CN108350170A - 由聚烷撑亚胺及其衍生物官能化的用于水消毒的抗细菌颗粒 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及聚合物修饰的抗细菌颗粒，其包括颗粒芯，其中聚合物通过接头与所述颗粒芯共价结合，并且所述聚合物包括具有胺基或氨基官能团的支化两亲性阳离子聚烷撑亚胺骨架，并且任选地其中所述聚合物的全部或某些胺基或氨基在形成尿烷键条件下进一步与携带季铵基团的两亲的环状碳酸酯反应。在优选的实施方案中，所述芯是由聚乙烯亚胺(polyelkyleneimine)官能化的二氧化硅芯。本发明也涉及制造这种颗粒的方法，以及它们用于水消毒应用中的用途。

Description

由聚烷撑亚胺及其衍生物官能化的用于水消毒的抗细菌颗粒
技术领域
本发明总体上涉及用作水消毒工具的聚合物修饰的颗粒。消毒水的能力是通过用聚烷撑亚胺对颗粒进行表面化学修饰并使用特定的环状碳酸酯衍生物进一步修饰而获得的。
背景技术
水传疾病由能够通过被污染的水直接传播的病原微生物导致，并且它们能够对健康造成不利的后果，或者有时会导致致命的后果，特别在免疫功能不全的人群中。从1971年至2008年，美国报道了公共用水系统中733次水传疾病的爆发，导致579,582例患病和116例死亡。这些疾病的爆发表明，饮用水中的微生物污染物仍是危害健康的一大挑战，并且能够造成实质上的社会经济影响。地下水污染的主要来源是化粪池、粪坑和市政污水管道系统和污水处理储存塘的泄露，以及由于未消毒或消毒不充分导致的问题。
常规消毒方法采用已被证明能有效进行大规模水处理并且防止水传疾病暴发的游离氯、氯胺和臭氧。但是，在消毒过程中，这些化学消毒剂能够与天然水源中各种成分反应，形成消毒副产物(DBP)，已经发现许多消毒副产物是诱变的或者致癌的。此外，考虑到诸如隐孢子虫属(Cryptosporidium)和贾第虫属(Giardia)的某些病原菌对于常规化学消毒剂具有抗性，经常需要极高的消毒剂剂量，因而导致DBP形成加重。虽然紫外线(UV)消毒能够避免不希望的DBP产生，但这项技术经常受限于其高操作成本、维护和能量消耗。由于紫外光必须被吸收进微生物才能实现失活，因而阻碍紫外光与微生物相互作用的任何物质都将损害消毒效果。结果是，UV消毒的有效性取决于水质，而且经常需要进行后-消毒以维持水系统中的细菌学完整性。因此，需要重新评估常规消毒剂，并开发能够避免DBP形成的、有效、成本合算且低能耗的消毒方法。
已有大量的研究专注于研发共价连接阳离子聚合物的持久性抗微生物表面，并且它们中的许多已经被证明能够杀死空气传播和/或水传播的细菌。在这些阳离子聚合物中，含有经长链烷基或芳香基团烷化的季铵基团的、价廉且可商购获得的聚乙烯亚胺(PEI)聚合物，已在包括纳米颗粒和抗细菌涂层的应用中被采用。
先前报道的微颗粒不能满足各方面的需要。这是由于在微颗粒材料上不能有效地固定，以及在任何水消毒方法中涉及的效力或者稳定性问题。由于缺乏稳定性，许多材料在其第一次应用以后就不能再重复使用。因此，存在对一种微颗粒的需要，PEI与该微颗粒结合的方式使得该颗粒可以呈现强的广谱抗细菌活性和可重用性。进一步存在改进聚烷撑亚胺修饰的材料对抗各种类型细菌的有效性的需求。
在这方面，由于它们潜在的长期稳定性、非浸析(non-leaching)特性和环境友好性，以化学方式固定在微颗粒表面、通过接触杀灭来根除细菌的PEI对于水消毒会是理想的。这种微颗粒在连续流柱应用中将会具有易于分散和填充以及易于回收和再生的优势。此外，PEI相对便宜。
在避免使用会造成残留毒性、环境污染和促进细菌耐药性的潜在风险的消毒剂的同时，对于设计和开发旨在提供有效抗菌能力的表面的抗菌材料的需求仍然日益增加。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了聚合物修饰的抗细菌颗粒，其包括颗粒芯，其中聚合物通过接头与所述颗粒芯共价结合，并且所述聚合物包括具有胺基或氨基官能团的支化两亲性阳离子聚烷撑亚胺(branched,amphiphilic cationic polyalkylene imine)骨架，且任选地其中所述聚合物的全部或某些所述胺基或氨基基团已在形成尿烷键的条件下与携带阳离子基团的两亲性环状碳酸酯进一步反应。
有利地，由具有合适链长度的聚烷撑亚胺和环状碳酸酯官能化的所述颗粒施展强的广谱抗细菌活性。根据一个实施方案，所述阳离子骨架是具有约1kDa至约30kDa范围的平均分子量的聚乙烯亚胺(PEI)部分，以确保特别高的消毒活性。所述颗粒可能额外地具有去除病毒的能力。
提供了主要发明的一可选替代方案，其中所述聚烷撑亚胺颗粒与阳离子两性环状碳酸酯接枝。有利地，这些实施方案提供进一步改进的颗粒抗细菌活性。酸化以后，这些颗粒分别在10、40和40mg/mL的低颗粒浓度彻底根除金黄色葡萄球菌(S.aureus)、铜绿假单胞菌(P.aeruginosa)和大肠杆菌(E.coli)的菌落，抵抗大肠杆菌的抗细菌功效具有显著改进。
根据本发明的第二方面，提供用于制备聚合物修饰的颗粒的方法，所述方法包括以下步骤：
a)将聚合物骨架接枝至颗粒，所述颗粒已用接头表面官能化，
b)任选地，使步骤a)的产物与两亲性环状碳酸酯在开环下反应，以形成尿烷键，和
c)使用酸将步骤a)或b)的反应产物酸化，以形成两亲性阳离子骨架。
有利地，这样的方法有利于支化聚烷撑亚胺对诸如二氧化硅颗粒的颗粒官能化。比如，氯丙烷基团官能化的二氧化硅颗粒能够成功地与聚烷撑亚胺中的胺基基团连接。有利地，所述酸化的颗粒针对革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌显示高活性。
根据本发明的第三方面，提供根据本发明的聚合物修饰的颗粒用于从水溶液中去除细菌的用途。根据本发明的颗粒有希望用于大规模水消毒应用，同时规避了对化学处理的需求。
根据本发明的第四方面，提供根据本发明的聚合物修饰的颗粒在水消毒中的用途。有利地，所述颗粒不仅由于其强抗细菌效力而在这样的应用中具有用途，而且所述颗粒能够被回收并于之后的消毒中重复使用，且无活性的显著损失。通过使用同一批颗粒，在重复应用中保持抗细菌效力。
定义
本文中使用的下述单词和术语应当具有指明的含义：
本领域技术人员应理解，除了特定描述的那些，本文描述的发明能允许变化和修饰。这可以理解为本发明包括所有这样的变化和修饰。本发明也包括本说明书中分别或共同提到的或指明的所有步骤、特征、组成和化合物，以及所述步骤或特征的任何和全部组合、或者任两个或更多个。
如本文所使用的术语“聚烷撑亚胺(polyalkylene imine)”在其含义范围内，包括含有重复单元的聚合物，所述重复单元由胺基基团和多碳原子脂肪族亚烷基(-CH2-)x间隔子(比如，具有x＝2、3、4等)组成。“聚乙烯亚胺”(PEI)或者聚氮丙啶相应地在其含义范围内包括具有重复单元的聚合物，所述重复单元由胺基和二碳脂肪族(-CH2CH2-)间隔子组成。
如本文中所使用的术语“支化(branched)”聚烷撑亚胺或者支化PEI指在聚合物链中包含至少一个叔氨基团的聚烷撑亚胺或者PEI。
术语“抗细菌的”是指材料能够消灭细菌或者抑制它们的生长或它们的繁殖能力的能力。
术语“两亲性”是指具有亲水部分和疏水部分的分子的能力。
术语“阳离子”是指具有正电荷且特征在于在电泳中向负极移动的包含离子或离子基团的分子。在本发明的上下文中，所述阳离子基团在某些实施方案中可以特定地涉及质子化的铵基基团或者季铵基团。
如本文所用的术语“烷基”在其含义内包括单价(“烷基”)和二价(“亚烷基”)的直链或支链饱和脂肪族基团，其具有1个至6个碳原子，例如1个、2个、3个、4个、5个或6个碳原子。例如，术语烷基包括但不限于甲基、乙基、1-丙基、异丙基、1-丁基、2-丁基、异丁基、叔丁基、戊基(amyl)、1,2-二甲基丙基、1,1-二甲基丙基、戊基(pentyl)、异戊基、己基、4-甲基戊基、1-甲基戊基、2-甲基戊基、3-甲基戊基、2,2-二甲基丁基、3,3-二甲基丁基、1,2-二甲基丁基、1,3-二甲基丁基、1,2,2-三甲基丙基、1,1,2-三甲基丙基等。烷基可以被任选地取代。
