季铵盐类聚合物增强纳米抗菌材料性能的研究进展

2021-02-27 07:34孙宇君

武汉工程大学学报 2021年1期

孙宇君，吕中

武汉工程大学环境生态与生物工程学院，湖北武汉 430205

细菌感染一直影响着人类生产生活的各个方面，对人类生命安全以及世界经济都造成了不良的影响［1］。由于人们在治疗细菌感染时对抗生素的长期滥用和误用，使得细菌不断进化产生了耐药性［2-3］。最近的研究数据表明，全世界每年约有70 万人死于耐药菌的感染性疾病，预计到2050 年这一数字可能上升到1 000 万［4-6］。而在长期的抗菌药物研制中，人们发现将两种及多种抗菌材料联合形成复合抗菌材料，不仅可以在降低药物剂量和细胞毒性的基础上获得更好的抗菌活性，还可以降低细菌耐药性的产生，增加材料的整体治疗效果［7］。

季铵盐类聚合物是指中心为一个带正电荷的氮“头”（N+），不同的基团通过4 个共价键与N+相连形成的聚合物。代表的结构组成是N+R1R2R3RX-和N+R1R2R3X-，其具体结构分布如图1（a）所示［8］。其中X-通常是Cl-、Br-以及I-等阴离子，R 可以是氢原子、烷基、芳基、杂环基团或含官能团的烷基链［9］。根据R 基团的结构差异，季铵盐类聚合物可以被分为含有芳香族或杂环结构的聚合物、丙烯酸和甲基丙烯酸脂类聚合物、阳离子共轭聚合电解质、聚硅氧烷聚合物、聚碳酸酯类聚合物等［9-11］。不同结构季铵盐类聚合物结构如图2 所示［12-13］。

图1 季铵盐类聚合物：（a）结构，（b）抗菌作用机理［8］Fig.1 Quaternary ammonium salt polymers：（a）structure，（b）antibacterial mechanism［8］

季铵盐类聚合物因带有正电荷，很容易与带负电荷的细菌通过静电作用相结合，这一特点使其在抗菌方面的应用广受关注［10，14］。季铵盐类聚合物的抗菌机理如图1（b）所示：聚合物上带正电荷的季铵头（QACs head）首先与带负电的细菌细胞膜进行作用，通过静电相互作用使得季铵基团吸附于细菌外膜上的磷脂分子，随后季铵聚合物中的侧链渗透到膜内区域，瓦解细胞膜结构，最终导致细胞质泄露和细胞裂解［14-15］。由于细菌对其不易产生耐药性以及与细菌细胞膜具有良好的吸附能力等诸多优势，季铵盐聚合物被广泛用作抗菌体系中的基础材料来构筑复合体系［15］。

纳米材料在抗菌领域已被广泛应用，微小的尺寸以及较高的比表面积等特征为其与细菌作用提供了大量结合位点，同时良好的扩散能力和穿透能力也有效提高了其对致病性微生物的抗菌活性［16］。然而，纳米材料在制备或储存过程中容易发生聚集，这严重影响了材料整体的分散性；此外，部分金属纳米材料在生物介质环境中不够稳定，易被氧化从而造成损失［16-17］。纳米材料对正常细胞的细胞毒性也在一定程度上限制了其在抗菌方面的应用［18］。因此，制备多组分且具有协同抗菌作用的复合抗菌材料已逐渐成为研究热点。

利用季铵盐类聚合物对纳米材料进行表面功能化是改善纳米材料分散性和稳定性的有效策略。季铵盐类聚合物所带的电荷斥力使得小分子纳米材料不容易发生团聚现象，而且季铵盐类聚合物的修饰对于一些易受氧化的纳米材料可以起到很好的保护作用［16］。相比于原始无机纳米粒子，季铵化的纳米材料因具有更丰富的正电荷从而更易于与细菌细胞膜结合，并且具有更易于修饰的结合位点，这为多功能复合抗菌材料的制备与应用提供了更大的可能性［18］。目前利用季铵盐类聚合物修饰纳米材料以增强抗菌活性的研究已有不少报道。本文综述了季铵盐聚合物在增强纳米材料的分散性、稳定性、抗菌活性，以及降低生物毒性等方面的应用。

