CN113227056A - 用于高性能、低成本和易施用的抗微生物涂层的n-卤胺-多巴胺共聚物的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及N‑卤胺(HA)与多巴胺(DMA)的共聚物和其形成方法。所述HA和DMA以0.4:9.6到9.6:0.4(HA:DMA)的比率存在于所述共聚物中。所述共聚物可用于可涂布并共价键结于表面(如金属、塑料、玻璃或涂料表面)的新型抗微生物组合物中。所述涂层提供了经卤素处理的可再补给抗微生物表面。涂层厚度及卤素含量可通过调整配方和交联所述涂层来加以调节。

Description

用于高性能、低成本和易施用的抗微生物涂层的N-卤胺-多巴 胺共聚物的系统和方法

本申请要求2018年6月18日提交的美国临时专利申请序列号62/686,318的权益，其以全文引用的方式并入本文中。

本发明是在政府支持下根据美国农业部授予的Hatch 2017-18-107进行的。政府在本发明中享有一定权利。

发明领域

本申请涉及N-卤胺(N-halamine)-多巴胺共聚物及这些共聚物用于抗微生物涂层之用途。

背景技术

在美国，食源性疾病对公众健康和食品行业的收益性来说是一个重大负担。美国疾病控制和预防中心(CDC)估算，食源性疾病在美国每年导致约4,800万例疾病、128,000例住院和3,000例死亡(Scallan等人,“美国的食源性疾病-主要病原体(Foodborne IllnessAcquired in the United States-Major Pathogens)”,《新出现的传染病(EmergingInfectious Diseases)》17(1):7-15(2011))。美国农业部(USDA)估算总经济损失为156亿美元(美国农业部对影响美国食品供应安全的经济问题的经济分析(USDA EconomicAnalyses of Economic Issues That Affect the Safety of the U.S.Food Supply),2017)。目前大多数(>91％)食源性疾病是由于食用了被如真菌、细菌、病毒等有害微生物污染的食物而引起的(Scallan等人,“美国的食源性疾病-主要病原体(Foodborne IllnessAcquired in the United States-Major Pathogens)”,《新出现的传染病(EmergingInfectious Diseases)》17(1):7-15(2011))。食源性病原体也是造成食品行业食品召回不断增加的重要原因：这些召回中几乎有一半是由于微生物污染造成的。平均来看，与单一食品召回相关的直接成本约为1000万美元，这还不包括品牌损害和销售损失(泰科集成安全性(Tyco Integrated Security),“召回：食品行业收益性的最大威胁(Recall:The FoodIndustry's Biggest Threat To Profitability)”,《食品安全杂志(Food SafetyMagazine)》,(2012))。因此，需要采取新的策略来减少食品的微生物污染。

微生物污染可发生在食品生产过程的多个阶段，包括生产本身、加工、配送和制备(Larsen等人,“食源性病原体在初级和次级食品生产链中的持续存在和其控制(Persistence of Foodborne Pathogens and Their Control in Primary andSecondary Food Production Chains)”,《食品控制(Food Control)》44:92-109(2014)；Muhterem-Uyar等人,“食品加工设施中单核细胞增多性李斯特菌控制的环境采样显示了三种污染情况(Environmental Sampling for Listeria Monocytogenes Control in FoodProcessing Facilities Reveals Three Contamination Scenarios)”,《食品控制(FoodControl)》51:94-107(2015)；Gorman等人,“爱尔兰共和国家庭厨房中的食源性病原体交叉污染研究(A Study of Cross-Contamination of Food-Borne Pathogens in theDomestic Kitchen in the Republic of Ireland)”,《国际食品微生物学杂志(International Journal of Food Microbiology)》76(1-2):143-150(2002)；Kaneko等人,“加工即食新鲜蔬菜的食品工厂环境中的细菌污染问题(Bacterial Contamination inthe Environment of Food Factories Processing Ready-to-Eat Fresh Vegetables)”,《食品保护杂志(Journal of Food Protection)》62(7):800-804(1999)；Carrasco等人,“食品中沙门氏菌的交叉污染和再污染：综述(Cross-Contamination andRecontamination by Salmonella in Foods:A Review)”,《国际食品研究(Food ResearchInternational)》45(2):545-556(2012))。由于细菌(例如假单胞菌、单核细胞增多性李斯特菌、沙门氏菌等)可以在固体表面附着和大量繁殖，因此如果不及时清除，它们可迅速增殖并形成生物膜(Ryu等人,“大肠杆菌O157:H7在不锈钢上形成生物膜：胞外多醣和Curli产生对其抗氯性的影响(Biofilm Formation by Escherichia Coli O157:H7 on StainlessSteel:Effect of Exopolysaccharide and Curli Production on its Resistance toChlorine)”,《应用及环境微生物学(Applied and Environmental Microbiology)》71(1):247-254(2005))。成熟的生物膜对常见的消毒处理(包括强力消毒剂/清洗剂)具有抗性，因此非常难以去除(Corcoran等人,“常用的消毒剂无法消除食品接触表面材料上的肠道沙门氏菌生物膜(Commonly Used Disinfectants Fail to Eradicate Salmonella EntericaBiofilms from Food Contact Surface Materials)”,《应用及环境微生物学(Appliedand Environmental Microbiology)》80(4):1507-1514(2014))。包埋于生物膜中的细菌是在加工过程中与受影响表面接触的任何食品交叉污染的潜在来源(Faille等人,“生物膜内芽孢杆菌属的孢子形成：食品加工环境中的潜在污染源(Sporulation of Bacillusspp.Within Biofilms:A Potential Source of Contamination in Food ProcessingEnvironments)”,《食物微生物学(Food Microbiology)》40:64-74(2014)；Kumar等人,“微生物膜在食品行业中的意义：综述(Significance of Microbial Biofilms in FoodIndustry:A Review)”,《(国际食品微生物学杂志(International Journal of FoodMicrobiology)》42(1):9-27(1998)；Brooks等人,“食品行业中的生物膜：问题和潜在的解决方案(Biofilms in the Food Industry:Problems and Potential Solutions)”,《国际食品科学与技术杂志(International Journal of Food Science&Technology)》43(12):2163-2176(2008))。此外，不与食品直接接触的表面(包括机械部件、地板、天花板、墙壁和污水处理系统)也可以通过间接途径将污染引入食品中(Muhterem-Uyar等人,“食品加工设施中单核细胞增多性李斯特菌控制的环境采样显示了三种污染情况(EnvironmentalSampling for Listeria Monocytogenes Control in Food Processing FacilitiesReveals Three Contamination Scenarios)”,《食品控制(Food Control)》51:94-107(2015))。为了避免这种污染，持续防止细菌附着和生长，而不是简单地在卫生程序中杀灭细菌是至关重要的。