如本文所用的术语“芳基”或变体(诸如“芳族基团”或“亚芳基”)指的是具有6个至10个碳原子的芳族烃的单价(“芳基”)和二价(“亚芳基”)的单个、多核、共轭或稠合残基。这样的基团包括例如苯基、联苯、萘基、菲基(phenanthrenyl)等。芳基可以被任选地取代。
如本文所用的术语“任选取代的”意指该术语所指的基团可以是未取代的，或可以被除氢以外的一个或更多个基团取代，前提条件是不超过所示的原子的正常价，并且取代产生稳定化合物。这样的基团可以是例如卤素、羟基、氧代、氰基、硝基、烷基、烷氧基、卤代烷基、卤代烷氧基、芳基烷氧基、烷硫基、羟基烷基、烷氧基烷基、环烷基、环烷基烷氧基、烷酰基、烷氧基羰基、烷基磺酰基、烷基磺酰氧基、烷基磺酰基烷基、芳基磺酰基、芳基磺酰氧基、芳基磺酰基烷基、烷基亚磺酰氨基、烷基酰氨基、烷基亚磺酰氨基烷基、烷基酰氨基烷基、芳基亚磺酰氨基、芳基甲酰氨基、芳基亚磺酰氨基烷基、芳基甲酰氨基烷基、芳酰基、芳酰基-4-烷基、芳基烷酰基、酰基、芳基、芳基烷基、烷基氨基烷基、基团RxRyN-、RxOCO(CH2)m、RxCON(Ry)(CH2)m、RxRyNCO(CH2)m、RxRyNSO2(CH2)m或者RxSO2NRy(CH2)m(其中Rx和Ry中的每一个独立地选自氢或烷基，或其中，在适当时，RxRy形成碳环或杂环的一部分并且m是0、1、2、3或4)、基团RxRyN(CH2)p-或RxRyN(CH2)pO-(其中p是1、2、3或4)；其中当取代基是RxRyN(CH2)p-或RxRyN(CH2)pO时，Rx与所述基团的(CH2)p部分的至少一个CH2也可以形成碳环基或杂环基基团并且Ry可以是氢、烷基。在该取代基中，所有的烷基和芳基基团等为如上文所定义的类型。
如本文所用的术语“约”在制剂的组分浓度的语境中典型地意指指定值+/-5％，更典型地是指定值+/-4％，更典型地是指定值+/-3％，更典型地是指定值+/-2％，甚至更典型地是指定值+/-1％，并且甚至更典型地是指定值+/-0.5％。
在本公开内容通篇，某些实施方案可以范围的形式被公开。应当了解的是，呈范围形式的说明仅仅是为了方便和简洁并且不应当被解读成对所公开范围(ranges)的范围(scope)的硬性限制。因此，对范围的说明应当被认为是已经具体地公开了该范围内的所有可能的子范围以及单个数值。例如，对诸如1至6的范围的说明应当被认为是已经具体地公开了该范围内诸如1至3、1至4、1至5、2至4、2至6、3至6等子范围以及该范围内的单个数值，例如1、2、3、4、5以及6。无论范围的宽度如何，这均适用。
某些实施方案也可以被宽泛地和上位地描述于本文中。落入上位公开内容内的较窄类别和下位分组中的每一个也形成本公开的一部分。这包括具有从上位中去除任何主题名称的附带条件或负面限制的实施方案的上位描述，不论去除的内容是否在本文被具体地叙述。
具体实施方案
将通过参考具体实施例更详细地进一步描述本发明的非限制性实施方案，其不应当被视为以任何方式限制本发明的范围。
根据第一方面，提供了包括颗粒芯的聚合物修饰的抗细菌颗粒，其中聚合物通过接头与所述颗粒芯共价结合，并且所述聚合物包括具有胺基或氨基官能团的支化两亲性阳离子聚烷撑亚胺骨架，且任选地其中所述聚合物的全部或某些所述胺基或氨基已在形成尿烷键条件下与携带阳离子基团的两亲性环状碳酸酯进一步反应。
通过将支化两亲性聚烷撑亚胺聚合物以化学方法由接头结合到颗粒上而对所述颗粒进行“聚合物修饰”。所述支化两亲性聚烷撑亚胺骨架聚合物在颗粒芯周围形成壳(shell)。所述骨架包括阳离子部分，诸如具有正电荷的铵基基团。
根据本发明的一个实施方案，通过用酸处理所述颗粒，以将更多胺基基团转移到质子化的铵基基团中，可以增加阳离子基团的数目。通过酸化可以获得由高表面[N+]/[N]比表示的合适程度的阳离子基团。具有表面[N+]/[N]比>0.5、优选0.5和0.9之间的经酸化的聚合物修饰的颗粒可以作为高活性的抗菌剂被特别提及，该表面[N+]/[N]比是根据操作实施例的说明由XPS测量的。但是，与环状碳酸酯反应以后获得的颗粒在表面[N+]/[N]比>0.3，优选0.3至0.8的情况下，可能已经十分有效。酸的水溶液能够用于进行酸化。稀释的无机酸水溶液能够被提出作为合适的酸，诸如HCl或者H2SO4。经过该酸化处理之后，可以获得具有增加的阳离子基团和高抗细菌能力的根据本发明的颗粒。
颗粒芯可以是能够共价结合到适宜的接头分子的任何颗粒材料。根据一个实施方案，所述颗粒芯是二氧化硅颗粒。所述颗粒芯的大小可以是约0.1μm至1cm、优选40μm to1cm。根据实施方案，所述颗粒是直径大小为约0.5μm高达500μm的微颗粒。优选地，大小为约1μm至200μm，以及更优选地，约10μm至100μm。可以特别提出颗粒芯直径为约1、20、40、60、80、120、200μm。所述颗粒芯以及最终的颗粒可以是孔径为10至100的多孔材料。
所述聚烷撑亚胺骨架聚合物可以是含有聚烷撑亚胺部分作为聚合物主链的任何聚合物。该主链是支化的。重复单元的亚烷基部分可以是线性的C2至C4-亚烷基链。所述聚烷撑亚胺骨架优选为聚乙烯亚胺(PEI)。所述聚烷撑亚胺可以通过它的一个氨基或者胺基基团与接头相连。
所述聚烷撑亚胺或者PEI骨架可以具有由光散射(LS)确定的约0.1至800kDa的平均分子量。优选地，平均分子量为约1至30kDa。能够被提及的特定范围包括约0.5至40kDa、约0.5至40kDa、约1.5至10kDa、约1.7至7kDa、约1.8至5kDa。根据一个优选的实施方案，平均分子量为约1.2至3kDa。
需要强调的是，与所述颗粒结合的聚烷撑亚胺聚合物不需要被进一步烷基化才能激活。可以使用纯聚烷撑亚胺。
如果使用PEI，则一般情况下骨架也可以由下述式(IV)表示，而不需要精确地具有该结构：
在这种情况下，Mn可以是1,000至70,000、优选1,500至10,000。最优选1,600至2,500。
接头是与颗粒芯以及与支化的聚烷撑亚胺聚合物结合的化合物。它以这种方式通过共价键将颗粒芯与壳相连。所述接头可以与阳离子聚合物骨架通过胺桥共价结合。所述聚烷撑亚胺的氨基基团中的一个可能已被用于这一胺桥中。在二氧化硅颗粒芯情况下，接头可以通过硅氧键与该芯相连。接头可以是经任选地取代的烷基部分。优选可以是丙烷基基团。
根据本发明的可选实施方案，所述聚合物的全部或者某些胺基或氨基基团已在形成尿烷键的条件下与携带季铵基基团的两亲性环状碳酸酯进一步反应。该实施方案是对本发明的颗粒的可选的修饰。
可选的尿烷键连接单元可以通过与阳离子两亲性环状碳酸酯的反应获得。所述碳酸酯的疏水部分可以是亚烷基、烷基芳基alakyl(alkylarylalakyl)或者烷基芳基烷基部分。亲水部分可以是阳离子基团。环状碳酸酯可以是经取代的环状碳酸亚烷基酯，诸如经取代的三亚甲基碳酸酯(TMC)。它可以是甲基三亚甲基碳酸酯(MTC)的衍生物。碳酸亚烷基酯的取代基可以携带季铵基团作为阳离子基团。所述季铵基团可以通过亚烷基、烷基芳基、芳基烷基，或者烷基芳基烷基接头连接，所述接头通过–C(＝O)-O-基团连接到可以任选地由其他取代基(诸如例如烷基)取代的环状碳酸酯上。该季铵基团的部分进一步可为烷基或者芳基烷基取代基。
在最终的颗粒中，颗粒接枝的聚烷撑亚胺的25％至65％、优选35％至55％的伯胺基团可以由尿烷键连接的单元官能化。
可选的尿烷键连接的单元可以由通式(Ia)或者通式(Ib)表示：
其中
m是选自0、1或2的整数；
n是选自0、1或2的整数；和
o是选自4至16的整数。
式(Ia)或式(Ib)的基团相应地与聚合物中的胺单元相连形成尿烷键。
在式(Ia)或式(Ib)中，m优选可以是1。n优选可以是1。o优选可以是6至16。o可以自由地选自诸如5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15或16的任何值。
可以特别提及式(Ia)的部分，其中o选自6-8。
根据本发明的第二方面，提供了用于制备聚合物修饰的颗粒的方法，所述方法包括以下步骤：
a)将支化两亲性阳离子聚烷撑亚胺骨架聚合物接枝至颗粒，所述颗粒已用接头表面官能化，