图2 部分典型季铵盐类聚合物的结构式［9-13］Fig.2 Structural formulas of some typical quaternary ammonium salt polymers［9-13］

1 季铵盐类聚合物提高纳米材料的分散性和稳定性

纳米材料因其在催化、光学以及抗菌等诸多领域的优良性能引起了人们的广泛兴趣。由于纳米材料在溶液中易于聚集且易被氧化，不利于后期的应用，因此合成长期稳定的纳米材料具有很大的挑战性。为了解决这些问题，研究人员用聚合物修饰纳米材料以提升稳定性，季铵盐类聚合物便是其中重要的一类［17-18］。

研究发现，季铵盐类聚合物负载于纳米材料时其所带的正电荷能有效增大纳米粒子间的电荷斥力，有助于得到粒径更均匀、稳定性更好以及分散性更高的纳米粒子［17］。基于这一特征，研究者利用具有丰富正电荷的n-烷基化聚（-乙烯基吡啶）（NPVP）对金刚石纳米颗粒进行表面功能化［19］。NPVP 所带的正电荷增加了纳米粒子之间的排斥力，不仅能有效阻碍合成过程中纳米粒子之间的相互聚集作用，还能使已经聚集的大粒径物质重新分解为均匀分布的纳米粒子，实现了小尺寸材料的合成及其在溶液中的稳定悬浮，解决了金刚石纳米材料修饰过程中存在的团聚和分散稳定性差的问题。

除了所带正电荷外，季铵盐聚合物所带的各类基团既能通过配位键与纳米粒子紧密结合，也能通过空间位阻减少纳米粒子之间的团聚现象，对维持材料的稳定性起到了关键作用［17，20］。季铵盐聚合物在紧密结合于纳米颗粒的同时，还能在其表层起到类似于保护膜的作用，这有效降低了材料在空气中被氧化的可能性，提高化学稳定性。Cao 等［21］以季铵化的甲基丙烯酸酯季铵盐（BHPVP）和溴化银（AgBr）为原料合成了AgBr/BHPVP 复合材料。BHPVP 的N+能与Ag 形成Ag-N 配位键来保持AgBr 纳米粒子的稳定性，同时所带的正电荷及其它侧链基团也能通过静电斥力及空间位阻防止纳米粒子之间的聚集，以此得到了粒径均匀且分散良好的AgBr/BHPVP 纳米复合材料。You 等［22］研究也表明，引入合适的季铵盐类聚合物能降低一些易氧化纳米颗粒如金属单质纳米颗粒在空气中被氧化的可能性，提高其化学稳定性。You［22］在合成中将聚季铵盐纤维素（QC）作为一种产生静电斥力的保护配体合成了粒径为1 nm 的QC-Ag 纳米颗粒。QC 通过-OH和-N（CH3）3+与银纳米颗粒相互作用使得纳米颗粒附着在QC 链上，保持颗粒的空间稳定性。同时，剩余带正电的N（CH3）3+基团通过静电排斥力防止Ag 纳米颗粒的团聚。此外，QC 具有的正电荷链为Ag 纳米颗粒提供了一种能有效减少银纳米颗粒与外界的接触的保护外壳，使得QC-Ag 纳米复合材料在维持了较高物理稳定性的同时，还保持了化学性质的稳定性。

季铵盐类聚合物的电荷密度、与纳米颗粒的结合能力以及聚合物与纳米材料的比例都会对季铵化复合纳米材料的分散性和稳定性产生影响。选择合适的季铵盐类聚合物，优化其与纳米材料之间的比例，对于提高复合材料的分散性和稳定性具有重要意义。

2 季铵盐类聚合物增强复合材料抗菌活性

随着细菌感染对社会生活的影响日益严重，人们对抗菌材料的抗菌活性提出了更高的要求，单一抗菌材料已经不能满足人们复杂多样的应用需求，研发制备具有多抗菌途径、高抗菌活性的复合材料已迫在眉睫。将季铵盐类聚合物与纳米抗菌材料结合能赋予复合纳米材料以下优势［8，23］：①季铵盐类聚合物由于带有大量的正电荷，可以通过静电作用与带负电的细菌靶向结合，从而提高局部药物浓度最终提高抗菌效果；②季铵盐类聚合物所带长链的脂肪烃基具有优异的亲脂性，可以使复合材料和细菌细胞膜有更多的接触位点，并与磷脂分子的疏水基团紧密结合，进而导致细胞膜骨架结构解体。

