CN112552765A - 一种季铵盐阳离子抗菌防污涂层及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种季铵盐阳离子抗菌防污涂层及其制备方法与应用，所述的季铵盐阳离子抗菌防污涂层设置在基材的表面，包括外层的聚乙二醇结构和内层的季铵盐阳离子聚合物结构，所述的聚乙二醇结构和季铵盐阳离子聚合物结构通过席夫碱结构结合在一起，形成具有分层结构的聚合物刷。这样，在正常或者轻微感染的情况下，外层的聚乙二醇结构可有效抑制细菌的粘附，当发生严重感染时，细菌会分泌出酸性物质导致席夫碱断裂，从而暴露出内层的季铵盐阳离子聚合物结构，以杀死细菌并抑制感染。本发明的季铵盐阳离子抗菌防污涂层制备方法简单安全，溶液稳定性好，且具有长效抗菌防污功能，可广泛用于生物工程以及生物医学领域。

Description

一种季铵盐阳离子抗菌防污涂层及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及一种季铵盐阳离子抗菌防污涂层及其制备方法与应用，属于抗菌涂层技术领 域。
背景技术
医用设备、诊疗器械、植入体等因其具有优越的综合性能在临床上得到广泛应用，但是， 由于植入材料多为生物惰性材料，其植入安全性受到植入相关感染的严重威胁。对于这些植 入材料来说，细菌的初始附着和随后细菌的定植是引起感染的主要原因，这不仅限制了植入 器件的使用寿命，还可能导致严重的并发症甚至死亡。因此，改善植入材料的抗菌性能至关 重要。
近年来，季铵盐阳离子聚合物由于其抗菌周期长、无系统性副作用、产生抗药性低等优 势引起了科研工作者的极大关注。季铵盐阳离子聚合物主要通过破坏细菌的细胞膜而实现高 效杀菌。然而，在材料表面应用季铵盐阳离子聚合物也面临着挑战：带正电荷的表面可以吸 附血液中的蛋白质，导致表面污损并发生阻塞；带负电荷的红细胞与季铵盐阳离子聚合物可 能产生静电相互作用以引发溶血。为了改善季铵盐阳离子聚合物涂层的血液相容性和防污性 能，亲水聚合物聚乙二醇、两性离子聚合物、非离子聚合物等被引入涂层表面，如中国专利 申请号201910619138.2的发明专利提供了一种季铵盐类两亲性阳离子聚合物及其应用，采用 疏水性甲基丙烯酸酯类单体(B)与季铵盐阳离子单体(T)的无规共聚物P(B/T)或者聚乙二醇 (PEG)与所述的无规共聚物P(B/T)的嵌段共聚物(PEG-P(B/T))形成具有较高抗菌性的两亲 性阳离子聚合物，并通过溶液、涂层、凝胶或共混应用到其它材料中发挥抗菌作用，但是其 研究并未深入探索两亲性阳离子聚合物作为植入材料涂层的应用，尤其缺乏其作为植入材料 涂层所需具备的长期抗菌效果的研究。
此外，分层的聚合物刷和响应结构也可以提高抗菌表面的生物相容性。通过外部刺激， 例如水合作用、pH值、光、温度和盐浓度，使涂层表面从具有生物相容性变为具有杀菌性。 但是，外部刺激难以施加到体内，显然这限制了它们的应用。
鉴于此，本发明基于自适应的概念，设计具有分层结构的聚合物刷，将具有杀菌功能的 季铵盐阳离子聚合物作为内层结构，具有防污性能的聚乙二醇(PEG)作为外层结构，通过 席夫碱结构整合在一起。这里的自适应是指根据外部环境的变化，自身做出相应的转换来加 以应对，本发明的自适应概念是指在正常或者轻微感染的情况下，PEG层发挥作用来抑制细 菌的粘附，但是一旦发生严重感染(此时细菌会分泌出酸性物质)，导致席夫碱断裂内部杀 菌层得以暴露，以杀死细菌并抑制感染。
发明内容
本发明的第一个目的在于提供一种季铵盐阳离子抗菌防污涂层。