b)任选地，使步骤a)的产物与两亲性环状碳酸酯在开环下反应，以形成尿烷键，和
c)使用酸将步骤a)或b)的反应产物酸化，以形成两亲性阳离子骨架。
步骤a)是典型的接枝步骤，其中所述聚合物通过接头官能化而与所述颗粒共价结合。所述聚烷撑亚胺骨架可以是含有聚烷撑亚胺骨架部分作为聚合物主链的任何聚合物。它也可以是未修饰的聚烷撑亚胺聚合物。所述聚烷撑亚胺聚合物是支化的。所述支化两亲性阳离子聚烷撑亚胺骨架聚合物可以是支化的聚烷撑亚胺，其中的亚烷基部分可以是线性的C2至C4亚烷基链。根据本发明的某些实施方案，该聚烷撑亚胺可以是支化的聚乙烯亚胺(PEI)。
在步骤a)中用作支化两亲性阳离子骨架聚合物的聚烷撑亚胺或者PEI可以具有由光散射(LS)测量的约0.1至800kDa的平均分子量。优选地，所述平均分子量为约1至30kDa。能够提及的特定范围包括约0.5至40kDa、约0.5至40kDa、约1.5至10kDa、约1.7至7kDa、或者约1.8至5kDa。根据一个优选的实施方案，所述平均分子量为约1.2至3kDa。如果使用PEI，所述骨架一般情况下也可以由上文针对本发明第一方面提及的下式(II)表示。
所述聚烷撑亚胺骨架聚合物要么是可商购获得的材料(例如购自西格玛-奥德里奇公司(Sigma-Aldrich))，要么能够根据已知的聚合方法制备。
聚合物所接枝的颗粒可以是任何材料的官能化的颗粒，其能够与适宜的接头分子共价结合。根据一个实施方案，所述颗粒可以是二氧化硅颗粒。
所述颗粒的尺寸可以为0.1μm至1cm，优选40μm至1cm。根据一个实施方案，所述颗粒为具有约0.5μm至高达500μm直径的尺寸的微颗粒。优选地，尺寸为约1μm至200μm，最优选地约10μm至100μm。可以特别提及的颗粒芯直径为约1、20、40、60、80、120、200μm。所述颗粒可以为多孔材料，具有10至100的孔径。以目表示，优选的颗粒尺寸为70至1000目、优选地200至500目、最优选地200至400目。
根据一个实施方案，所述颗粒为官能化的二氧化硅颗粒。这样的颗粒可以商购获得，或者能自可商购获得的用于二氧化硅的官能化试剂、根据已知方法制造。用于官能化的典型的官能化材料和试剂可以例如从西格玛-奥德里奇公司获得。所述二氧化硅可以由卤烷基或者任选的卤代羧酸部分官能化，其通过硅氧键与所述二氧化硅结合。可以提及由氯丙基或溴丙基基团进行的官能化。能够被特别提及的能够例如与聚烷撑亚胺骨架聚合物的氨基基团反应的下述官能化的二氧化硅材料为3-氯丙基-官能化的硅胶或3-溴丙基-官能化的硅胶、3-羧丙基官能化的硅胶、4-氯化苄-官能化的硅胶、或者丙酰氯-官能化的硅胶。
所述官能化的二氧化硅也能通过使用适宜的试剂，将无定形硅胶上的表面羟基基团由已知的硅烷化方法制备。这样的官能化试剂包括3-氯丙基三甲氧基硅烷、3-氯丙基三乙氧基硅烷等。
载有接头基团的所述官能化二氧化硅的典型载率为约0.1至10％、优选地约1至4％、且最优选地约1.5至3％。所述载率也可以被指定为mmol/g的官能化以后的接头基团。典型的数值为约0.01至10mmol/g、优选地约0.05至5mmol/g、且最优选地约0.05至2mmol/g。能够提及的特定的载率包括约0.08、0.1、0.2、1.0、1.5、3.5和5mmol/g。
接枝步骤a)优选地通过于升高的温度在溶剂的存在下使所述颗粒与聚合物链反应而实行。所述溶剂能够根据与所述聚合物通过已知反应条件发生反应的官能化基团的类型来选择。可以提及极性非质子溶剂作为将卤烷基基团与所述聚合物的氨基或胺基基团连接的适宜试剂，所述极性非质子溶剂诸如二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)、乙酸乙酯、n-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基乙酰胺(DMA)、碳酸丙烯酯及其混合物。在某些实施方案中，所述非质子的极性溶剂是DMSO。反应温度和时间也能根据连接键类型参照已知条件来选择。针对将卤烷基基团与所述聚合物的氨基连接，所述反应优选地在约50至130℃、更优选在70至110℃的温度进行。此时可以提及的典型的反应时间为约5至36小时、优选地10至24小时。
在接枝步骤中反应的聚合物的量可以跨较宽范围变动。典型的比例包括颗粒上每1mmol的接头基团1至1000g聚合物、优选地10至100g、且最优选地15至75g。
聚合物接枝的颗粒通过常规方法分离，并可选地在较高温度(诸如例如约40至80℃)干燥。分离可以包括过滤以及使用溶剂重复清洗的步骤。
根据本发明的某些实施方案，作为步骤a)的产物的所述聚合物接枝颗粒可以进一步与两亲性环状碳酸酯在开环下反应，以形成尿烷键。所述环状碳酸酯可为经取代的环状碳酸亚烷基酯，诸如经取代的三亚甲基碳酸酯。所述环状碳酸酯可以由作为阳离子基团的季铵部分官能化。所述季铵基团可以通过亚烷基、烷基芳基、芳基烷基或者烷基芳基烷基接头、以及–C(＝O)-O-基团连接到环状碳酸酯，所述环状碳酸酯可以任选地经其他取代基(诸如例如烷基)取代。所述季铵基团或氨基基团部分可以进一步作为烷基或芳基烷基取代基。所述环状碳酸酯因而可以由通式(III)描述：[式III]Hal-N+(R3)-(接头)-O-C(＝O)-CAC,
其中Hal是卤素，N是氮，并且R基团是相同或不同的季铵基团的取代基并选自C1-C12-烷基或C1-C3-烷基-苯基；
所述接头是C1-C12-亚烷基基团或者C1-C3-亚烷基-苯基-C1-C3-亚烷基基团；
以及CAC是经任选地取代的环状(C3-C5-亚烷基)碳酸酯，诸如经任选地取代的三亚甲基碳酸酯。
R优选为C1-C8-烷基或苄基。所述接头优选为C6-C10-亚烷基基团或–CH2-苯基-CH2-基团。接头最优选为C8-亚烷基或–CH2-苯基-CH2-基团。CAC优选可为甲基三亚甲基碳酸酯(MTC)。
可以特别提及一种式(III)化合物，其中接头代表–CH2-苯基-CH2-基团，并且至少一个R是C6-C10-烷基。
在某些实施方案中，所述两亲性环状碳酸酯是具有如下通式(IIa)或者通式(IIb)的化合物：
其中
m为选自0、1或者2的整数；
n为选自0、1或者2的整数；
o为选自4至16的整数。
m优选可为1。n优选可为1。o优选可为6至16。但是，其可以自由地选自诸如5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15或者16的任何数值。
所述环状碳酸酯可以选自MTC-Bn-QA-C8和MTC-C8-QA-Bn(参见操作实施例)。
所述环状碳酸酯可以是已知化合物，或者能够根据操作实施例中描述的方法或其他已知方法从已知化合物合成。
在任选的步骤b)中，所述两亲性环状碳酸酯可以通过一步开环亲核加成反应被接枝到聚烷撑亚胺官能化的颗粒上。该反应优选地于升高的温度在溶液中进行。可能提及极性非质子溶剂作为用于将环状碳酸酯与所述聚合物的氨基基团相连接的适宜溶剂，所述极性非质子溶剂诸如二甲基亚砜(DMSO)、二甲基甲酰胺(DMF)、乙酸乙酯、n-甲基吡咯烷酮(NMP)、二甲基乙酰胺(DMA)、碳酸丙烯酯及其混合物。在某些实施方案中，所述非质子的极性溶剂是DMSO。反应温度和时间可以改变。通常，反应在约30至90℃更优选地在40至70℃的温度进行。此时可以提及的典型的反应时间为约5至36小时，优选10至24小时。
所述反应可以在碱存在下进行。能够提及的典型的碱包括选自由以下物质组成的组的碱：KOH、KOCH3、KO(t-Bu)、KH、NaOH、NaO(t-Bu)、NaOCH3、NaH、Na、K、三甲胺、N,N-二甲基乙醇胺、N,N-二甲基环己胺和更高的N,N-二甲基烷基胺、N,N-二甲基苯胺、N,N-二甲基苄胺、N,N,N’N’-四甲基乙二胺、N,N,N’,N”,N”-五甲基二乙烯三胺、咪唑、N-甲基咪唑、2-甲基咪唑、2,2-二甲基咪唑、4-甲基咪唑、2,4,5-三甲基咪唑和2-乙基-4-甲基咪唑。胺碱诸如三甲胺可以是优选的。
就可获得的伯氨基团而言，所述聚烷撑亚胺官能化的颗粒以大致等摩尔的量与所述两亲性环状碳酸酯反应，但是优选地所述环状碳酸酯以过量的摩尔数使用。步骤b)可以通过首先将所述环状碳酸酯溶解在溶剂中，然后任选地与碱一起向溶液中添加所述颗粒来实施。