对于自身抗菌活性较差的无机纳米材料，如碳纳米管、金刚石纳米颗粒，季铵盐聚合物的修饰能够大幅提高其抗菌活性（见表1）。如Joo 等［24］合成了季铵化处理的聚2-二甲氨基乙基甲基丙烯酸酯（PDMAEMA）多壁碳纳米管（MWCNT），得到的复合材料对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌具有显著的抗菌作用。带正电荷的PDMAEMA 通过静电作用吸附在细菌细胞表面，与细菌细胞膜结合破坏细胞膜，细胞内容物泄露，最终导致细菌死亡，该材料对大肠杆菌的抗菌效果高度依赖于碳纳米管表面的PDMAEMA 含量。另外，Cao 等［25］研究表明，季铵盐类聚合物中侧链基团与细菌细胞膜之间形成的氢键在药物与细菌的细胞膜的相互作用中也发挥了重要作用。研究人员通过将季铵化聚（4-乙烯基吡啶-co-羟乙基甲基丙烯酸酯）共聚物与纳米金刚石偶联合成高比表面积的季铵化金刚石纳米颗粒，对抗菌机理的研究表明羟乙基甲基丙烯酸酯的羟基可以和细胞膜上的磷酸头基团之间形成氢键，从而增强了材料与细菌脂质双膜的相互作用（图3），使其对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的杀菌能力显著增强。

图3 功能化金刚石纳米颗粒与细菌细胞膜的相互作用［26］Fig.3 Representative interaction between functionalized NDs and bacterial cell membrane［26］

而对于本身具有抗菌活性的无机纳米颗粒，如应用于抗菌领域的二氧化硅纳米材料、氧化锌纳米材料、银纳米材料等，季铵盐所带的正电基团修饰后能够进一步提高纳米材料的靶向性，使得材料和细菌充分接触。Song 等［26］利用一种季铵盐硅烷对二氧化硅纳米粒子进行表面改性，使得粒子表面携带疏水性的烷基并带有正电荷，复合粒子与细菌作用时，带正电荷的季铵基团通过电荷作用吸附于细菌细胞膜并与脂质双分子层结构相互作用，进而疏水的长烷基链插入并破坏细菌外膜，使得细菌细胞完整性受损，最终导致细菌死亡。实验表明其抗菌效果与季铵盐核壳的表面积有一定关系。Gao 等［27］将聚（烯丙基缩水甘油醚-二甲基二烯丙基氯化铵）与纳米氧化锌结合制备成复合抗菌涂层涂覆于棉织物上。经涂覆处理的棉织物能通过静电作用结合细菌，从而高效发挥氧化锌纳米材料对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和白色念珠菌等多种细菌的抗菌作用。

季铵盐聚合物修饰纳米材料除了能提高复合纳米材料对细菌的靶向性之外，其所带的亲脂基团还能使细菌细胞膜渗透性发生改变从而促进纳米材料穿透细胞膜杀死细菌［28-29］。Lin 等［29］使用聚2-（二甲氨基）甲基丙烯酸乙酯合成了一种抗菌纳米粒子Ag@PDMAEMA-C4，发现材料表面的PDMAEMA-C4为材料提供了能与细菌细胞质膜脂质双分子层相容的亲脂段，导致细菌细胞膜流动性降低。最终破坏细菌的细胞质膜，促使银纳米颗粒穿透细菌细胞膜（图4）。

图4 Ag@PDMAEMA-C4对细菌细胞膜的破坏作用［29］Fig.4 Destruction of bacterial cell membrane by AgNPs@PDMAEMA-C4［29］