本发明的第二个目的在于提供一种上述季铵盐阳离子抗菌防污涂层的制备方法。
本发明的第三个目的在于提供一种上述季铵盐阳离子抗菌防污涂层在生物工程以及生物 医学领域的应用。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明的第一个方面提供了一种季铵盐阳离子抗菌防污涂层，所述的季铵盐阳离子抗菌 防污涂层设置在基材的表面，包括外层的聚乙二醇结构和内层的季铵盐阳离子聚合物结构， 所述的聚乙二醇结构和季铵盐阳离子聚合物结构通过席夫碱结构结合在一起，形成具有分层 结构的聚合物刷；所述的季铵盐阳离子聚合物的结构如下式1所示：
Figure BDA0002811527580000021
其中，R1、R2和R4各自独立地为H或CH3；R3是取代基为1～10个碳原子构成的烷基链；R5是取代基为1～18个碳原子构成的烷基链；x，y，z为各单体结构单元的数目，且x： y：z＝(10～80)：(1～20)：(10～90)。
进一步地，所述的季铵盐阳离子聚合物结构是由含苯甲醛基团的单体、含季铵盐阳离子 基团的单体以及含有烷基链的丙烯酸酯单体通过自由基聚合得到的。
进一步地，所述的基材的材质为不锈钢、钛合金、玻璃、硅橡胶、聚丙烯、聚四氟乙烯、 聚氯乙烯、聚碳酸酯或聚二甲基硅氧烷中的一种。
本发明的第二个方面提供了一种上述季铵盐阳离子抗菌防污涂层的制备方法，包括如下 步骤：
季铵盐阳离子聚合物的合成，合成路线如下式2所示：
Figure BDA0002811527580000031
合成步骤包括：
将含苯甲醛基团的单体、含季铵盐阳离子基团的单体、含有烷基链的丙烯酸酯单体以及 引发剂溶于溶剂DMF中，在氮气条件下，持续反应、纯化后得所述季铵盐阳离子聚合物；
其中，含苯甲醛基团的单体、含季铵盐阳离子基团的单体、含有烷基链的丙烯酸酯单体 的摩尔比为(10～80)：(1～20)：(10～90)；单体的总质量与溶剂的质量的比为(5～20)：(80～ 96)；引发剂的质量与单体总质量的比为(0.1～5.0)：(95.0～99.9)；
(2)季铵盐阳离子抗菌防污涂层的制备
将上述步骤(1)所制得的季铵盐阳离子聚合物在溶剂二氯甲烷或乙醇与异丙醇的混合溶 液中混合均匀制成涂布液，然后涂布在基材表面，室温干燥后得到季铵盐阳离子聚合物涂层；
将上述季铵盐阳离子聚合物涂层置于不高于1000mg/mL单端氨基聚乙二醇的水溶液中 反应后，再用PBS和去离子水清洗三次，自然干燥后得到季铵盐阳离子抗菌防污涂层。
进一步地，所述的引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈或过氧化二苯甲酰中的一种。
进一步地，所述的涂布的方式为浸涂、旋涂、喷涂或电泳涂布中的一种。
进一步地，所述的单端氨基聚乙二醇的分子量为1000～20000Da。
本发明的第三个方面在于提供一种上述季铵盐阳离子抗菌防污涂层在生物工程以及生物 医学领域的应用，所述的季铵盐阳离子抗菌防污涂层，在正常情况下，外层的聚乙二醇结构 可以有效地防止细菌粘附，从而达到防污效果，当发生局部细菌感染时基材表面的微环境变 为弱酸性时，席夫碱结构被破坏而断裂，内层的季铵盐阳离子聚合物结构暴露而出，使涂层 表面性能从抑菌防污转变为杀菌，从而可作为医用设备、诊疗器械、植入体表面的抗菌防污 材料使用。
由于采取以上技术方案，本发明的季铵盐阳离子抗菌防污涂层具有以下有益效果：
1、本发明的季铵盐阳离子抗菌防污涂层，通过简单的调节单体单元的比例即可得到可以 调控细胞粘附行为的自适应性抗菌防污涂层；