所述进一步官能化的颗粒通过常规方法分离，并且任选地在真空下干燥。分离可以包括过滤，以及用非质子溶剂重复清洗，所述非质子溶剂可以洗去任意未反应的碳酸酯，诸如二氯甲烷(DCM)。
步骤a)和b)的反应产物被酸化为聚合物链中的质子化胺基。这形成在水消毒中活性更高的官能化颗粒。
步骤c)可以使用稀释的无机酸实施。能够以稀释的形式使用的典型无机酸包括HCl或者H2SO4。经常用过量的稀释酸处理聚合物涂覆的颗粒。可以与酸孵育1至10分钟，并且任选地辅助以超声处理。酸化的颗粒可以通过已知方法分离，并且在储存和用于消毒之前优选用水清洗直至pH约为中性。
根据本发明的方法获得的颗粒是新颖材料，并且也是本发明的一部分。
根据本发明的第三方面，提供了本发明所述聚合物修饰的颗粒的用途，其用于从水溶液中去除细菌。所述水溶液可以优选地是污染水源。优选地，所述聚合物修饰的颗粒根据处理步骤c)以酸化形式使用。通过将含有细菌的介质暴露于颗粒分散体(dispersion)，可以将颗粒分散体用于消毒。所述颗粒分散体可以存在于水介质诸如水中，其可以任选地由常规缓冲液(诸如PBS缓冲液)缓冲。因此，本发明的聚合物修饰的颗粒用于水消毒中的用途是本发明的另一实施方案。根据本发明的颗粒对抗选自革兰氏阳性细菌和革兰氏阴性细菌的细菌显示高效力。金黄色葡萄球菌(S.aureus)、铜绿假单胞菌(P.aeruginosa)和大肠杆菌(E.coli)由于特别高的杀伤率而能被提及。
使用之后，可以分离所述颗粒并再用于消毒。所述颗粒可以通过常规的分离技术分离。可以使用过滤或者离心。因此，其中所述颗粒可以被再循环用于进一步应用的用途也是本发明的一部分。根据本发明的一个实施方案，在重复使用之前用极性溶剂清洗所述颗粒，优选脂肪醇，诸如甲醇、乙醇或者异丙醇。
根据本发明的另一个方面，提供水处理试剂盒，其包括含有根据权利要求1或16的颗粒，连同添加剂或者填充剂的容器，以及任选稀释酸的容器。所述添加剂或填充剂能够包括水缓冲介质、色素、惰性化合物或者本领域中已知的其他典型制剂成分。优选地，所述试剂盒包含含有稀释酸的容器。酸可以用于根据步骤c)的方法活化颗粒。所述稀释酸通常是如上所述的常规无机酸。所述试剂盒中还可以包括用于将颗粒或颗粒分散体注入细菌污染的介质中的设备，以及用于将颗粒与溶剂混合的容器。
实施例
将通过参考具体实施例更详细地进一步描述本发明的非限制性实施例和比较实施例，所述实施例不应当被视为以任何方式限制本发明的范围。
材料
平均Mw为25kDa(Mn～10kDa)和2kDa(Mn～1.8kDa；在水中50wt.％)的支化PEI购自西格玛-奥德里奇公司(圣路易市，密苏里州，美国)，并且在用于将聚合物接枝到二氧化硅表面上之前冻干。用于聚合物接枝的3-氯丙基-官能化的二氧化硅颗粒(SiO2-(CH2)3Cl；230–400目；Cl载量：～1.0mmol/g)购自西格玛-奥德里奇公司。初始二氧化硅颗粒(SiO2；230–400目)购自默克集团(Merck KGaA)(达姆施塔特市，德国)。除非另外说明，否则所有化学试剂，包括来自西格玛-奥德里奇公司的4-(氯甲基)苄醇、8-溴代-正辛醇、N,N-二甲基正辛胺和N,N-二甲基苄胺，以及来自默克集团的二甲基亚砜(DMSO)和浓盐酸(HCl，37％)，都按原样使用。金黄色葡萄球菌(S.aureus；No.6538TM)、铜绿假单胞菌(P.aeruginosa；No.9027TM)和大肠杆菌(E.coli；No.25922TM)购自美国模式菌种收集中心(ATCC；马纳萨斯市，弗吉尼亚州，美国)，并根据标准操作流程复苏。Mueller-Hinton肉汤(MHB)购自BD Diagnostics(斯帕克斯，马里兰州，美国)并根据制造商的说明用于制备微生物生长培养基。磷酸盐缓冲液(PBS,10X,pH＝7.4)购自1st BASE公司(新加坡)，并且用于制备琼脂平板的含有1.5％琼脂的Luria肉汤从Media PreparationUnit(Biopolis Shared Facilitiees，A*STAR,新加坡)获得。
合成环状碳酸酯
合成MTC-OC8H16Br
参考在Pratt,R.C.,Nederberg,F.,Waymouth,R.M.,Hedrick,J.L.Tagging(Alcohols with cyclic carbonate:a versatile equivalent of(meth)acrylate forring-opening polymerization.Chem.Commun.2008,114-116)中报道的操作流程合成MTC-OC8H16Br。在N2气氛下，将溶于无水THF(50mL)中的乙二酰氯溶液(2.42mL,28.58mmol)在30分钟内逐滴添加到含有催化量(3滴)无水DMF的溶于无水THF(50mL)中的5-甲基-5-羧基-1,3-二恶烷-2-酮(MTC-OH；3.08g,19.25mmol)溶液中。搅动溶液1小时，充入N2气流以去除挥发性成分，并且在真空下蒸发。然后将中间产物5-氯甲酰基-5-甲基-1,3-二恶烷-2-酮(5-chlorocarboxy-5-methyl-1,3-dioxan-2-one，MTC-Cl)溶解于无水DCM(50mL)中并使用冰浴冷却至0℃。将溶于无水DCM(50mL)中的8-溴-1-辛醇(3.21mL,17.79mmol)和吡啶(1.56mL,19.22mmol)溶液在30min内逐滴添加到所述MTC-Cl溶液中。将反应混合物在0℃进一步搅动30min，然后在3h内缓慢升温至室温。使用饱和NaCl溶液(100mL)清洗溶液三次，与MgSO4搅动过夜，并过滤。粗产物纯化通过硅胶柱层析进行，使用从己烷到乙酸乙酯/己烷(70/30％v/v)的梯度洗脱，以提供无色液体状态的MTC-OC8H16Br(产量，82％)。1H NMR(400MHz,CDCl3,22℃):δ4.68(d,2H,-CH2OCOO-),4.19(m,4H,-CH2OCOO-和-OCH2-),3.41(t,2H,-CH2Br),1.85(m,2H,-CH2-),1.65(m,2H,-CH2-),1.42(m,2H,-CH2-),1.32(s,9H,-CH2-和-CH3)。
合成MTC-OCH2BnCl
用4-(氯甲基)苄醇作为替代的偶联醇，使用如上所述的类似流程合成MTC-OCH2BnCl。1H NMR(400MHz,CDCl3,22℃):δ7.36(dd,4H,Ph-H),5.21(s,2H,-OCH2Ph-),4.69(d,2H,-CH2OCOO-),4.58(s,2H,-PhCH2Cl),4.20(d,2H,-CH2OCOO-),1.32(s,3H,-CH3)。
合成MTC-Bn-QA-C8和MTC-C8-QA-Bn
通过分别使MTC-OCH2BnCl和MTC-OC8H16Br与各种季铵化试剂反应，合成两亲性环状碳酸酯MTC-Bn-QA-C8和MTC-C8-QA-Bn。为了生成具有从阳离子中心延伸而来的辛基链的环状碳酸酯，用N,N-二甲基正辛胺将MTC-OCH2BnCl季铵化，以产生MTC-Bn-QA-C8(图1)。简言之，将MTC-OCH2BnCl(0.478g,1.6mmol)溶解于10mL ACN中，且向溶液中缓慢滴加N,N-二甲基正辛胺(1.32mL,6.4mmol)，并反应过夜。然后，将反应溶液浓缩至小体积并在Et2O中沉淀，离心，并用Et2O清洗三次。最后，将潮湿的固体在真空下干燥以生产MTC-Bn-QA-C8。1HNMR(400MHz,DMSO-d6,22℃):δ7.53(dd,4H,Ph-H),5.29(s,2H,-OCH2Ph-),4.53(s,2H,--),4.50(dd,4H,-CH2OCOO-),3.22(m,2H,-CH2-),2.94(s,6H,-(CH3)2-),1.77(m,2H,-CH2-),1.29(m,10H,-CH2-),1.28(s,3H,-CH3),0.88(t,3H,-CH3)。