除了正电基团和亲脂尾部部分，季铵盐类聚合物所具有的其它性质也能从不同方面提升复合材料的抗菌活性。例如Wang 等［30-31］的研究表明，季铵盐类聚合物中阳离子共轭电解质的骨架具有很强的光吸收能力和较高的荧光量子产率，表现出一定的光诱导生物杀灭效应，当与金属纳米颗粒结合时，能够进一步提升复合材料对光能的吸收和转化，同时增加活性氧的生成增强抗菌能力。另外，Song 等［32］的研究还证明季铵盐类聚合物的加入能显著降低复合材料的粒径，从而使其比表面积大幅增加。比表面积的增大既能增加材料与细菌的接触，还能提高材料的离子释放量，增强抗菌活性［33］。

为了满足日益复杂的应用需求，构筑多功能抗菌纳米材料已成为纳米材料的研究趋势。各类季铵盐类聚合物所具有的正电荷基团以及种类丰富的侧链基团为构筑多功能纳米材料奠定了基础。正电荷使得所合成的材料具备一定的靶向性，而侧链基团牢固结合纳米材料的同时也可作为桥梁连接其它功能性分子，进一步功能化纳米材料。目前，已有大量的季铵化复合纳米材料被研究和报道，这些复合材料在实验条件下能通过多种抗菌途径表现出优异的抗菌活性［16-17］。因此，选取符合实际应用方向的季铵盐类聚合物对纳米材料进行修饰和构筑得到具有高靶向性、多途径、高抗菌活性的多功能复合材料意义重大。

表1 基于季铵盐聚合物和无机金属纳米粒子抗菌体系的作用机制Tab.1 Action mechanisms of antimicrobial systems based on quaternary ammonium salt polymer and metallic nanoparticles

3 季铵盐类聚合物降低复合材料的毒性

通常，纳米材料对细菌的抗菌活性都具有较大的浓度依赖性，同时纳米材料对正常细胞的细胞毒性也会随着用药量的增大而加大。研究表明，一些纳米抗菌材料在抗菌过程中不可避免的会对正常细胞产生毒副作用，甚至会破坏正常细胞的结构导致细胞死亡，这限制了抗菌材料在临床治疗中的应用［18］。为了减少抗菌材料对正常细胞的损伤，可以通过提高药物抗菌活性从而减少用量，以及用生物相容性较好的物质进行修饰这两种途径来降低材料本身的毒性。

研究证明，将季铵盐类聚合物与纳米材料结合能够在提高材料抗菌活性，从而降低药物用量，有效减少材料对正常细胞的毒性［17-18］。Velevt等［39］将银离子注入到生物降解性良好且无毒的木质素（EbNPs）中形成以释放Ag+杀菌为主导的复合材料EbNPs-Ag+。EbNPs-Ag+在抗菌时Ag+的使用量对正常细胞的毒性较大，而将聚二烯丙基乙基氯化铵（PDAC）对EbNPs -Ag+表面进行包覆处理得到复合材料［EbNPs-Ag+］-PDAC 时，季铵化的表面增强了材料与细菌表面之间的静电相互作用，促进局部富集的银离子有效杀灭病原菌，使得在达到相同的抗菌效果的条件下Ag+的使用量降低近10 倍，极大降低了在达到有效抗菌效果时复合材料对正常细胞的毒性。

另外，通过调整季铵盐聚合物的亲疏水基团比例也能得到生物相容性优良的低毒性材料。季铵盐聚合物能通过静电相互作用和含有负电荷磷脂的细菌膜结合，而疏水作用则促进了季铵盐聚合物与脂双层膜的结合和插入。当聚合物亲水部分较大时，聚合物能较好地与细胞膜结合，然而，当疏水部分过大时，聚合物对细胞丧失了选择性。季铵盐聚合物对正常细胞的毒性通常是由其所带的疏水烷基引起的。使用具有亲水基团的季铵盐聚合物制备复合材料时，不仅能促使季铵化纳米复合材料更好地作用于细菌并杀灭细菌，还能降低材料对正常细胞的伤害［9，40］。为此，有研究者［25，41］通过对聚合物内基团的改性，制备了一种具有亲水基团的季铵化纳米复合材料，亲水性基团的引入降低了复合材料本身对正常细胞的毒性，同时亲水的-OH 能与细菌细胞膜脂多糖链形成氢键，促进复合材料对细菌细胞膜的作用，阻止细胞摄取营养导致细菌死亡，进而降低了有效抗菌时材料的用量和毒性。