2、本发明的季铵盐阳离子抗菌防污涂层，其涂层流平性和细胞相容性较好，且样品浸泡 在PBS中60天后，涂层剩余质量仍大于90％，可达到长期抗菌防污效果；
3、本发明的季铵盐阳离子抗菌防污涂层，涂层表面可显著抑制细菌初始接触，且通过席 夫碱的协同作用产生优异的抑菌作用，还可在缓冲溶液作用下实现从抑菌到杀菌行为的转换， 且杀菌效率优异；
4、本发明的季铵盐阳离子抗菌防污涂层制备方法简单，溶液稳定性好，且具有长效抗菌 防污功能，可广泛用于生物工程以及生物医学领域，如医用设备、诊疗器械、植入体等方面。
附图说明
图1为实施例1～3所制得的季铵盐阳离子聚合物8C-PMQE-CHO-30、8C-PMQE-CHO-40 和8C-PMQE-CHO-45的1H NMR谱图；
图2为实施例4～6所采用的医用不锈钢316L基材SS及其所制得的涂层样品 SS-8C-PMQE-CHO-30、SS-8C-PMQE-CHO-40、SS-8C-PMQE-CHO-45、SS-8C-PMQE-PEG-30、 SS-8C-PMQE-PEG-40、SS-8C-PMQE-PEG-45、SS-8C-PMQE-RE-30、SS-8C-PMQE-RE-40 和SS-8C-PMQE-RE-45的水接触角图片；
图3为L929细胞接种在实施例4～6所采用的医用不锈钢316L基材SS及其所制得的涂 层样品SS-8C-PMQE-CHO-30、SS-8C-PMQE-CHO-40、SS-8C-PMQE-CHO-45、 SS-8C-PMQE-PEG-30、SS-8C-PMQE-PEG-40、SS-8C-PMQE-PEG-45、SS-8C-PMQE-RE-30、 SS-8C-PMQE-RE-40、SS-8C-PMQE-RE-45表面培养24h和48h后的荧光显微镜图片；
图4为金黄色葡萄球菌(S.aureus)在SS、SS-8C-PMQE-CHO-40和SS-8C-PMQE-PEG-40 样品表面培养10h(a)和24h(c)的抗菌测试定量统计数据图，以及在PBS中浸泡2周后，金黄色葡萄球菌(S.aureus)在SS、SS-8C-PMQE-CHO-40和SS-8C-PMQE-PEG-40样品表面培养10h(b)和24h(d)的抗菌测试定量统计数据图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例与附图对本发明 进行具体描述。
本发明实施例中各英文缩写表示的含义如下：
MAEBA为对-(2-甲基丙烯酸乙氧基)-苯甲醛；
QA8C为N,N,N-二甲基辛基铵基甲基丙烯酸乙酯；
EHA为甲基丙烯酸异辛酯；
AIBN为偶氮二异丁腈；
DMF为N,N-二甲基甲酰胺；
PEG-NH2为单端氨基聚乙二醇；
PBS为磷酸缓冲盐溶液。
实施例1～3
本发明实施例1～3所用原料及其用量如下表1所示：
表1
Figure BDA0002811527580000051
在100mL的圆底烧瓶中，根据表1所示配比，依次加入溶剂DMF、引发剂AIBN、单 体MAEBA、单体QA8C、单体EHA，通N2除氧后抽真空密封，置于65℃油浴中磁力搅拌反 应24小时。待反应结束后，冷却至室温，用无水乙醚作为沉淀剂，反复提纯3次。最后真空 干燥至恒重，得到实施例1～3的季铵盐阳离子聚合物，分别记作8C-PMQE-CHO-30、 8C-PMQE-CHO-40、8C-PMQE-CHO-45。如图1所示为实施例1～3的季铵盐阳离子聚合物 8C-PMQE-CHO-30、8C-PMQE-CHO-40、8C-PMQE-CHO-45的1H NMR谱图，图中，其季铵 盐阳离子聚合物各个位置的氢原子都能够找到与之相对应的化学位移峰，证明了实施例1～3 所制备的产物。