为了生成同时具有阳离子中心和位于辛基链末端的苄基的环状碳酸酯，用N,N-二甲基苄胺将MTC-OC8H16Br季铵化，以生产MTC-C8-QA-Bn(图1)。1H NMR(400MHz,DMSO-d6,22℃):δ7.53(s,4H,Ph-H),4.53(m,4H,-CH2OCOO-和-),4.36(d,2H,-CH2OCOO-),4.14(t,2H,-OCH2-),3.23(m,2H,-CH2-),2.94(s,6H,-(CH3)2-),1.77(m,2H,-CH2-),1.60(m,2H,-CH2-),1.31(m,8H,-CH2-),1.17(s,3H,-CH3)。
于室温在400MHz，在Bruker Advance 400NMR光谱仪上记录环状碳酸酯的1H NMR谱。使用3.2s的采集时间、2.0s的脉冲重复时间、30°的脉冲宽度、5208Hz的谱宽、以及32K的数据点来进行1H NMR测量。针对NMR溶剂峰(CDCl3和DMSO-d6的δ分别是7.26ppm和2.50ppm)引用化学位移。
表面分析
使用配备有单色Al Kα源(1486.7eV)的AXIS Ultra DLD(延迟线检测器)光谱仪(奎托斯分析有限公司；岛津公司，日本)，通过X-射线光电子能谱(XPS)，表征原始的、以及PEI-涂覆的和PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒的表面组成。用双面胶将二氧化硅颗粒封装到标准样品架上。X-射线电源在15kV和5mA运行。在测量过程中，分析仓中的压力通常为10-8mbar及以下。样品表面和检测器之间的角度保持在90°。获得每个样品的测量谱范围从1100至0eV。所有芯能级谱参考285eV的碳1s烃化峰。在谱去卷积时，对于特定谱中的所有组分，高斯峰的线宽(半高全宽)保持恒定。
为了评估聚合物涂层的量，使用Pyris 1TGA设备(珀金埃尔默股份有限公司，沃尔瑟姆，马萨诸塞州，美国)，用标准的坩埚和5-10mg的样品量，在原始的、未涂覆的，以及PEI-涂覆的和PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒上实施热重分析(TGA)。在50mL/min的空气流中，以5℃/min的速率将样品从室温加热至900℃。在测量过程中，将空气引入样品中，以维持氧化环境并去除氧化产物。
抗细菌活性
检测PEI-涂覆的和PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒针对金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌和大肠杆菌的抗细菌活性。首先，将细菌样品接种到MHB中，于37℃以100rpm恒定震荡过夜，以确保它们进入对数生长期。然后调整细菌样品的浓度，以在96孔板上用酶标仪(帝肯集团有限公司，门内多夫，瑞士)在600nm波长测量得到初始光密度(O.D.)读数为0.07，其对应于麦氏溶液1的浓度(3x 108CFU/mL)。进一步稀释细菌样品，以获得初始载量为3x105CFU/mL。之后，将100μL细菌样品添加到96孔板的每一个孔中，其中放置了100μL各种浓度(0–160mg/mL)的聚合物涂覆的二氧化硅颗粒。然后将样品在37℃孵育，以100rpm恒定震荡18h，之后从每个孔中提取10μL上清液，用MHB连续稀释，并接种到琼脂平板上。最后，将所述琼脂平板在37℃孵育18h，且计数克隆形成单位(CFU)的数目，并与对照(未与二氧化硅颗粒孵育的细菌)相比较。每个检测进行三次重复。
为了检查聚合物涂覆的二氧化硅颗粒的杀菌动力学，制备含有细菌样品(100μL,3x 105CFU/mL)和二氧化硅样品(100μL)的96孔板，并于37℃孵育，以100rpm恒定震荡。在预定的时间点，提取10μL上清液，连续稀释并接种到琼脂板上。然后，测定CFU的数量。每个检测进行三次重复。
为了评估聚合物涂覆的二氧化硅颗粒在重复应用中的抗细菌效力，离心细菌样品(3x 108CFU/mL)，并将上清倒出，之后用PBS清洗三次。在PBS中进一步稀释细菌样品，以获得3x 105CFU/mL初始载量。含有细菌样品(100μL,3x 105CFU/mL)和二氧化硅样品(100μL)的96孔板在37℃孵育，以100rpm恒定震荡18h。如上文所述测定CFU的数目。接着，将二氧化硅样品离心，在蒸馏水中清洗，且在水浴中超声处理10min，并将所述循环重复三次。然后将颗粒重悬于含有细菌接种物(100μL,3x 105CFU/mL)的新鲜PBS(100μL)中，并起始新一轮应用。
实施例
实施例1：合成PEI-官能化的二氧化硅颗粒
将具有两种分子量(主要为25-kDa和2-kDa)的支化PEI分别接枝到SiO2-(CH2)3Cl颗粒上。将PEI(5g 25-kDa的PEI或者2g 2-kDa的PEI)首先溶解于50mL的DMSO中，并且将SiO2-(CH2)3Cl颗粒(0.1g,0.1mmol Cl)添加到聚合物溶液中。在90℃持续搅拌混合物18h(图2)。用DMSO重复清洗聚合物涂覆的二氧化硅颗粒，并接着用水清洗三次，以去除未反应的聚合物，之后于60℃干燥。为了将表面接枝的PEI的胺基质子化，用过量的稀释HCl处理所述聚合物涂覆的二氧化硅颗粒，并在超声存在下孵育5min。然后将酸化的颗粒用水重复清洗，直至pH接近中性(即pH＝7)。
实施例2：合成PEI-MTC-官能化的二氧化硅颗粒
通过一步开环亲核加成反应，将两亲性环状碳酸酯接枝到PEI-涂覆的二氧化硅颗粒上。针对25-kDa-PEI-涂覆的二氧化硅颗粒，首先将MTC-Bn-QA-C8(273mg)或者MTC-C8-QA-Bn(292mg)溶解于2mL DMSO中，之后将PEI-涂覆的二氧化硅颗粒(0.1g)和三甲胺(167μL)添加到溶液中。针对2-kDa-PEI-涂覆的二氧化硅颗粒，首先将MTC-Bn-QA-C8(253mg)或者MTC-C8-QA-Bn(270mg)溶解于2mL DMSO中，之后将PEI-涂覆的二氧化硅颗粒(0.1g)和三甲胺(155μL)添加到溶液中。在两种情况下，相对于PEI的伯胺基，过量添加环状碳酸酯。在60℃持续搅动混合物18h。18h之后，用DCM重复清洗PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒三次，以去除未反应的碳酸酯，之后真空干燥。然后如上文所述用稀释酸处理PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒，以将表面接枝的PEI的胺基基团质子化。
结果
根据实施例，制备并表征由PEI或者MTC修饰的PEI接枝的二氧化硅颗粒；确定它们的抗细菌特性。生产PEI-涂覆的二氧化硅颗粒的合成方法涉及：(i)使PEI的伯胺基(即末端基团)与SiO2-(CH2)3Cl颗粒的氯丙基基团反应；和(ii)将表面接枝的PEI酸化，以引入季铵基团。为了生产PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒，其涉及：(i)合成由季铵基团和烷基链组成的两亲性环状碳酸酯，和用这些碳酸酯与PEI的伯胺基团反应，以及(ii)如前述酸化所述表面-接枝的PEI-MTC。
进行用5-甲基-5-羧基-1,3-二恶烷-2-酮(MTC-OH)合成两亲性环状碳酸酯。为了设计具有针对叔胺的反应部分的抗微生物碳酸酯用于季铵化，合成具有苄基氯官能团(MTC-OCH2BnCl)或者溴烷基官能团(例如，含有辛基链的MTC-OC8H16Br)的环状碳酸酯(参见Pratt,R.C.,Nederberg,F.,Waymouth,R.M.；,Hedrick,J.L.Tagging,alcohols withcyclic carbonate:a versatile equivalent of(meth)acrylate for ring-openingpolymerization.Chem.Commun.2008,114-116)。具有反应性侧基的这些环状碳酸酯能够与各种叔胺在温和条件下发生直接季铵化。具体而言，MTC-OCH2BnCl环化碳酸酯由N,N-二甲基正辛胺季铵化，以生产MTC-Bn-QA-C8，其由从阳离子中心延伸出来的辛基链组成。MTC-OC8H16Br环状碳酸酯由二甲基苄胺季铵化，以生产MTC-C8-QA-Bn，其由具有定位在辛基链末端的苄基基团的阳离子中心组成。在实施例中，MTC-C8-QA-Bn的侧基是MTC-Bn-QA-C8的侧基的镜像。针对1H NMR谱验证了这些两亲性环状碳酸酯的化学结构和组成，并且归因于MTC-OCH2BnCl和N,N-二甲基正辛胺的所有峰都可以被清楚地观察到。