近年来，已有一些人努力研发新型的表面消毒技术，如电解水(Zhang等人,“研发用于产生中性电解水的便携式电解消毒装置(Development of a Portable ElectrolyticSanitizing Unit for the Production of Neutral Electrolysed Water)”,《LWT-食品科学与技术(LWT-Food Science and Technology)》,82:207-215(2017))，或与如超声波等物理处理相结合(Zhao等人,“低浓度中和电解水和超声联合灭活不锈钢试样上的大肠杆菌ATCC 25922、毕赤酵母GS115和黑酵母菌2012(Efficacy of Low ConcentrationNeutralised Electrolysed Water and Ultrasound Combination for InactivatingEscherichia Coli ATCC 25922,Pichia Pastoris GS115 and Aureobasidium Pullulans2012on Stainless Steel Coupons)”,《食品控制(Food Control)》73:889-899(2017))。然而，这些方法提供了一种反应性方法，而不是主动方法来清除硬表面的生物膜和防止微生物交叉污染。抗微生物涂层提供了一种持续抵抗表面细菌污染的手段，因此，可用作一种预防控制方法。食品设备的抗微生物涂层已广泛地综述于Bastarrachea等人,“抗微生物食品设备涂层：应用和挑战(Antimicrobial Food Equipment Coatings:Applications andChallenges)”,《食品科技年度评论(Annual Review of Food Science and Technology)》6(1):97-118(2015)中。然而，由于材料的高成本、食品相关环境中的杀生物功能受损或规模化过程中的挑战，目前研发的技术中，很少有技术可在不久的将来轻松地从实验室转化到食品行业。例如，基于银的抗微生物涂层可在市面上购得，但由于成本高，并且在食品制造环境中因有机负荷造成的污垢和抗微生物性而效果不佳，因此受到限制(Belluco等人,“银对单核细胞增多性李斯特菌的抗菌作用(Silver as Antibacterial Toward ListeriaMonocytogenes)”,《微生物学前沿(Frontiers in Microbiology)》7:307(2016)；Chaitiemwong等人,“单核细胞增多性李斯特菌在有或没有抗微生物添加剂的传送带材料上的存活(Survival of Listeria Monocytogenes on a Conveyor Belt Material Withor Without Antimicrobial Additives)”,《国际食品微生物学杂志(InternationalJournal of Food Microbiology)》142(1):260-263(2010))。

近年来，N-卤胺抗微生物化学物质以其强效和广泛的杀生物功能，低成本和低毒性引起了人们的极大兴趣(Dong等人,“抗细菌N-卤胺的化学洞见(Chemical Insightsinto Antibacterial N-Halamines)”,《化学综述(Chemical Reviews)》117(6):4806-4862(2017))。N-卤胺是一类含有通过氮-氢键卤化形成的氮-卤键的化合物，并且基于氯的N-卤胺是研究最广泛的。N-卤胺的抗微生物机理与如次氯酸等其它基于氯的化合物相似，但不同的是氯通过共价键合固定在分子中(Zhao等人,“低浓度中和电解水和超声联合灭活不锈钢试样上的大肠杆菌ATCC 25922、毕赤酵母GS115和黑酵母菌2012(Efficacy of LowConcentration Neutralised Electrolysed Water and Ultrasound Combination forInactivating Escherichia Coli ATCC 25922,Pichia Pastoris GS115 andAureobasidium Pullulans 2012on Stainless Steel Coupons)”,《食品控制(FoodControl)》73:889-899(2017))。此前，N-卤胺已被深入研究用于广泛应用，包括水处理、纺织品、生物医学装置等(Bastarrachea等人,“抗微生物食品用设备涂层：应用和挑战(Antimicrobial Food Equipment Coatings:Applications and Challenges)”,《食品科技年度评论(Annual Review of Food Science and Technology)》6(1):97-118(2015)；Dong等人,“抗细菌N-卤胺的化学洞见(Chemical Insights into Antibacterial N-Halamines)”,《化学综述(Chemical Reviews)》117(6):4806-4862(2017)；Hui等人,“抗微生物N-卤胺聚合物和涂层：其合成、表征和应用综述(Antimicrobial N-HalaminePolymers and Coatings:A Review of Their Synthesis,Characterization,andApplications)”,《生物大分子(Biomacromolecules)》14(3):585-601(2013))。之前已经有一些关于N-卤胺涂层在食品制造中常用的材料上的报道，如不锈钢(Demir等人,“聚合抗微生物N-卤胺-不锈钢表面改性技术(Polymeric Antimicrobial N-Halamine-SurfaceModification of Stainless Steel)”,《工业与工程化学研究(Industrial&EngineeringChemistry Research)》56(41):11773-11781(2017)；Bastarrachea等人,“通过使用N-卤胺进行表面改性来研发抗微生物不锈钢：表面化学和N-卤胺氯化的表征(Development ofAntimicrobial Stainless Steel via Surface Modification With N-Halamines:Characterization of Surface Chemistry and N-Halamine Chlorination)”,《应用聚合物科学杂志(Journal of Applied Polymer Science)》127(1):821-831(2013))；塑料(Bastarrachea等人,“具有阳离子和N-卤胺双重特性的抗微生物涂层：表征和杀生物功效(Antimicrobial Coatings with Dual Cationic and N-Halamine Character:Characterization and Biocidal Efficacy)”,《农业与食品化学杂志(Journal ofAgricultural and Food Chemistry)》63(16):4243-4251(2015)；Qiao等人,“食品接触表面用的具有可再补给抗微生物功能的经N-卤胺改性的热塑性聚氨酯(N-HalamineModified Thermoplastic Polyurethane with Rechargeable Antimicrobial Functionfor Food Contact Surface)”,《英国皇家化学会进展(RSC Advances)》7(3):1233-1240(2017))；涂料(Kocer等人,“供用于抗微生物涂料中的N-卤胺共聚物(N-HalamineCopolymers for Use in Antimicrobial Paints)”,《美国化学学会应用材料与界面(ACSApplied Materials&Interfaces)》3(8):3189-3194(2011))等。然而，以往这些研究中使用的制造方法要么成本较高，要么需要复杂的表面预处理、冗长并且昂贵的涂布程序，要么成本高昂的N-卤胺聚合物量。

本公开涉及克服所属领域中的这些和其它缺陷。

发明内容

本发明的一个方面涉及一种N-卤胺(HA)和多巴胺(DMA)的共聚物，其中HA和DMA以0.4:9.6到9.6:0.4(HA:DMA)的比率存在于共聚物中。

本发明的第二个方面涉及一种包含单体(A)、(B)、(C)和(D)的共聚物，其中：

A为(LR¹)或不存在；

B为(CR²R⁷)；

C为(LR³)或不存在；

D为(CR⁴R⁸)；

L表示CH、N、C(O)和O，其中如果L为C(O)或O，那么R¹或R³不存在；

R¹独立地为H、CH₃、PEG、季铵或两性离子；

R²独立地为

或其衍生物；

R³独立地为H、PEG、季铵或两性离子；

R⁴独立地为

或其衍生物；

R⁵独立地为H、Cl、Br或I；

R⁶独立地为H、Cl、Br或I；

R⁷独立地为H或CH₃；

R⁸独立地为H或CH₃；

Q独立地为H、Cl、Br或I；

z独立地为2到6；

指示与分子的可能的连接点；

B:D的比率为0.4:9.6到9.6:0.4；并且

所述共聚物包含10到100,000个单体。

本申请的第三方面涉及一种用于制备本文中所公开的共聚物的方法。所述方法包括提供可自由基聚合的基于N-卤胺的单体；提供可自由基聚合的基于多巴胺的单体；并将基于N-卤胺的单体和基于多巴胺的单体溶解于适合溶剂中以形成基于N-卤胺的单体和基于多巴胺的单体的溶液。随后在自由基引发剂存在下对所述溶液进行自由基聚合反应以形成基于N-卤胺的单体和基于多巴胺的单体的共聚物。

本申请的另一方面涉及一种包含本文所述的共聚物的抗微生物组合物。

本申请的另一方面涉及一种形成抗微生物涂布材料的方法。这一方法包括将一种或多种本文所述的共聚物溶解于溶剂中以形成共聚物溶液。这一方法进一步涉及将材料浸没于聚合物溶液中持续足以使共聚物溶液的共聚物粘合到所述材料的一段时间，由此形成涂布材料。从共聚物溶液去除涂布材料，并用包含氯、溴或碘的第二溶液进行处理。