实施例4
采用浸涂的方式，在医用不锈钢316L基材(SS)表面制备季铵盐阳离子抗菌防污涂层 样品SS-8C-PMQE-PEG-30及其席夫碱断裂涂层样品SS-8C-PMQE-RE-30，具体制备步骤如下所述：
将实施例1所制得的季铵盐阳离子聚合物8C-PMQE-CHO-30溶解在溶剂二氯甲烷中，混 合均匀后得到5mg/mL的涂布液，待用；然后采用400目以及1000目的砂纸对医用不锈钢 316L基材(SS)表面的氧化层分别进行打磨，经丙酮、乙醇对其表面清洗干燥后，浸泡在上 述涂布液中1min，取出并置于室温中干燥，如此重复浸泡和干燥三次，得到季铵盐阳离子聚 合物涂层样品SS-8C-PMQE-CHO-30；
将上述季铵盐阳离子聚合物涂层样品SS-8C-PMQE-CHO-30浸入含有250mg/mLPEG-NH2(Mw＝2000Da)的水溶液中，于30℃下搅拌反应24h后，用PBS和去离子水清 洗三次，然后自然干燥，得到季铵盐阳离子抗菌防污涂层样品SS-8C-PMQE-PEG-30；
将上述季铵盐阳离子抗菌防污涂层样品SS-8C-PMQE-PEG-30浸入3mL的HAc-NaAc缓 冲液(HAc：NaAc的摩尔比＝37:63，pH＝5.0)中，在37℃，以150r/min的转数振荡24h， 反应后，经去离子水冲洗3遍，干燥，得到席夫碱断裂涂层样品SS-8C-PMQE-RE-30。
实施例5
采用浸涂的方式，在医用不锈钢316L基材(SS)表面制备季铵盐阳离子抗菌防污涂层 样品SS-8C-PMQE-PEG-40及其席夫碱断裂涂层样品SS-8C-PMQE-RE-40，其制备步骤同实施例4，区别仅在于：实施例5采用实施例2所制得的季铵盐阳离子聚合物8C-PMQE-CHO-40代替实施例1所制得的季铵盐阳离子聚合物8C-PMQE-CHO-30参加反应，得到季铵盐阳离子聚合物涂层样品SS-8C-PMQE-CHO-40，进而得到季铵盐阳离子抗菌防污涂层样品 SS-8C-PMQE-PEG-40涂层样品以及席夫碱断裂涂层样品SS-8C-PMQE-RE-40。
实施例6
采用浸涂的方式，在医用不锈钢316L基材(SS)表面制备季铵盐阳离子抗菌防污涂层 样品SS-8C-PMQE-PEG-45及其席夫碱断裂涂层样品SS-8C-PMQE-RE-45，其制备步骤同实施例4，区别仅在于：实施例6采用实施例3所制得的季铵盐阳离子聚合物8C-PMQE-CHO-45代替实施例1所制得的季铵盐阳离子聚合物8C-PMQE-CHO-30参加反应，得到季铵盐阳离子聚合物涂层样品SS-8C-PMQE-CHO-45，进而得到季铵盐阳离子抗菌防污涂层样品 SS-8C-PMQE-PEG-45涂层样品以及席夫碱断裂涂层样品SS-8C-PMQE-RE-45。
性能测试
(1)涂层表面的亲疏水性能测试
表面亲疏水性质是涂层的重要特性之一。本发明对实施例4～6所采用的医用不锈钢316L 基材SS及其所制得的涂层样品SS-8C-PMQE-CHO-30、SS-8C-PMQE-CHO-40、 SS-8C-PMQE-CHO-45、SS-8C-PMQE-PEG-30、SS-8C-PMQE-PEG-40、SS-8C-PMQE-PEG-45、 SS-8C-PMQE-RE-30、SS-8C-PMQE-RE-40、SS-8C-PMQE-RE-45涂层表面的静态光学视频接 触角进行测试，测试方法为：借助视频光学接触角测量仪(OCA15EC)，利用容量为1mL的不 锈钢平头针管，在针头末端悬挂2μL水滴进行测试，升高试样台使试样表面接触悬挂的水滴， 然后移开试样完成水滴的转移。此过程，不应令水滴滴落或喷出到试样表面。在10s内拍照， 用系统软件测量水接触的大小。每个样品选取至少五个测试位置，取平均值作为最终结果。