根据实施例1，两种分子量(主要为25-kDa和2-kDa)的PEI被分别接枝到SiO2-(CH2)3Cl颗粒上。所述颗粒的粒径范围从40至63μm，具有～1mmol/g的Cl载量。为了生产PEI-涂覆的二氧化硅颗粒，允许PEI的伯胺基团与二氧化硅表面的氯丙基基团反应(图2)。为了使所述PEI-涂覆的二氧化硅颗粒具备抗微生物特性，用HCl使所述表面-接枝的PEI的非质子化的胺基基团酸化，以引入季铵基团(图2)。以这种方式，所述表面-接枝的PEI的质子化季铵基团为阳离子，而非质子化的胺基基团和乙烯骨架充当疏水基团，其在中性pH沿着所述聚合物骨架形成重复的阳离子两亲性结构，而无任何通过疏水基团的进一步化学修饰。
根据实施例2，一系列所描述的两亲性环状碳酸酯被接枝至PEI-涂覆的二氧化硅颗粒上。支化PEI的伯胺、仲胺和叔胺基团的比例为大约25％、50％和25％。本领域中通常假定胺的理论比例。为了生产PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒，允许两亲性环状碳酸酯(MTC-Bn-QA-C8或者MTC-C8-QA-Bn)通过一步开环亲核加成反应与PEI的伯胺基团反应，导致形成稳定的尿烷接头(图2)。为了实现高转换，在60℃搅拌反应混合物至少18h。接下来将所述PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒酸化，以将所述表面-接枝的PEI-MTC中的非质子化胺基季铵化，以赋予抗细菌特性(图2)。
在酸化之前和酸化之后，在PEI-涂覆的和PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒上进行XPS测量。图3显示酸化之前，基于不同PEI分子量的原始的、以及PEI-涂覆的和PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒的碳1s芯能级谱。在高分辨率碳1s谱中，结合能范围为约283-290eV，并且PEI-涂覆的和PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒的谱能够与不同的成分峰相符。对于C-C/C-H键合，碳1s结合能值等于284.5eV。与原始的SiO2颗粒相比，SiO2-25kPEI-非酸化颗粒和SiO2-2kPEI-非酸化颗粒在～286eV和～287eV都呈现两个额外的峰，其分别对应于PEI的胺基基团中的C-NHR键和SiO2-(CH2)3Cl的氯丙基基团中的未反应C-Cl键(图3b和3e)。另一方面，PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒的去卷积峰分别在～284.5、286、287和289eV呈现官能团C-C/C-H、C-O和C-NHR、C-N和C-Cl、以及C＝O，由PEI和/或碳酸酯贡献(图1c-1d和1仁1g)。在287eV和289eV的峰确认了PEI和MTC之间尿烷接头的形成(图2)。综上，这些观察到的峰提示PEI和MTC被成功地接枝到二氧化硅表面上。
图4显示酸化之前和酸化之后，基于不同PEI分子量，PEI-涂覆的和PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒的氮1s芯能级谱。在～399eV和401eV观察到PEI-涂覆和PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒都呈现两个显著的峰，分别由N-H官能团和季铵基团的正电荷氮贡献。通过酸化表面接枝的PEI，SiO2-25kPEI-酸化的颗粒和SiO2-2kPEI-酸化的颗粒分别显示表面[N+]/[N]比从0.26至0.62和从0.23至0.74的显著增加(表1)。这一观察结果表明，酸处理是将表面接枝的PEI的胺基基团质子化并且提高其抗细菌功效的有效方法。然而，表面接枝的25-kDa-PEI-MTC的酸化导致表面[N+]/[N]比例增量最小或无增量(表1)。SiO2-25kPEI-MTC-C8-QA-Bn-酸化的颗粒显示表面电荷从0.29稍微增加至0.39，而Si02-25kPEI-MTC-Bn-QA-C8-酸化的颗粒的表面电荷保持在0.34。与此形成对比，表面接枝的2-kDa-PEI-MTC的酸化显示表面[N+]/[N]比接近SiO2-2kPEI-酸化的颗粒的表面[N+]/[N]比。具体而言，SiO2-2kPEI-MTC-Bn-QA-C8-酸化的颗粒和SiO2-2kPEI-MTC-C8-QA-Bn-酸化的颗粒显示表面电荷分别从0.41至0.77和从0.26至0.62的显著增加。这两种情况之间的不一致性可能是由于酸化步骤对于25-kDa-PEI-MTC和2kDa-PEI-MTC的效率不同。随着两亲性碳酸酯的并入，表面接枝的PEI-MTC的疏水性由于烷基链的出现而增加，从而改进其穿透细菌细胞膜的趋向。同时，PEI/碳酸酯中存在的阳离子基团使得它们可以高度接近细菌细胞，并且与疏水性烷基链一起，能够使得它们具有高度杀菌性。
表1显示PEI-涂覆的和PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒在酸化之前和酸化之后的表面组成。
表1
a从XPS获得的数据；b从TGA获得的数据。
通过TGA验证所述PEI涂层和PEI-MTC涂层，并将原始的、未涂覆的，以及PEI-涂覆的和PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒的TGA曲线显示于图5中。原始的二氧化硅颗粒的TGA曲线呈现两个阶段的曲线，由物理吸着(physisorbed)水(30-130℃)中的初始失重、随后的二氧化硅于较高温度脱羟基组成。由于二氧化硅表面上原始的氯丙基键的热降解，未涂覆的SiO2-(CH2)3Cl颗粒在250和900℃之间显示较高的质量损失。PEI-涂覆的和PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒显示三个阶段的降解曲线：(i)物理吸着水(30-130℃)中的失重，(ii)PEI-和/或PEI-MTC以及尿烷键的降解；和(iii)氯丙基的键的降解和二氧化硅于较高温度脱羟基。25-kDa的PEI被报道在约360℃显示最大降解，而聚(三亚甲基碳酸酯)在200和300℃之间显示降解。通过从SiO2-PEI颗粒的总的质量损失中减去SiO2-(CH2)3Cl颗粒的总的质量损失，应该能够很容易地计算出构成SiO2-PEI颗粒的PEI的含量。可以运用相似的方法计算构成SiO2-PEI-MTC颗粒的MTC的含量。这一定量方法排除了由任何吸着的水分所贡献的重量损失。以这种方式，针对SiO2-25kPEI颗粒和SiO2-2kPEI颗粒计算的PEI含量分别为～0.122mg/mg和0.139mg/mg的SiO2-(CH2)3Cl(表1)。SiO2-25kPEI-MTC颗粒的MTC-Bn-QA-C8含量和MTC-C8-QA-Bn含量分别为～0.154mg/mg和0.179mg/mg的SiO2-25kPEI，其对应于与环状碳酸酯反应的PEI的伯胺基团的～48％和52％的(表1)。而且，SiO2-2kPEI-MTC颗粒的MTC-Bn-QA-C8含量和MTC-C8-QA-Bn含量分别为～0.118mg/mg和0.146mg/mg的SiO2-2kPEI，其对应于与环状碳酸酯反应的PEI伯胺基团的～34％和39％的(表1)。两种两亲性环状碳酸酯对于25kDa-PEI和2kDa-PEI相似的反应性允许对表面接枝的PEI直接的官能化。