环境表面是食品加工设施中微生物污染和传播的常见途径。在研发硬表面涂料时，最直接的挑战是确保足够的粘附力。以往对N-卤胺涂层的研究通常采用如接枝等方法，这些方法需要复杂的表面处理、腐蚀性试剂/毒性试剂或苛刻和长时间的加热来实现对表面的稳定粘附力(Demir等人,“聚合抗微生物N-卤胺-不锈钢表面改性技术(PolymericAntimicrobial N-Halamine-Surface Modification of Stainless Steel)”,《工业与工程化学研究(Industrial&Engineering Chemistry Research)》56(41):11773-11781(2017)；Bastarrachea等人,“通过使用N-卤胺进行表面改性来研发抗微生物不锈钢：表面化学和N-卤胺氯化的表征(Development of Antimicrobial Stainless Steel viaSurface Modification With N-Halamines:Characterization of Surface Chemistryand N-Halamine Chlorination)”,《应用聚合物科学杂志(Journal of Applied PolymerScience)》127(1):821-831(2013)；Bastarrachea等人,“具有阳离子和N-卤胺双重特性的抗微生物涂层：表征和杀生物功效(Antimicrobial Coatings with Dual Cationic andN-Halamine Character:Characterization and Biocidal Efficacy)”,《农业与食品化学杂志(Journal of Agricultural and Food Chemistry)》63(16):4243-4251(2015)，所述文献以全文引用的方式并入本文中)。在本申请中，本发明人利用以贻贝为灵感(mussel-inspired)的多巴胺化学作用(Lee等人,“用于多功能涂层的以贻贝为灵感的表面化学(Mussel-Inspired Surface Chemistry for Multifunctional Coatings)”,《科学(Science)》318(5849):426-430(2007)，其以全文引用的方式并入本文中)。即使在潮湿环境中，多巴胺也能对不同的表面提供强大的粘附力(Lee等人,“以贻贝和壁虎为灵感的可逆干湿两用胶(A Reversible Wet/Dry Adhesive Inspired by Mussels and Geckos)”,《自然(Nature)》448:338(2007)；Glass等人,“多巴胺甲基丙烯酰胺涂布弹性体微纤维结构在湿润条件下的增强的可逆粘附性(Enhanced Reversible Adhesion of DopamineMethacrylamide-Coated Elastomer Microfibrillar Structures Under WetConditions)”,《朗格缪尔(Langmuir)》25(12):6607-6612(2009)，其以全文引用的方式并入本文中)，并且对于生物应用相对安全(Ryu等人,“由以贻贝为灵感的儿茶酚胺聚合物浸润和固化制造的高强度碳纳米管纤维(High-Strength Carbon Nanotube FibersFabricated by Infiltration and Curing of Mussel-Inspired CatecholaminePolymer)”,《先进材料(Advanced Materials)》23(17):1971-1975(2011)，其以全文引用的方式并入本文中)。此外，多巴胺官能化聚合物还具有与胺或硫醇封端的分子交联形成较厚而稳定的网状结构的双重功能(Ryu等人,“由以贻贝为灵感的儿茶酚胺聚合物浸润和固化制造的高强度碳纳米管纤维(High-Strength Carbon Nanotube Fibers Fabricated byInfiltration and Curing of Mussel-Inspired Catecholamine Polymer)”,《先进材料(Advanced Materials)》23(17):1971-1975(2011)；Tian等人,“通过以贻贝为灵感的聚合物的交联实现超高模量和高强度的宏观氧化石墨烯纸(Realizing Ultrahigh Modulusand High Strength of Macroscopic Graphene Oxide Papers Through Crosslinkingof Mussel-Inspired Polymers)”,《先进材料(Advanced Materials)》25(21):2980-2983(2013)；Ryu等人,“用于组织粘附剂和止血材料的儿茶酚官能化壳聚糖/普洛尼克水凝胶(Catechol-Functionalized Chitosan/Pluronic Hydrogels for Tissue Adhesives andHemostatic Materials)”,《生物大分子(Biomacromolecules)》12(7):2653-2659(2011)，所述文献以全文引用的方式并入本文中)。在本申请中，发明人设计了一种结合了N-卤胺抗微生物和多巴胺粘附两种功能的聚合物结构。涂布在不锈钢表面的N-卤胺-多巴胺共聚物在十分钟接触时间内就能完全灭活超过6log₁₀ CFU的革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌。此外，即使进行三次“释放-再补给”循环之后，氯含量仍然足够高，以维持相似的杀菌效果，并且在十次“释放-再补给”循环之后，表面氯仍有60％。涂层厚度和氯含量可以通过调整涂层的配方来调节。最后，研发出一种可规模化和适宜的喷涂方法，以将涂层施加于实际的食品设备部件。这种新型抗微生物材料可以作为高性能、低成本和易于施用涂层而得到广泛的应用，特别是用于食品相关环境表面。

附图说明

图1显示本申请的示例性N-卤胺-多巴胺共聚物的合成图解。

图2为显示使用本文所述的共聚物的浸涂和后续氯化的图解。

图3A-3D显示本文中所公开的共聚物和这些共聚物的涂层的表征。图3A为合成的p(HA-共-DMA)的¹H NMR谱。HA:DMA的比率计算为7:3。图3B为HA、DMA和p(HA-共-DMA)的FT-IR谱。图3C为显示裸不锈钢(SS-Ctrl)与聚合物涂布的和氯化的不锈钢(SS-Poly1-Cl)的外观和接触角的一组图像。图3D显示裸不锈钢(SS-Ctrl)、poly1涂布的和未氯化的不锈钢(SS-Poly1)以及poly1涂布的和氯化的不锈钢(SS-Poly1-Cl)中C、N、Cl的XPS谱。Poly1：p(HA-共-DMA)。

图4A-4D为不锈钢和涂层的SEM显微照片。图4A和4C是裸不锈钢，并且图4B和4D是poly1涂布的不锈钢。Poly1：p(HA-共-DMA)。

图5A-5B是聚合物涂层在多种衬底上的氧化氯含量的图解。图5A为不同材料上氧化氯含量的比较：不锈钢(SS)、聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)、聚氯乙烯(PVC)和玻璃。图5B为显示不同“再补给-释放(recharge-discharge)”循环之后，共聚物涂布的不锈钢的氯含量的图式。对于所有实验，N＝3。“R”表示再补给循环。R0：涂布并氯化。R1：一次“释放-再补给(discharge-recharge)”循环之后。R10：十次“释放-再补给”循环之后。

图6A-6B为表面上抗微生物功效测试的图解。图6A显示不同细菌，接种物：金黄色葡萄球菌(S.aureus)(6.40log₁₀CFU/样品)和大肠杆菌O157:H7(6.32log₁₀CFU/样品)。图6B显示不同再补给循环，接种物：金黄色葡萄球菌(R0，6.40log₁₀CFU/样品；R1，6.32log₁₀CFU/样品；R2，5.88log₁₀CFU/样品)；检测限：1.87log₁₀CFU/样品。SS-Ctrl：未经涂布的氯化的不锈钢；SS-Poly1：卤胺-多巴胺前体聚合物涂布的未氯化的不锈钢；SS-Poly1-Cl：卤胺-多巴胺聚合物涂布的氯化的不锈钢。

图7为显示裸不锈钢(SS-Ctrl)、N-卤胺-多巴胺前体聚合物涂布的不锈钢(SS-Poly1)和N-卤胺-多巴胺聚合物涂布的不锈钢(SS-Poly1-Cl)在LB培养基中的抗微生物控制测试的一组荧光显微照片。直径在1到5μm之间的亮点表示附着和存活的细菌(金黄色葡萄球菌)。

图8A-8E为显示通过交联调节涂层厚度和氯含量的图解。图8A为与PEI交联的机理的图解。图8B显示裸不锈钢(SS-Ctrl)、非交联(SS-Poly1-Cl)和PEI交联涂层(SS-Poly1+PEI-Cl)上的C、N、Cl的XPS分析及其原子百分比(以％计)。图8C显示PEI、p(HA-共-DMA)和PEI交联p(HA-共-DMA)+PEI涂层的FT-IR谱。图8D为显示利用浸涂法的PEI交联涂层(SS-Poly1+PEI)的外观和接触角的图像。图8E是利用浸涂法(DC)和喷涂法(SP)的p(HA-共-DMA)(poly1)和poly1+PEI涂布表面的氧化氯含量的图解。