如图2所示为上述基材SS以及涂层样品SS-8C-PMQE-CHO-30、SS-8C-PMQE-CHO-40、SS-8C-PMQE-CHO-45、SS-8C-PMQE-PEG-30、SS-8C-PMQE-PEG-40、SS-8C-PMQE-PEG-45、 SS-8C-PMQE-RE-30、SS-8C-PMQE-RE-40和SS-8C-PMQE-RE-45的水接触角图片。
从图2可以看出，医用不锈钢316L基材SS的水接触角值为88.9±1.1°；在基材表面沉积 涂层后，SS-8C-PMQE-CHO-30、SS-8C-PMQE-CHO-40和SS-8C-PMQE-CHO-45水接触角值分别增加至91.9±0.3°、92.9±0.6°和93.6±1.1°，涂层呈现一定的疏水性，并且随着苯甲醛基团 含量的增加，疏水性依次升高。
而在接枝PEG-NH2后，涂层样品SS-8C-PMQE-PEG-30、SS-8C-PMQE-PEG-40和 SS-8C-PMQE-PEG-45的水接触角降低至84.9±3.7°、83.8±4.4°和80.1±5.9°，表明PEG的引入使得涂层亲水性显著增加；而SS-8C-PMQE-PEG-45样品中PEG组分含量高于 SS-8C-PMQE-PEG-30和SS-8C-PMQE-PEG-40，因此水接触角相对更低，同时EHA组分的存 在抑制了亲水性过度增加。以上结果表明，PEG的引入可以改变涂层表面亲疏水性质。
(2)涂层的溶液稳定性测试
测试方法为：首先在浸涂制备涂层前分别记录所有相同大小(长宽40×15mm，厚度0.3 mm)不锈钢316L基材(SS)的初始质量，记为m0，再实施例4～6所制得的涂层样品 SS-8C-PMQE-CHO-30、SS-8C-PMQE-CHO-40、SS-8C-PMQE-CHO-45、SS-8C-PMQE-PEG-30、 SS-8C-PMQE-PEG-40、SS-8C-PMQE-PEG-45、SS-8C-PMQE-RE-30、SS-8C-PMQE-RE-40以 及SS-8C-PMQE-RE-45分别称量获得总质量M1，将以上样品分别置于相同体积37±0.5℃的 PBS溶液中，在浸泡60天时取出样品，于真空烘箱中干燥3天，彻底干燥后称重得涂层剩 余总质量Mn。根据下述式3公式计算涂层质量保留率：
涂层质量保留率＝((M1-m0)/(Mn-m0))×100％ 式3
由此得出，实施例4～6所制得的涂层样品SS-8C-PMQE-CHO-30、SS-8C-PMQE-CHO-40、 SS-8C-PMQE-CHO-45、SS-8C-PMQE-PEG-30、SS-8C-PMQE-PEG-40、SS-8C-PMQE-PEG-45、SS-8C-PMQE-RE-30、SS-8C-PMQE-RE-40以及SS-8C-PMQE-RE-45浸泡在PBS中60天后， 涂层剩余质量仍大于90％，这说明涂层具有较好的溶液稳定性。
(3)涂层的细胞粘附性能测试