PEI-官能化的和PEI-MT官能化的二氧化硅颗粒的抗细菌功效
针对(i)PEI的分子量、(ii)由酸化和MTC修饰导致的表面接枝PEI的亲水/疏水平衡和(iii)表面接枝PEI-MTC中的碳酸酯的阳离子疏水侧基结构的影响，检测溶液中的PEI-涂覆的和PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒的抗细菌活性。图6示出在与不同量的基于25-kDaPEI的PEI-涂覆的和PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒一起孵育之后留存的活的细菌克隆的数目。除非针对金黄色葡萄球菌使用160mg/ml的高颗粒浓度，SiO2-25kPEI-非酸化的颗粒对于抑制细菌生长无效(图6a)。但是，一经酸化，该颗粒显示针对金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌的抗细菌活性的显著改进。特别地，SiO2-25kPEI-酸化的颗粒以40mg/mL完全根除了溶液中的金黄色葡萄球菌克隆，同时以相同的颗粒浓度使铜绿假单胞菌克隆达到三-对数以上的减少(99.9％杀菌)(图6a和6b)。虽然SiO2-25kPEI-酸化颗粒对于大肠杆菌保持无效，但SiO2-25kPEI-MTC-Bn-QA-C8-酸化的颗粒和SiO2-25kPEI-MTC-C8-QA-Bn-酸化的颗粒都能以160mg/mL完全清除细菌克隆(图6c)。虽然SiO2-25kPEI-MTC-酸化的颗粒(10mg/mL)显示比SiO2-25kPEI-酸化的颗粒(40mg/mL)对于金黄色葡萄球菌更高的抗细菌功效，但它们针对铜绿假单胞菌的活性是受损的(图6a和6b)。
图7显示基于2-kDa PEI的PEI-涂覆的和PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒对应的抗细菌结果。与SiO2-25kPEI-酸化的颗粒相比，SiO2-2kPEI-酸化的颗粒针对所有细菌类型、特别是针对金黄色葡萄球菌和铜绿假单胞菌，均显示高抗细菌功效，暗示PEI分子大小对于抗细菌活性的重要性。特别地，SiO2-2kPEI-酸化颗粒在10mg/mL时完全根除金黄色葡萄球菌克隆，同时在相同颗粒浓度使铜绿假单胞菌克隆达到三-对数以上的减少(图7a和7b)。然而，需要较高的SiO2-2kDa-酸化的颗粒浓度，以有效抵抗大肠杆菌(图5c)。支化PEI似乎对大肠杆菌比对金黄色葡糖球菌具有显著更高的MIC(最小抑制浓度)值。经MTC修饰，观察到SiO2-2kPEI-MTC-Bn-QA-C8-酸化的颗粒分别在10mg/mL、40mg/mL和40mg/mL时完全根除金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌和大肠杆菌克隆，与SiO2-2kDa-酸化的颗粒相比，针对大肠杆菌的抗细菌功效显著改进(图7)。但是，SiO2-2kPEI-MTC-C8-QA-Bn-酸化的颗粒针对铜绿假单胞菌和大肠杆菌分别显示降低的抗细菌活性甚至不具有抗细菌活性(图7b和7c)。功效的不一致性提示了抗细菌活性对于碳酸酯侧基结构的依赖性，因此，2kPEI-MTC-Bn-QA-C8-酸化使得比2kPEI-MTC-C8-QA-Bn-酸化能够更接近细菌并具有更高的潜在抗细菌活性。
PEI-官能化的二氧化硅颗粒和PEI-MT官能化的二氧化硅颗粒的杀菌动力学
呈现卓越抗细菌功效的颗粒是SiO2-25kPEI-酸化的颗粒、SiO2-2kPEI-酸化的颗粒和SiO2-2kPEI-MTC-Bn-QA-C8-酸化的颗粒，并且进一步评估它们针对金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌和大肠杆菌的杀菌动力学(图8)。对于金黄色葡萄球菌，SiO2-25kPEI-酸化的颗粒(40mg/mL)与SiO2-2kPEI-酸化的颗粒(10mg/mL)显示相似的杀菌动力学，在处理～2h之后完全消除(图8a)。对于铜绿假单胞菌，SiO2-2kPEI-酸化的颗粒(40mg/mL)以比SiO2-25kPEI-酸化的颗粒(80mg/mL)更快的速率根除了细菌细胞，在处理～1h之后完全消除(图8b)。对于大肠杆菌，SiO2-2kPEI-MTC-Bn-QA-C8-酸化的颗粒(40mg/mL)在处理～2h之后完全消除细菌细胞(图8c)。
PEI-官能化的二氧化硅颗粒和PEI-MT官能化二氧化硅颗粒的重复应用
还研究了PEI-涂覆的和PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒在重复应用中针对金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌和大肠杆菌的抗细菌功效(图9)。SiO2-2kPEI-酸化的颗粒和SiO2-2kPEI-MTC-Bn-QA-C8-酸化的颗粒能够提供至少两倍的可重用性，针对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌分别具有99％以上的抗细菌功效。然而，SiO2-2kPEI-酸化的颗粒在第三轮应用中针对铜绿假单胞菌显示抗菌功效降低。细菌细胞能够通过静电作用或者疏水作用或者这二者吸附在固体表面上。杀菌活性降低可能是由于死细胞碎片堆积在二氧化硅表面，其随后在接下来的应用中降低了PEI或者PEI-MTC与细菌细胞的相互作用。通过在将所述颗粒暴露于新的细菌培养物之前用乙醇将其彻底清洗，可以缓解这一问题。
根据实施例，制备抗微生物二氧化硅颗粒的温和方法，所述颗粒用PEI官能化，或者用由两亲性环状碳酸酯通过温和的开环反应修饰的PEI功能化，所述环状碳酸酯由季铵基和疏水烷基链组成。PEI的分子大小对于抗细菌活性具有重要影响。SiO2-2kPEI-酸化的颗粒针对所有细菌类型显示比SiO2-25kPEI-酸化的颗粒更高的抗细菌功效。而且，碳酸酯的侧基结构也影响抗细菌活性，并且特别是，一旦由MTC-Bn-QA-C8修饰，SiO2-2kPEI-MTC-Bn-QA-C8-酸化的颗粒在低颗粒浓度下呈现卓越的广谱抗细菌功效。最后，SiO2-2kPEI-酸化的颗粒和SiO2-2kPEI-MTC-Bn-QA-C8-酸化的颗粒显示快速的杀菌速率，并且它们的抗细菌特性甚至在使用同一批颗粒重复应用后仍能保持。所有的PEI-涂覆的和PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒都具有用于水消毒的巨大潜力，不需要进行化学处理。
附图说明
附图图示说明了所公开的实施方案或者反应流程，并且用来阐明所公开的实施方案的原理。然而，应当了解的是，所述附图仅旨在用于图示说明实施例的目的，而不用作对本发明的限制。
图1
图1是由不同的侧基结构组成的两亲性环状碳酸酯的合成示意图。
图2
图2是PEI-官能化的和PEI-MTC-官能化的二氧化硅颗粒的合成示意图。
图3
图3显示(a)原始的和(b、e)PEI-涂覆的和(c-d和f-g)PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒的碳1s芯能级谱。(b-d)和(e-g)分别对应于25kDa-涂覆的和2kDa-涂覆的二氧化硅颗粒。对于PEI-涂覆的二氧化硅颗粒，红色、绿色和蓝色的峰分别与C-C/C-H键合的碳(～284.5eV)、C-NHR键合的碳(～286.0eV)、以及C-Cl键合的碳(～287.0eV)相关。对于PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒，红色、绿色、蓝色和黄色的峰分别与C-C/C-H键合的碳(～284.5eV)、C-O和C-NHR键合的碳(～286.0eV)、C-N和C-Cl键合的碳(～287.0eV)、以及C＝O键合的碳(～289.0eV)相关。
图4