图9A-9E为显示共聚物涂层在不锈钢(SS)304管上的外观和效果的图像。图9A为未经涂布的所用SS 304管。图9B是干燥后和用0.5％漂白剂进行喷式氯化期间的喷涂SS管的图像。图9C显示涂布的SS管上的接种细菌。图9D显示SS表面上固定化氧化氯的基于颜色的指示。图9E为N-卤胺涂层对SS管表面的抗微生物控制效果图，接种细菌：金黄色葡萄球菌；实验1，8.83log₁₀CFU/mL；实验2，8.07log₁₀CFU/mL；实验3，8.14log₁₀CFU/mL。对于全部三个实验，样品量N＝3。SSP：不锈钢管；SS-C-Cl：涂布有N-卤胺-多巴胺聚合物并用0.5％漂白剂氯化(～200ppm可用氯)的不锈钢。

具体实施方式

本公开涉及N-卤胺(HA)和多巴胺(DMA)的共聚物和其制造方法。本文中所公开的共聚物适用于如本文所述的抗微生物组合物和涂料。

如上文所用，以及在本文的整个描述中，除非另外指明，否则以下术语应理解为具有以下含义。如果在本文中未另外定义，那么本文所用的所有技术和科学术语均具有与本技术所属领域的一般技术人员通常所理解相同的含义。除非另有说明，否则在本文术语具有多个定义的情况下，以本节中的定义为准。

术语“烷基”意指可为直链或支链的脂肪族烃基。当不作另外限定时，所述术语是指20个或更少碳原子的烷基。支链意指一个或多个低碳烷基(如甲基、乙基或丙基)连接于线性烷基链。示例性烷基包括甲基、乙基、正丙基、异丙基、正丁基、叔丁基、正戊基、3-戊基等。

本文所用的术语“单环”指示具有一个环的分子结构。

本文所用的术语“多环(polycyclic/multi-cyclic)”指示具有两个或更多个环的分子结构，包括但不限于稠合环、桥接环或螺环。

术语“碳环”意指具有约5到约8个环碳原子的环状烃链，如环戊基、环己基等。这些基团可以任选地被一个或多个官能团取代。

术语“芳基”意指6到约19个碳原子或6到约10个碳原子的芳香族单环或多环(multi-cyclic/polycyclic)环系统，并包括芳烷基。芳基的环系统可以任选地被取代。代表性的芳基包括但不限于如苯基、萘基、薁基、菲基、蒽基、芴基、芘基、联亚三苯基、屈基和稠四苯基的基团。

术语“杂芳基”意指约5到约19个环原子或约5到约10个环原子的芳香族单环或多环环系统，其中环系统中的一个或多个原子是碳以外的元素，例如氮、氧或硫。在多环环系统的情况下，只有其中一个环需要是芳香族的，所述环系统才能被定义为“杂芳基”。特定的杂芳基含有约5到6个环原子。杂芳基前的前缀氮杂、氧杂、硫杂或硫代意指至少有一个氮原子、氧原子或硫原子分别作为环原子存在。杂芳基环中的氮原子、碳原子或硫原子可以任选地被氧化；氮可以任选地被季铵化。代表性杂芳基包括吡啶基、2-氧代-吡啶基、嘧啶基、哒嗪基、吡嗪基、三嗪基、呋喃基、吡咯基、噻吩基、吡唑基、咪唑基、恶唑基、异恶唑基、噻唑基、异噻唑基、三唑基、恶二唑基、噻二唑基、四唑基、吲哚基、异吲哚基、苯并呋喃基、苯并噻吩基、吲哚啉基、2-氧代吲哚啉基、二氢苯并呋喃基、二氢苯并噻吩基、吲唑基、苯并咪唑基、苯并恶唑基、苯并噻唑基、苯并异恶唑基、苯并异噻唑基、苯并三唑基、苯并[1,3]间二氧杂环戊烯基、喹啉基、异喹啉基、喹唑啉基、噌啉基、酞嗪基、喹喔啉基、2,3-二氢-苯并[1,4]二氧杂环己烯基、苯并[1,2,3]三嗪基、苯并[1,2,4]三嗪基、4H-色烯基、吲哚嗪基、喹嗪基、6aH-噻吩并[2,3-d]咪唑基、1H-吡咯并[2,3-b]吡啶基、咪唑[1,2-a]吡啶基、吡唑并[1,5-a]吡啶基、[1,2,4]三唑并[4,3-a]吡啶基、[1,2,4]三唑并[1,5-a]吡啶基、噻吩并[2,3-b]呋喃基、噻吩并[2,3-b]吡啶基、噻吩并[3,2-b]吡啶基、呋喃并[2,3-b]吡啶基、呋喃并[3,2-b]吡啶基、噻吩并[3,2-d]嘧啶基、呋喃并[3,2-d]嘧啶基、噻吩并[2,3-b]吡嗪基、咪唑[1,2-a]吡嗪基、5,6,7,8-四氢咪唑并[1,2-a]吡嗪基、6,7-二氢-4H-吡唑并[5,1-c][1,4]恶嗪基、2-氧代-2,3-二氢苯并[d]恶唑基、3,3-二甲基-2-氧代吲哚啉基、2-氧代-2,3-二氢-1H-吡咯并[2,3-b]吡啶基、苯并[c][1,2,5]恶二唑基、苯并[c][1,2,5]噻二唑基、3,4-二氢-2H-苯并[b][1,4]恶嗪基、5,6,7,8-四氢-[1,2,4]三唑并[4,3-a]吡嗪基、[1,2,4]三唑并[4,3-a]吡嗪基、3-氧代-[1,2,4]三唑并[4,3-a]吡啶-2(3H)-基等。

“未经取代的”原子带有所有由其原子价决定的氢原子。

术语“任选经取代”用于指示一个基团可以在所述基团的每个可取代原子处有一个取代基(包括单一原子上有多于一个取代基)，条件是不超过指定原子的正常原子价，并且每个取代基的身份与其它原子无关。每个残基中最多有三个H原子被烷基、卤素、卤烷基、羟基、低碳烷氧基、羧基、烷氧羰基(carboalkoxy)(也称为烷氧基羰基(alkoxycarbonyl))、甲酰胺基(也称为烷基氨基羰基)、氰基、羰基、硝基、氨基、烷氨基、二烷氨基、巯基、烷硫基、亚砜、砜、酰胺基、甲脒基、苯基、苯甲基、杂芳基、苯氧基、苯甲氧基或杂芳氧基置换。当取代基是酮基(即＝O)时，则原子上的两个氢被置换。只有当取代基和/或变量的组合产生稳定化合物时，才允许所述组合存在。“稳定化合物”或“稳定结构”意指一种化合物，所述化合物具有足够的稳健性，能够从反应混合物中分离到有用的纯度，并调配成有效的治疗剂。

术语“卤素”意指氟、氯、溴或碘。

术语“共聚物”是指由多于一种单体物种衍生的聚合物。

术语“交替共聚物”或“交替聚合物”是指由两种或更多种单体单元物种组成的共聚物，所述单体单元以交替顺序排列，其中每一个其它构建单元都是不同的(-M₁M₂-)_n。

术语“无规共聚物”或“无规聚合物”是指不同单体构建嵌段的顺序没有确定的共聚物，例如(-M₁M₂M₁M₁M₂M₁M₂M₂-)。

术语“统计共聚物”或“统计聚合物”是指单体单元的顺序分布遵从已知统计定律的共聚物。

术语“嵌段共聚物”或“嵌段聚合物”是指由较长的一系列不同重复单元组成的大分子。示例性嵌段聚合物包括但不限于A_nB_m、A_nB_mA_m、A_nB_mC_k或A_nB_mC_kA_n。