根据中华人民共和国国家标准GB/T 16886.5-2003《医疗器械生物学评价第5部分：体外 细胞毒性试验》，将实施例4～6所采用的医用不锈钢316L基材SS及其所制得的涂层样品 SS-8C-PMQE-CHO-30、SS-8C-PMQE-CHO-40、SS-8C-PMQE-CHO-45、SS-8C-PMQE-PEG-30、 SS-8C-PMQE-PEG-40、SS-8C-PMQE-PEG-45、SS-8C-PMQE-RE-30、SS-8C-PMQE-RE-40、SS-8C-PMQE-RE-45置于紫外灯下30min进行灭菌处理，然后将各样品置于12孔培养板中，每孔加入1mL含1.5×10-4个细胞的细胞悬浮液，将培养板置于细胞培养箱分别培养24h和48h(37℃，5％CO2，相对湿度95％)，接着每孔加入10μL 5mg/mL的FDA丙酮溶液，继续 培养15min，完成培养后样品用无菌PBS溶液冲洗两次，用正置荧光显微镜在493nm的激 发波长下观察L929细胞在样品表面的生长形态，每个样品至少选取6个不同位置拍摄数码照 片。
如图3所示为L929细胞接种在不锈钢316L基材SS及涂层样品SS-8C-PMQE-CHO-30、SS-8C-PMQE-CHO-40、SS-8C-PMQE-CHO-45、SS-8C-PMQE-PEG-30、SS-8C-PMQE-PEG-40、SS-8C-PMQE-PEG-45、SS-8C-PMQE-RE-30、SS-8C-PMQE-RE-40、SS-8C-PMQE-RE-45表面 培养24h和48h后的荧光显微镜图片。
从图3可以看出，培养24h后，涂层样品SS-8C-PMQE-CHO-30、SS-8C-PMQE-CHO-40和SS-8C-PMQE-CHO-45表面有大量细胞粘附，呈健康的梭状形貌，培养48h后，细胞数量 与密度大幅增加，说明涂层样品SS-8C-PMQE-CHO-30、SS-8C-PMQE-CHO-40和 SS-8C-PMQE-CHO-45具有良好的生物相容性，细胞能在其表面粘附与增殖；而对于PEG改 性的涂层样品SS-8C-PMQE-PEG-30、SS-8C-PMQE-PEG-40和SS-8C-PMQE-PEG-45而言， 无论是经过24h还是48h培养，细胞粘附均被显著抑制。总得来说，涂层样品 SS-8C-PMQE-CHO-30、SS-8C-PMQE-CHO-40和SS-8C-PMQE-CHO-45以及席夫碱断裂后的 涂层样品SS-8C-PMQE-RE-30、SS-8C-PMQE-RE-40以及SS-8C-PMQE-RE-45具有良好的细 胞相容性，而涂层样品SS-8C-PMQE-PEG-30、SS-8C-PMQE-PEG-40和SS-8C-PMQE-PEG-45 具有优异的抑制细胞粘附能力，这使得涂层具有在不同领域应用的潜力。
(4)涂层的抗菌防污性能与长期抗菌防污性能测试
涂层的抗菌性能是指涂层防止细菌粘附、抑菌行为的转变以及杀菌性能。本发明以实施 例5所制得的涂层样品涂层SS-8C-PMQE-CHO-40、SS-8C-PMQE-PEG-40为例进行抗菌性能 与长期抗菌性能测试，测试方法如下所述：
S1、涂层的抗菌防污性能测试方法
金黄色葡萄球菌(S.aureus)接种于包含10mL胰蛋白胨大豆肉汤培养基(TSB)的三角烧瓶 中(Journal of Materials Chemistry B,2015,3(32):6676-6689)，在恒温摇床中培养10h(37℃， 振荡速率200r/min)，然后用麦氏比浊法分别稀释成1×106CFU/mL的细菌TSB悬浮液。