此外，在疏水性颗粒表面修饰亲水性基团可以增加纳米颗粒的亲水性，在保证抗菌特性的基础上提高材料整体的生物相容性［42］。Sarka 等［43］将季铵盐聚合物和乙二醇链组成的亲水性季铵盐聚合物N，N，N-三甲基-3，6，9，12，15-五氧杂十七烷基-17-磺酰-1-溴化铵修饰金纳米棒，修饰后的材料具有更强的亲水性，使得材料整体在抗菌作用时几乎没有细胞毒性。这类通过调控聚合物中的亲疏水基团的比例来降低材料整体毒性的方法是解决纳米抗菌材料毒性的有效方法。

4 季铵盐类聚合物增强纳米抗菌涂层的持久性

纳米材料在实际应用中常被附着于物品表面或棉织物表层制备抗菌涂层，但这类涂层在使用或洗涤时常易脱落或变性，导致抗菌作用降低［44］。目前研究表明［45-47］，加入季铵盐类聚合物能使纳米材料与物品表面连接更加紧密，增强抗菌涂层的稳定性和抗菌持久性。Gao 等［27］将一种环氧基季铵盐聚合物［P（AGE-DMDAAC）］附着于纳米氧化锌（ZnO）表面，并使其紧密附着于棉织物表层形成抑菌棉织物。P（AGE-DMDAAC）既能通过氨基与ZnO 颗粒表面形成稳定的配位键，又能通过侧链环氧基与棉织物纤维的-OH 相互作用牢固结合［图5（a）］。因此P（AGE-DMDAAC）像桥梁一样将ZnO 与棉织物紧密连接，在与ZnO 协同抗菌的同时，提高了抗菌主体ZnO 在棉纤维上的固着程度和耐久性。Yin 等［48］将聚二甲基丙烯酸乙酯（qPDMAEMA）负载于硅晶片之上，同时快速且稳定的将纳米银粒子（AgNPs）原位合成于qPDMAEMA 分子层中。聚合物的存在有效保持了纳米银的稳定性，使其牢固附着于硅晶片表层，并与其相互协同有效增强了涂层整体的抗菌活性。Kang 等［49］使用氯化缩水甘油基三甲基铵（GTAC）将银纳米颗粒通过交联剂交联附着于棉织物，形成GTAC/纳米银复合抗菌棉织物［图5（b）］。经GTAC 与交联剂的交联将纳米银稳定地附着于棉织物形成牢固的抗菌表层，抗菌表层能附着在带负电荷的细菌表面，抑制微生物代谢，且银纳米粒子在微生物细胞失活过程中能增强对细菌细胞膜的渗透性，即使对于具有多重耐药性的铜绿假单胞菌该棉织物也能起到持久有效的灭活作用。

图5 （a）P（AGE-DMDAAC）/纳米ZnO 复合材料固定于棉纤维表面［27］，（b）GTAC 将银纳米颗粒通过交联剂交联附着于棉织物［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］

另外研究还发现［30，50］，利用季铵盐类聚合物自带的正电性质还能通过分层组装技术（LbL）制备简单、通用性强以及具有持久抗菌性能的复合纳米材料抗菌涂层。如Kruk 等［50］借助聚二烯丙基二甲基氯化铵，采用LbL 方法制备了含铜纳米粒子的抗菌薄膜。综上表明，若能合理利用季铵盐类聚合物所带的正电荷、功能基团并且选择合适的连接方式，会使得纳米材料在抗菌薄膜中的应用更加广泛。当然，尽管季铵盐类聚合物/纳米粒子涂层的研究已经取得了显著进展，但其在实际应用方面仍面临着成本较高，难以实现大规模生产等挑战，因此对新型复合抗菌涂层的制备和完善仍然是非常重要的研究内容。

5 结论

作为一种带正电荷的聚合物，季铵盐类聚合物来源广泛且易于修饰，常被用于制备多功能复合纳米材料。将季铵盐类聚合物与纳米材料相结合，不仅能有效提高纳米材料的稳定性、分散性，还能进一步提升纳米抗菌材料的抗菌活性、对细菌的靶向性以及降低材料的毒性。