术语“其衍生物”是指其盐、其酯、其游离酸形式、其游离碱形式、其溶剂化物、其氚化衍生物、其水合物、其N-氧化物、其多晶型物、其立体异构体、其几何异构体、其互变异构体、其互变异构体的混合物、其对映异构体、非对映异构体、其外消旋体、其立体异构体的混合物、其同位素(例如氚、氘)，或其组合。

如本文所用，术语“杀生物(biocidal)”意指使微生物和/或病毒颗粒失活的活性。

本申请的一个方面涉及一种N-卤胺(HA)和多巴胺(DMA)的共聚物。

根据本公开的这一方面，共聚物中所存在的HA与DMA的比率在0.4:9.6到9.6:0.4(HA:DMA)范围内。本文中所公开的共聚物中的HA与DMA的比率可为例如9.6:0.4、9.5:0.5、9.4:0.6、9.3:0.7、9.2:0.8、9.1:0.9、9.0:1.0、8.9:1.1、8.8:1.2、8.7:1.3、8.6:1.4、8.5:1.5、8.4:1.6、8.3:1.7、8.2:1.8、8.1:1.9、8.0:2.0、7.9:2.1、7.8:2.2、7.7:2.3、7.6:2.4、7.5:2.5、7.4:2.6、7.3:2.7、7.2:2.8、7.1:2.9、7.0:3.0、6.9:3.1、6.8:3.2、6.7:3.3、6.6:3.4、6.5:3.5、6.4:3.6、6.3:3.7、6.2:3.8、6.1:3.9、6.0:4.0、5.9:4.1、5.8:4.2、5.7:4.3、5.6:4.4、5.5:4.5、5.4:4.6、5.3:4.7、5.2:4.8、5.1:4.9、5.0:5.0、4.9:5.1、4.8:5.2、4.7:5.3、4.6:5.4、4.5:5.5、4.4:5.6、4.3:5.7、4.2:5.8、4.1:5.9、4.0:6.0、3.9:6.1、3.8:6.2、3.7:6.3、3.6:6.4、3.5:6.5、3.4:6.6、3.3:6.7、3.2:6.8、3.1:6.9、3.0:7.0、2.9:7.1、2.8:7.2、2.7:7.3、2.6:7.4、2.5:7.5、2.4:7.6、2.3:7.7、2.2:7.8、2.1:7.9、2.0:8.0、1.9:8.1、1.8:8.2、1.7:8.3、1.6:8.4、1.5:8.5、1.4:8.6、1.3:8.7、1.2:8.8、1.1:8.9、1.0:9.0、0.9:9.1、0.8:9.2、0.7:9.3、0.6:9.4、0.5:9.5或0.4:9.6(HA:DMA)。在一些实施方式中，本文中所公开的共聚物中的HA与DMA的比率为约7:3。

在一些实施方式中，本文中所公开的共聚物含有一种类型的N-卤胺单体。在其它实施方式中，本文中所公开的共聚物含有多于一种类型的N-卤胺单体，例如两种或更多种不同类型的N-卤胺单体。适合的N-卤胺单体包括但不限于

和其衍生物，其中

R⁵为H、Cl、Br或I；

R⁹和R¹⁰以及其所结合的碳连接形成碳环，或独立地为CH₃；并且

Q独立地为H、Cl、Br或I。

适用于本文所述的共聚物的另外N-卤胺单体公开于Dong等人,“抗细菌N-卤胺的化学洞见(Chemical Insights into Antibacterial N-Halamines)”,《化学综述(Chemical Reviews)》117:4806-4962(2017)中，所述文献以全文引用的方式并入本文中。具体来说，可并入到本文所述的共聚物中的示例性N-卤胺单体包括但不限于

和其衍生物。

适用于并入如本文所述的共聚物中的另外N-卤胺单体包括以下中所公开的单体：Worley等人的美国专利号8,496,920；Worley等人的美国专利号6,969,769；Sun等人的美国专利号6,768,009；Sun等人的美国专利号5,882,357；Sun等人的美国专利号7,084,208；Li等人的美国专利号6,482,756；Li等人的美国专利号7,858,539；Cao等人的美国专利申请公开号2015/0315389；Worley等人的美国专利申请公开号2016/0106098；和Sun等人的美国专利申请公开号2015/0166796，所有文献均以全文引用的方式并入本文中。

N-卤胺单体和如本文所述的含有其的共聚物可未经取代或可任选地被取代。

在本公开的一些实施方式中，本文中所公开的共聚物含有一种类型的多巴胺单体。在其它实施方式中，本文中所公开的共聚物含有多于一种类型的多巴胺单体，例如两种或更多种不同的多巴胺单体。合适的多巴胺单体包括但不限于

和其衍生物，其中

R⁶为H、Cl、Br或I；并且

z为2到6。

适用于并入本文所述的共聚物中的示例性多巴胺单体包括但不限于多巴胺的天然类似物，如肾上腺素、去甲肾上腺素和L-二羟基丙苯氨酸以及其合成类似物和衍生物。示例性多巴胺单体包括但不限于

和其衍生物。

适用于包括于本文中所公开的共聚物中的多巴胺单体的其它实例包括Drumheller和Claude的美国专利号9,447,304、Drumheller和Claude的美国专利申请公开号2016/0032145和Kizhakkedathu等人的美国专利申请公开号2018/0147326中所公开的单体，所有文献均以全文引用的方式并入本文中。

多巴胺单体和如本文所述的含有其的共聚物可未经取代或可任选地被取代。

本申请的第二方面涉及一种包含单体(A)、(B)、(C)和(D)的共聚物，其中：

A为(LR¹)或不存在；

B为(CR²R⁷)；

C为(LR³)或不存在；

D为(CR⁴R⁸)；

L为CH、N、C(O)和O，其中如果L为C(O)或O，那么R¹或R³不存在；

R¹独立地为H、CH₃、PEG、季铵或两性离子；

R²在每种情况下，独立地选自

或其衍生物；

R³独立地为H、PEG、季铵或两性离子；

R⁴在每种情况下，独立地选自

或其衍生物；

R⁵独立地为H、Cl、Br或I；

R⁶独立地为H、Cl、Br或I；

R⁷独立地为H或CH₃；

R⁸独立地为H或CH₃；

Q独立地为H、Cl、Br或I；

z独立地为2到6；

指示与分子的可能的连接点；

B:D比率为0.4:9.6到9.6:0.4；并且

所述共聚物包含10到100,000个单体。

根据本公开的这一方面，本文所述的共聚物中的B:D单体的比率为0.4:9.6到9.6:0.4或其间的任何比率，例如9.6:0.4、9.5:0.5、9.4:0.6、9.3:0.7、9.2:0.8、9.1:0.9、9.0:1.0、8.9:1.1、8.8:1.2、8.7:1.3、8.6:1.4、8.5:1.5、8.4:1.6、8.3:1.7、8.2:1.8、8.1:1.9、8.0:2.0、7.9:2.1、7.8:2.2、7.7:2.3、7.6:2.4、7.5:2.5、7.4:2.6、7.3:2.7、7.2:2.8、7.1:2.9、7.0:3.0、6.9:3.1、6.8:3.2、6.7:3.3、6.6:3.4、6.5:3.5、6.4:3.6、6.3:3.7、6.2:3.8、6.1:3.9、6.0:4.0、5.9:4.1、5.8:4.2、5.7:4.3、5.6:4.4、5.5:4.5、5.4:4.6、5.3:4.7、5.2:4.8、5.1:4.9、5.0:5.0、4.9:5.1、4.8:5.2、4.7:5.3、4.6:5.4、4.5:5.5、4.4:5.6、4.3:5.7、4.2:5.8、4.1:5.9、4.0:6.0、3.9:6.1、3.8:6.2、3.7:6.3、3.6:6.4、3.5:6.5、3.4:6.6、3.3:6.7、3.2:6.8、3.1:6.9、3.0:7.0、2.9:7.1、2.8:7.2、2.7:7.3、2.6:7.4、2.5:7.5、2.4:7.6、2.3:7.7、2.2:7.8、2.1:7.9、2.0:8.0、1.9:8.1、1.8:8.2、1.7:8.3、1.6:8.4、1.5:8.5、1.4:8.6、1.3:8.7、1.2:8.8、1.1:8.9、1.0:9.0、0.9:9.1、0.8:9.2、0.7:9.3、0.6:9.4、0.5:9.5或0.4:9.6(B:D)。在一些实施方式中，本文所述的共聚物中的B:D的比率为约7:3。