将实施例5所采用的不锈钢316L基材SS及其涂层样品SS-8C-PMQE-CHO-40、 SS-8C-PMQE-PEG-40置于12孔板中，分别加入1mL上述制备的细菌TSB悬浮液，置于37℃ 培养箱分别培养10h和24h。孵化后取出样品用0.9％NaCl溶液温和的清洗涂层表面，然后 转移至新的12孔培养板中，再加入1mL TSB培养基和适量的SYTO 9/PI染液，培养15min， 用Nikon80i型正置荧光显微镜观察并拍摄样品表面细菌粘附状况，实验结果均重复至少3次， 并利用Image J软件根据荧光图像确定金黄色葡萄球菌(S.aureus)的定量统计数据。
S2、涂层的长期抗菌防污性能测试方法
将实施例5所采用的不锈钢316L基材SS及其涂层样品SS-8C-PMQE-CHO-40、 SS-8C-PMQE-PEG-40在PBS中于37℃孵育2周，然后重复S1的方法进行测试并利用Image J软件根据荧光图像确定金黄色葡萄球菌(S.aureus)的定量统计数据。
如图4所示为金黄色葡萄球菌(S.aureus)在SS、SS-8C-PMQE-CHO-40和 SS-8C-PMQE-PEG-40样品表面培养10h(a)和24h(c)的抗菌测试定量统计数据图，以及 在PBS中浸泡2周后，金黄色葡萄球菌(S.aureus)在SS、SS-8C-PMQE-CHO-40和 SS-8C-PMQE-PEG-40样品表面培养10h(b)和24h(d)的抗菌测试定量统计数据图。
从图4中可以看出，原始的不锈钢316L基材SS没有显示出抗菌性能，并且大量的活细 菌附着在SS表面。在较短的培养时间内，SS-8C-PMQE-CHO-40的杀菌效率为86％，但是，死细菌会积聚在SS-8C-PMQE-CHO-40表面上。该结果进一步证明SS-8C-PMQE-CHO-40没 有表现出防污性质，这会缩短抗菌性能的持续性。在SS-8C-PMQE-PEG-40表面上，几乎没 有细菌附着，与原始SS相比，细菌总数减少了95％(图4a)，在10h的培养过程中，培养 基中的细菌密度所代谢的产物不足以酸化微环境。因此，SS-8C-PMQE-PEG-40表面可在短期 感染中抵抗细菌粘附，表现出防污性能。此外，还对浸泡在PBS中两周的SS-8C-PMQE-PEG-40 样品进行了抗菌测试。浸泡两周后，SS-8C-PMQE-PEG-40仍表现出良好的防污性能，与SS 相比，附着细菌减少了99％(图4b)，这表明SS-8C-PMQE-PEG-40具有很高的稳定性。
涂层样品在培养基中培养24h，细菌的代谢趋于活跃，因此细菌可能会将基材表面周围 的微环境变为弱酸性进而破坏席夫碱结构。在这种情况下，由于键的断裂，可能释放出 SS-8C-PMQE-PEG-40的PEG刷，并且暴露出季铵盐阳离子聚合物结构，这使涂层表面性能从防污转变为杀菌。因此，杀菌层可以接触并杀死细菌，显示出81％的杀菌效率(图4c)。 为了研究SS-8C-PMQE-PEG-40表面的长期稳定性，将浸泡在PBS中两周的 SS-8C-PMQE-PEG-40样品在细菌悬液中培育24h，并显示出杀菌效率为91％(图4d)。这 些结果表明，SS-8C-PMQE-PEG-40具有自适应的防污杀菌转换性能，并具有长期稳定性。综 上所述，在轻度感染的条件下，SS-8C-PMQE-PEG-40具有良好的防污性能，可以抵抗细菌的 粘附，可以防止感染的恶化，当感染严重时，细菌的代谢会触发SS-8C-PMQE-PEG-40可以 将涂层表面从防污转换为杀菌。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此。凡依本发明申 请专利范围未违背本发明涉及原则所做的均等变化、简化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种季铵盐阳离子抗菌防污涂层，其特征在于，所述的季铵盐阳离子抗菌防污涂层设置在基材的表面，包括外层的聚乙二醇结构和内层的季铵盐阳离子聚合物结构，所述的聚乙二醇结构和季铵盐阳离子聚合物结构通过席夫碱结构结合在一起，形成具有分层结构的聚合物刷；所述的季铵盐阳离子聚合物的结构如下式1所示：