图4显示(a、d)PEI-涂覆的和(b-c和e-f)PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒在酸化之前和酸化之后的氮1s芯能级谱。(i)和(ii)分别对应于基于25-kDa PEI和2-kDa PEI的PEI-涂覆或PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒。红色和绿色的峰分别与N-H键合的氮(～399.0eV)和季铵键合的氮(～401.0eV)相关。
图5
图5显示原始的、未涂覆的、以及PEI-涂覆的和PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒的TGA曲线。(a)和(b)分别对应于基于25-kDa PEI和2-kDa PEI的PEI-涂覆的和PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒。
图6
图6显示基于25-kDa PEI的不同量的PEI-涂覆的和PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒针对(a)金黄色葡萄球菌、(b)铜绿假单胞菌和(c)大肠杆菌的抗微生物功效，初始细菌数为3x 105CFU/mL，并且在37℃孵育18h。将连续稀释的小量培养基置于琼脂平板上评估微生物存活。通过在细胞悬液中不加入二氧化硅颗粒而实施对照实验(黑色柱)。白色的圆形或图案化圆形显示没有观察到克隆。数据对应于平均值±标准差(n＝3)。
图7
图7显示基于2-kDa PEI的不同量的PEI-涂覆的和PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒针对(a)金黄色葡萄球菌、(b)铜绿假单胞菌、和(c)大肠杆菌的抗微生物功效，初始细菌数为3x 105CFU/mL，并且在37℃孵育18h。将连续稀释的小量培养基置于琼脂平板上评估微生物存活。通过在细胞悬液中不加入二氧化硅颗粒而实施对照实验(黑色柱)。白色的圆形或图案化圆形显示没有观察到克隆。数据对应于平均值±标准差(n＝3)。
图8
图8显示由不同量的PEI-涂覆的和PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒对初始细菌数为3x 105CFU/mL的(a)金黄色葡萄球菌、(b)铜绿假单胞菌和(c)大肠杆菌的细菌杀伤时间进程。将连续稀释的小量培养基置于琼脂平板上评估微生物的存活。通过在细胞悬液中不加入二氧化硅颗粒而实施对照实验(黑色柱)。数据对应于平均值±标准差(n＝3)。
图9
图9显示PEI-涂覆的和PEI-MTC-涂覆的二氧化硅颗粒的重复抗细菌分析结果。将颗粒与细菌细胞(3x 105CFU/mL)在PBS中在37℃孵育18h。将连续稀释的小量培养基置于琼脂平板上评估微生物存活情况。然后，将颗粒离心、清洗，并在水中重复超声处理三次。然后将颗粒重悬于含有细菌细胞接种物(3x 105CFU/mL)的新鲜PBS中，并起始新一轮应用。数据对应于平均值±标准差(n＝3)。
工业实用性
根据本发明第一部分的聚合物修饰的颗粒施展强的广谱抗细菌活性。它们能允许大量生产和按比例扩大，用于水消毒应用，同时规避了对于化学处理的需求。它们也能够在使用后被回收。
所述聚合物修饰的颗粒在希望无化学品、温和杀菌(尤其在污染水源中)的应用中可以取代常规的抗微生物剂。
将显而易见的是，本发明的各种其他改动方案和适应性方案在本领域技术人员阅读了上述公开内容之后是可以获得的，且不脱离本发明的精神和范围，并且所有这些改动方案和适应性方案意图落入所附权利要求书的范围内。

Claims (25)

1.一种聚合物修饰的抗细菌颗粒，其包括颗粒芯，其中聚合物通过接头与所述颗粒芯共价结合，并且所述聚合物包括具有胺基或氨基官能团的支化两亲性阳离子聚烷撑亚胺骨架。
2.根据权利要求1所述的聚合物修饰的颗粒，其中所述聚合物的全部或某些所述胺基或氨基基团已在形成尿烷键的条件下与携带阳离子基团的两亲性环状碳酸酯进一步反应。
3.根据权利要求2所述的化合物，其中所述两亲性环状碳酸酯的所述阳离子基团是季铵基团。
4.根据权利要求1或2所述的聚合物修饰的颗粒，其中所述颗粒已通过用酸预处理以增加质子化的铵基基团的量而被活化。
5.根据权利要求1或2所述的聚合物修饰的颗粒，其中所述颗粒芯是二氧化硅芯。
6.根据权利要求1或2所述的聚合物修饰的颗粒，其中所述阳离子骨架是聚乙烯亚胺(PEI)部分。
7.根据权利要求1或2所述的聚合物修饰的颗粒，其中所述阳离子骨架是具有分子量范围为约1kDa至约30kDa、优选约1.2至3kDa的聚烷撑亚胺部分。
8.根据权利要求1或2所述的聚合物修饰的颗粒，其中所述任选的尿烷键连接的单元可以由通式(Ia)或者通式(Ib)表示：
其中
m是选自0、1或2的整数；并且优选为1；
n是选自0、1或2的整数；并且优选为1；和
o是选自4至16的整数，优选6至10。
9.根据权利要求1所述的聚合物修饰的颗粒，其中所述接头包括经任选地取代的烷基部分、优选丙基基团。
10.根据权利要求9所述的聚合物修饰的颗粒，其中所述接头通过胺桥与所述阳离子骨架共价结合。
11.一种用于制备聚合物修饰的颗粒的方法，其包括以下步骤：
a)将支化两亲性阳离子聚烷撑亚胺骨架聚合物接枝至颗粒，所述颗粒已用接头表面官能化，
b)任选地，使步骤a)的产物与两亲性环状碳酸酯在开环下反应，以形成尿烷键，和
c)使用酸将步骤a)或b)的反应产物酸化，以形成两亲性阳离子骨架。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述聚合物骨架是具有分子量范围为约1kDa至约30kDa、优选约1.2至3kDa的聚乙烯亚胺(PEI)单元。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的方法，其中步骤a)的所述颗粒由卤烷基部分、优选氯丙基或溴丙基基团官能化。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中所述颗粒大小为40μm至1cm。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述两亲性环状碳酸酯由季铵基部分官能化。
16.根据权利要求11所述的方法，其中所述两亲性环状碳酸酯是具有式(III)的化合物
[式III] Hal-N+(R3)-(接头)-O-C(＝O)-CAC，
其中Hal是卤素，N是氮，并且R基团是相同或不同的季铵基团的取代基并选自C1-C12-烷基或C1-C3-烷基-苯基；
所述接头是C1-C12-亚烷基基团或者C1-C3-亚烷基-苯基-C1-C3-亚烷基基团；并且
CAC是经任选地取代的环状(C3-C5-亚烷基)碳酸酯，诸如经任选地取代的三亚甲基碳酸酯。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述接头是C1-C3-亚烷基-苯基-C1-C3-亚烷基基团，并且至少一个R基团是C6-C10-烷基。
18.根据权利要求15所述的方法，其中所述两亲性环状碳酸酯是具有如下通式(IIa)或者通式(IIb)的化合物：
其中
m为选自0、1或者2的整数；
n为选自0、1或者2的整数；
o为选自4至16的整数。
19.根据权利要求18所述的方法，其中在式(IIa)中，o选自6至8。
20.根据权利要求11至18中任一项所述的方法，其中步骤c)的所述酸化是使用稀释的无机酸、诸如盐酸来进行。
21.一种根据权利要求11至20中任一项所述的方法获得的颗粒。
22.一种根据权利要求1至10或者权利要求21中任一项所述的聚合物修饰的颗粒用于从水溶液中去除细菌的用途。
23.一种根据权利要求1至10或者权利要求21中任一项所述的聚合物修饰的颗粒用于水消毒的用途。
24.根据权利要求22或者23所述的用途，其中所述颗粒可以被回收用于进一步的用途。
25.一种水处理试剂盒，其包括含有根据权利要求1至10或者权利要求21中任一项所述的颗粒连同添加剂或者填充剂的容器，以及任选地稀释酸的容器。
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