根据本公开的这一实施方式和全部实施方式，本文所述的共聚物的单体可以嵌段、重复样式或无规形式排列。例如，当单体以嵌段形式存在于共聚物中时，其可遵循样式A-A-A-A----B-B-B-B----C-C-C-C----D-D-D-D。独立嵌段可包含重复或无规排序的单体。替代地，单体可以特定重复次序，例如A-B-C-D-A-B-C-D-，或以无规排列，例如B-D-C-A-C-A-C-B存在于聚合物中。

在一些实施方式中，本公开的共聚物为一种式(I)共聚物：

其中：

A为(LR¹)或不存在；

B为(CR²R⁷)；

C为(LR³)或不存在；

D为(CR⁴R⁸)；

L为CH、N、C(O)和O，其中如果L为C(O)或O，那么R¹或R³不存在；

x独立地为1到10；

y独立地为1到10；

m独立地为1到10；

n独立地为1到10；

R¹独立地为H、CH₃、PEG、季铵或两性离子；

R²独立地为

或其衍生物；

R³独立地为H、PEG、季铵或两性离子；

R⁴独立地为

或其衍生物；

R⁵独立地为H、Cl、Br或I；

R⁶独立地为H、Cl、Br或I；

R⁷独立地为H或CH₃；

R⁸独立地为H或CH₃；

Q独立地为H、Cl、Br或I；

z独立地为2到6；

w为1到10,000；

指示与分子的可能的连接点；并且

m:n比率为0.4:9.6到9.6:0.4。

在一些实施方式中，本公开的共聚物为一种式(II)共聚物：

其中：

R¹独立地为H、CH₃、PEG、季铵或两性离子；

R³独立地为H、PEG、季铵或两性离子；

R⁵独立地为H、Cl、Br或I；

R⁶独立地为H、Cl、Br或I；

R⁷独立地为H或CH₃；

R⁸独立地为H或CH₃；

Q独立地为H、Cl、Br或I；

z独立地为2到6；

x独立地为1到10；

y独立地为1到10；

m独立地为1到10；

n独立地为1到10；

w为1到10,000；并且

m:n比率为0.4:9.6到9.6:0.4。

根据本公开的这些实施方式，本文所述共聚物中m:n的比率为0.4:9.6到9.6:0.4，或如上所述的介于其间的任何比率。在一些实施方式中，本文中所公开的共聚物中的m:n的比率为约7:3。

在本公开的一些实施方式中，共聚物的平均分子量在约1,000到约20,000Da范围内。平均分子量可为例如约1,000Da、约2,000Da、约3,000Da,4,000Da、约5,000Da、约6,000Da,7,000Da、约8,000Da、约9,000Da、约10,000Da、约11,000Da、约12,000Da、约13,000Da、约14,000Da、约15,000Da、约16,000Da、约17,000Da、约18,000Da、约19,000Da或约20,000Da。

在本公开的一些实施方式中，共聚物的多分散性范围介于1.01到2.99。本文中所公开的共聚物的多分散性可以在例如以下范围内：约1.01、约1.05、约1.10、约1.15、约1.20、约1.25、约1.30、约1.35、约1.40、约1.45、约1.50、约1.55、约1.60、约1.65、约1.70、约1.75、约1.80、约1.85、约1.90、约1.95、约2.00、约2.05、约2.10、约2.15、约2.20、约2.25、约2.30、约2.35、约2.40、约2.45、约2.50、约2.55、约2.60、约2.65、约2.70、约2.75、约2.80、约2.85、约2.90、约2.95或约2.99。

本申请提供N-卤胺-多巴胺共聚物，其包括交替共聚物、无规共聚物、统计共聚物、分段聚合物(segmented polymers)、嵌段共聚物、多嵌段共聚物、梯度共聚物、接枝共聚物、星形共聚物、支化共聚物、超支化共聚物和其组合。N-卤胺-多巴胺共聚物可单独使用或其可包括于组合物中，即与其它材料掺合/混合。

在一些实施方式中，如本文所公开的N-卤胺-多巴胺共聚物经卤化以呈现杀生物活性。此外，当由于广泛使用而丧失杀生物活性时，所述活性可通过后续卤化而容易进行再补给。本文所述的共聚物可以通过混合过程在卤化前或卤化后掺入材料中。掺合之前或之后的化合物的卤化可以通过暴露于游离卤素源来完成。对于氯化过程，可以在水溶液中使用气态氯、次氯酸钠漂白剂、次氯酸钙、氯代异氰尿酸酯和氯化乙内酰脲等来源进行。同样，对于溴化过程，可以通过在水溶液中暴露于如分子溴液、在氧化剂，如过氧一硫酸钾或次氯酸盐漂白剂存在下的溴化钠和溴化乙内酰脲等来源来完成。卤化也可以在有机溶剂(如二氯甲烷)中受到影响，或通过使用自由基卤化剂(如次氯酸叔丁酯)受到影响。

本申请的另一方面涉及一种用于制备本文中所公开的N-卤胺-多巴胺共聚物的方法。所述方法包括提供可自由基聚合的基于N-卤胺的单体；提供可自由基聚合的基于多巴胺的单体；并将基于N-卤胺的单体和基于多巴胺的单体溶解于适合溶剂中以形成基于N-卤胺的单体和基于多巴胺的单体的溶液。随后在自由基引发剂存在下对所述溶液进行自由基聚合反应以形成基于N-卤胺的单体和基于多巴胺的单体的共聚物。

根据本公开的这一方面，待用于聚合方法中的适合自由基引发剂包括但不限于2,2′-偶氮双(2-甲基丙腈)、过氧化苯甲酰、1,1′-偶氮双(环己烷甲腈)、叔丁基过氧化物、二异丙苯过氧化物、过硫酸钾、芳烷基卤化物、芳基卤化物、2,2-二甲氧基-1,2-二苯基-乙-1-酮和(2,4,6-三甲基苯甲酰基)-二苯基膦氧化物。

在制备N-卤胺-多巴胺共聚物的方法中使用的适合溶剂是基于单体溶解度和与所使用的聚合类型和聚合温度相容的沸点的要求选择的。适用于形成本文所述的共聚物的示例性溶剂包括但不限于甲醇、乙醇、二氯甲烷、甲苯、二恶烷、THF、氯仿、环己烷、二甲亚砜、二甲基甲酰胺、丙酮、乙腈、正丁醇、正戊醇、氯苯、二乙醚、叔丁醇、1,2,-二氯乙烯、二异丙醚、乙醇、乙酸乙酯、乙基甲基酮、庚烷、己烷、异丙醇、异戊醇、甲醇、戊烷、正丙醇、五氯乙烷、1,1,2,2,-四氯乙烷、1,1,1-三氯乙烷、四氯乙烯、四氯甲烷、三氯乙烯、水、二甲苯、苯、硝基甲烷、甘油和其混合物。

