāi)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(guò)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(guò)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(lái)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(guò)可逆膨脹過(guò)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(guò)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(kāi)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(lái)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(guò)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(yǔ)

近年來(lái)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(jiàn)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?；赑VP–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(kāi)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。