Figure FDA0002811527570000011
其中，R1、R2和R4各自独立地为H或CH3；R3是取代基为1～10个碳原子构成的烷基链；R5是取代基为1～18个碳原子构成的烷基链；x、y、z为各单体结构单元的数目，且x：y：z＝(10～80)：(1～20)：(10～90)。
2.根据权利要求1所述的一种季铵盐阳离子抗菌防污涂层，其特征在于，所述的季铵盐阳离子聚合物结构是由含苯甲醛基团的单体、含季铵盐阳离子基团的单体以及含有烷基链的丙烯酸酯单体通过自由基聚合得到的。
3.根据权利要求1所述的一种季铵盐阳离子抗菌防污涂层，其特征在于，所述的基材的材质为不锈钢、钛合金、玻璃、硅橡胶、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、聚碳酸酯或聚二甲基硅氧烷中的一种。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的一种季铵盐阳离子抗菌防污涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：将季铵盐阳离子聚合物在溶剂二氯甲烷或乙醇与异丙醇的混合溶液中混合均匀制成涂布液，然后涂布在基材表面，室温干燥后得到季铵盐阳离子聚合物涂层；
将上述季铵盐阳离子聚合物涂层置于不高于1000mg/mL单端氨基聚乙二醇的水溶液中反应后，经清洗、干燥后得到季铵盐阳离子抗菌防污涂层。
5.根据权利要求4所述的一种季铵盐阳离子抗菌防污涂层的制备方法，其特征在于，所述的季铵盐阳离子聚合物的合成，合成路线如下式2所示：
Figure FDA0002811527570000021
合成步骤包括：
将含苯甲醛基团的单体、含季铵盐阳离子基团的单体、含有烷基链的丙烯酸酯单体以及引发剂溶于溶剂DMF中，在氮气条件下，持续反应、纯化后得所述季铵盐阳离子聚合物。
6.根据权利要求5所述的一种季铵盐阳离子抗菌防污涂层的制备方法，其特征在于，所述的含苯甲醛基团的单体、含季铵盐阳离子基团的单体、含有烷基链的丙烯酸酯单体的摩尔比为(10～80)：(1～20)：(10～90)；3种单体的总质量与溶剂DMF的质量的比为(5～20)：(80～96)；引发剂的质量与单体总质量的比为(0.1～5.0)：(95.0～99.9)。
7.根据权利要求6所述的一种季铵盐阳离子抗菌防污涂层的制备方法，其特征在于，所述的引发剂为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈或过氧化二苯甲酰中的一种。
8.根据权利要求4所述的一种季铵盐阳离子抗菌防污涂层的制备方法，其特征在于，所述的涂布的方式为浸涂、旋涂、喷涂或电泳涂布中的一种。
9.根据权利要求4所述的一种季铵盐阳离子抗菌防污涂层的制备方法，其特征在于，所述的单端氨基聚乙二醇的分子量为1000～20000Da。
10.根据权利要求1～3任意一项所述的一种季铵盐阳离子抗菌防污涂层在生物工程以及生物医学领域的应用，其特征在于，所述的季铵盐阳离子抗菌防污涂层作为医用设备、诊疗器械、植入体表面的抗菌防污材料使用。
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