溶剂还可包括稳定剂、表面活性剂或分散剂。合适的表面活性剂包括离子型和非离子型表面活性剂，如烷基聚乙二醇醚，如月桂醇、油醇和硬脂醇的乙氧基化产物；烷基酚聚乙二醇醚，如辛基酚或壬基酚、二异丙酚、三异丙酚的乙氧基化产物；烷基、芳基或烷芳基磺酸盐、硫酸盐、磷酸盐等的碱金属铵盐，包括月桂基硫酸钠、辛基酚乙二醇醚硫酸钠、十二烷基苯磺酸钠、月桂基二甘醇硫酸钠和三叔丁基苯酚铵；以及五甘醇和八甘醇磺酸盐、磺基琥珀酸盐，如磺基琥珀酸二钠乙氧基化壬基苯酚半酯、正辛基癸基磺基琥珀酸二钠、二辛基磺基琥珀酸钠等。

根据本公开的这一方面，自由基聚合反应可以在范围介于40℃到120℃的温度下进行。在一些实施方式中，自由基聚合反应在40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃、100℃、105℃、110℃、115℃或120℃下进行。

在一个实施方式中，使用自由基引发法进行聚合以形成如本文所述的N-卤胺-多巴胺共聚物。例如，在一个实施方式中，将多巴胺和N-卤胺前体的单体溶解在甲醇或其它适合溶剂中，并在溶剂的沸点下，将这一溶液与氮气气氛下的偶氮二异丁腈反应，以产生未卤化的共聚物。替代地，可通过自由基引发法将单体与其它类型的单体共聚。这一方法涉及将所有所需单体溶解在N,N-二甲基乙酰胺或其它适合溶剂中，在氮气气氛下添加偶氮二异丁腈，并使混合物在溶剂的沸点温度下，在氮气气氛下反应，以产生N-卤胺-多巴胺共聚物。适用于与多巴胺和N-卤胺前体单体共聚的其它单体包括但不限于丙烯腈、苯乙烯、甲基丙烯酰胺、甲基丙烯酸甲酯、乙烯、丙烯、丁烯、丁二烯和其它烯烃和二烯。如本文所述，所得的未卤化共聚物随后可以进行卤化，如用游离氯和溴源。

根据本公开的这一方面，所属领域中已知的其它聚合技术也可用于形成本发明的聚合物。适合聚合反应包括但不限于活性自由基/受控自由基聚合、乳液聚合、悬浮聚合等。

在一个实施方式中，聚合反应是受控的自由基聚合，其涉及以自由基作为活性聚合物链端的活性/受控聚合(Moad等人,“自由基聚合化学-第二完全修订版(The Chemistryof Radical Polymerization-Second Fully Revised Edition)”,爱思唯尔科学公司(Elsevier Science Ltd.)(2006)，其以全文引用的方式并入本文中)。这种形式的聚合是一种加成聚合形式，其中生长中的聚合物链终止的能力已被去除。因此，链的起始速率远远大于链的传播速率。其结果是，聚合物链的生长速度比传统的链式聚合更恒定，而且其长度仍然非常相似。聚合步骤通常是在自由基引发剂、催化剂或链转移剂的存在下进行的，以形成聚合物。

适用于产生如本文所述的N-卤胺-多巴胺共聚物的一种受控自由基聚合形式是自由基加成-断裂链转移(RAFT)。RAFT聚合是一种利用链转移剂(CTA)的活性聚合或受控聚合类型。常规的RAFT聚合机理，由一连串加成-断裂平衡组成，描述于Moad等人,“利用Raft法的活性自由基聚合-首更(Living Radical Polymerization by the Raft Process-aFirst Update)”，《澳大利亚化学杂志(Australian Journal of Chemistry)》59:669-92(2006)中，其以全文引用的方式并入本文中。RAFT聚合反应从引发开始。引发是通过添加一种能够分解形成自由基的试剂来完成；分解后的引发剂的自由基片段攻击单体，产生一个传播自由基(P^· _n)，在其中添加额外的单体，产生一条生长的聚合物链。在传播步骤中，传播自由基(P^· _n)添加到链转移剂(CTA)中，之后中间自由基的断裂形成休眠的聚合物链和新的自由基(R^·)。这个自由基(R^·)与新的单体分子反应形成新的传播自由基(P^· _m)。在链的传播步骤中，(P^· _n)和(P^· _m)达到平衡，并且休眠的聚合物链为所有聚合物链提供了一个相等的概率，以在相同的速度下增长，使得聚合物可以窄多分散性合成。终止在RAFT中是有限的，如果发生，其可以忽略不计。在RAFT中针对特定分子量可以通过将消耗的单体与使用的CTA浓度之比乘以单体的分子量来计算。

适用于引发RAFT的引发试剂，称为“引发剂”，取决于聚合，包括单体的类型、催化剂系统的类型、溶剂系统和反应条件。典型的自由基引发剂包括偶氮化合物，其提供了一个以双碳为中心的自由基。以下通常用于RAFT聚合，并适用于产生如本文所述的N-卤胺-多巴胺共聚物：自由基引发剂，如过氧化苯甲酰、偶氮二异丁腈(AIBN)、1,1'偶氮双(环己烷甲腈)(ABCN)或4,4'-偶氮双(4-氰基戊酸)(ACVA)；高温引发剂，如叔丁基过氧化物和二异丙苯过氧化物；氧化还原引发剂，如过氧化苯甲酰/N,N-二甲基苯胺；微波加热引发剂；光引发剂，如(2,4,6-三甲基苯甲酰基)-二苯基膦氧化物；γ辐射引发剂；或路易斯酸，如三氟甲磺酸钪(III)(scandium(III)triflate)或三氟甲磺酸钇(III)(yttrium(III)triflate)。

RAFT聚合可以使用多种CTA剂。合适的CTA剂应能引发单体(多巴胺和N-卤胺)的聚合，并在此过程中实现窄多分散性。为了使RAFT聚合有效，初始CTA剂和聚合物RAFT剂应具有反应性C＝S双键；中间自由基应迅速断裂，而不发生副反应；中间物应有利于产物的分化，并且排出的自由基(R^·)应有效地重新引发聚合。适合的CTA剂通常是硫基羰硫基化合物(ZC(＝S)SR：

其中R为自由基离去基，Z是调整RAFT聚合的加成和断裂速率的基团)。这种类型的示例性CTA剂包括但不限于双硫酯化合物(其中Z＝芳基、杂芳基或烷基)、三硫代碳酸酯化合物(其中Z＝烷硫基、芳硫基或杂芳硫基)、二硫代氨基甲酸酯化合物(其中Z＝芳基胺或杂芳基胺或烷基胺)和黄原酸酯化合物(其中Z＝烷氧基、芳基氧基或杂芳氧基)，其能够或可逆地与可聚合的自由基结合。Z也可以为磺酰基、膦酸根或膦。其它合适的CTA剂(或RAFT剂)包括苯并二硫代酸1-苯基乙酯、2-苯基丙二硫代酸1-苯基乙酯，以及所属领域中已知的其它试剂(参见Moad等人,“利用Raft法的活性自由基聚合-首更(LivingRadical Polymerization by the Raft Process-a First Update)”,《澳大利亚化学杂志(Australian Journal of Chemistry)》59:669-92(2006)；Moad等人,“利用Raft法的活性自由基聚合-二更(Living Radical Polymerization by the Raft Process-a SecondUpdate)”,《澳大利亚化学杂志(Australian Journal of Chemistry)》62(11):1402-72(2009)；Moad等人,“利用Raft法的活性自由基聚合-三更(Living RadicalPolymerization by the Raft Process-a Third Update)”,《澳大利亚化学杂志(Australian Journal of Chemistry)》65:985-1076(2012)；Skey等人,“简单的一锅合成一系列可逆加成-断裂链转移(RAFT)剂(Facile one pot synthesis of a range ofreversible addition-fragmentation chain transfer(RAFT)agents.)”《化学通讯(Chemical Communications)》35:4183-85(2008)，所述文献以全文引用的方式并入本文中)。CTA剂的有效性取决于所使用的单体，并由自由基离去基R和Z基团的特性决定。这些基团使RAFT剂的硫羰基双键活化和失活，并调整中间自由基的稳定性(Moad等人,“利用Raft法的活性自由基聚合-二更(Living Radical Polymerization by the Raft Process-aSecond Update)”,《澳大利亚化学杂志(Australian Journal of Chemistry)》62(11):1402-72(2009)，其以全文引用的方式并入本文中)。

选择RAFT反应的引发剂和反应条件的方法在所属领域中是众所周知的，例如参见Cochran等人的美国专利申请公开号2014/0343192A1，其以全文引用的方式并入本文中。

另一种可用于产生本文所述的N-卤胺-多巴胺共聚物的活性自由基聚合形式是原子转移自由基聚合(ATRP)。ATRP是一种催化的、可逆的氧化还原过程，其通过生长中的聚合物链和催化剂之间的不稳定自由基(例如卤化物自由基)的易转移来实现受控聚合(Davis等人,“丙烯酸叔丁酯的原子转移自由基聚合和嵌段共聚物的制备(Atom TransferRadical Polymerization of tert-Butyl Acrylate and Preparation of BlockCopolymers)”,《大分子(Macromolecules)》33:4039-4047(2000)；Matyjaszewski等人,“原子转移自由基聚合(Atom Transfer Radical Polymerization)”,《化学综述(ChemicalReviews)》101:2921-2990(2001)，其以全文引用的方式并入本文中)。在ATRP中，通过使自由基浓度保持较小来基本上消除链终止和转移反应。简单地说，ATRP的运作机理可总结为：

在式(1)中，不稳定基团X可以是连接于聚合物P端部的卤素(例如Br、Cl)。催化剂Cu_IBr可逆地提取这一卤素，形成聚合物自由基(P·)。惰性聚合物和活性聚合物自由基之间达到的平衡强烈地倾向于左侧(K<<10^-8)。方程(2)为长度为i的聚合物与单体M之间的标准自由基传播反应。由式(1)保证的较小自由基浓度几乎消除了终止反应，所产生的聚合物上保留了卤素官能性，这使得可以从适合常规自由基聚合的几乎任何单体产生共聚物。

ATRP聚合反应从引发开始。引发是通过添加一种能够分解形成自由基的试剂来完成；分解后的引发剂的自由基片段攻击单体，产生单体-自由基，并最终产生一种能够推进聚合的中间体。引发通常基于各种过渡金属化合物与引发剂之间的氧化还原反应中可逆地形成生长自由基。简单的有机卤化物通常被用作模型卤素原子转移引发剂。ATRP的示例性引发剂是芳烷基卤化物或芳基卤化物，如苯甲基溴或苯甲基氯。

在ATRP中，需要向反应介质中引入催化剂系统，以建立活性状态(聚合物生长的活性聚合物自由基)和休眠状态(形成的惰性聚合物)之间的平衡。催化剂通常是能够与引发剂和休眠聚合物链一起参与氧化还原循环的过渡金属化合物。本申请使用的过渡金属化合物是过渡金属卤化物。任何可与引发剂和休眠聚合物链一起参与氧化还原循环，但不与聚合物链形成直接的C-金属键的过渡金属都适合用于产生如本文所述的N-卤胺-多巴胺共聚物的反应中。示例性过渡金属包括Cu¹⁺、Cu²⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、Ru²⁺、Ru³⁺、Ru⁴⁺、Ru⁵⁺、Ru⁶⁺、Cr²⁺、Cr³⁺、Mo⁰、Mo⁺、Mo²⁺、Mo³⁺、W²⁺、W³⁺、Mn³⁺、Mn⁴⁺、Rh⁺、Rh²⁺、Rh³⁺、Rh⁴⁺、Re²⁺、Re³⁺、Re⁴⁺、Co⁺、Co²⁺、Co³⁺、V²⁺、V³⁺、V⁴⁺、V⁵⁺、Zn⁺、Zn²⁺、Au⁺、Au²⁺、Au³⁺、Hg⁺、Hg²⁺、Pd⁰、Pd⁺、Pd²⁺、Pt⁰、Pt⁺、Pt²⁺、Pt³⁺、Pt⁴⁺、Ir⁰、Ir⁺、Ir²⁺、Ir³⁺、Ir⁴⁺、Os²⁺、Os³⁺、Os ⁴⁺、Nb²⁺、Nb³⁺、Nb⁴⁺、Nb⁵⁺、Ta³⁺、Ta⁴⁺、Ta⁵⁺、Ni⁰、Ni⁺、Ni²⁺、Ni³⁺、Nd⁰、Nd⁺、Nd²⁺、Nd³⁺、Ag⁺和Ag²⁺。典型的过渡金属催化剂系统为CuCl/CuCl₂。

配体用以与过渡金属化合物配位，使得过渡金属与生长中的聚合物自由基之间不形成直接键，并且所形成的共聚物是分离的。配体可以是任何含N、O、P或S的化合物，其与过渡金属配位形成σ-键；任何含C的化合物，其与过渡金属配位形成π-键；或任何含C的化合物，其与过渡金属配位形成C-过渡金属σ-键，但在聚合条件下不与单体形成C-C键。ATRP中使用的典型配体是五甲基二乙烯三胺(PMDETA)。

选择ATRP反应的引发剂和催化剂/配体系统的方法在所属领域中为已知的，参见例如Matyjaszewski等人的美国专利号5,763,548；Matyjaszewski等人的美国专利号6,538,091；和Matyjaszewski(Matyjaszewski等人,“原子转移自由基聚合(Atom TransferRadical Polymerization)”,《化学综述(Chemical Reviews)》101:2921-2990(2001)，所述专利以全文引用的方式并入本文中)。

在上述任何一种聚合反应中使用的N-卤胺和多巴胺单体的浓度部分取决于单体和聚合物产物的溶解度以及溶剂的蒸发温度。溶剂浓度也会影响聚合物的凝胶化。溶剂不足会使聚合物在较短的时间内交联，而永远达不到足够高的转化率。反应中溶解在溶剂中的单体的浓度可以介于1％到100％重量百分比单体之间。通常，单体浓度小于90wt％为适合的，以确保所得聚合物的溶解性，另外还防止过早凝胶化。

为了给如本文所述产生的共聚物或包含本文所述的共聚物的材料或表面提供杀生物活性，如本文所述，共聚物或包含共聚物的材料/表面被卤化。在一个实施方式中，共聚物在并入到材料中或附着到表面之前被卤化。在另一实施方式中，未卤化的共聚物可以附着在表面或并入到材料中，并随后进行卤化。

本文所述的N-卤胺和多巴胺共聚物的杀生物活性可用于灭活和/或中和病原微生物，如细菌、真菌、霉菌、病毒等，其可引起传染病，以及有害的气味和令人不愉快的着色。含有N-卤胺-多巴胺共聚物的组合物(如涂层)可施用于或与各种多孔和无孔衬底一起使用，所述衬底包括但不限于纤维素、合成纤维、织物、过滤材料、乳胶漆、甲壳素、壳聚糖、玻璃、陶瓷、塑料、橡胶、水泥灌浆、乳胶填缝剂、瓷器、丙烯酸膜、乙烯树脂、聚氨酯、硅管、大理石、金属、金属氧化物和二氧化硅。

本申请的另一方面涉及一种包含本文所述的N-卤胺-多巴胺共聚物的抗微生物组合物。抗微生物组合物可呈液体、粉末或气雾剂形式，可用于在上文中所述的衬底的任何表面上形成涂层，以赋予所述衬底表面杀生物活性。抗微生物组合物的共聚物通过共价键合附着在衬底表面。此外，抗微生物组合物的共聚物可以相互交联以增加例如抗微生物组合物在表面的涂层的厚度。在一个实施方式中，涂层的共聚物通过聚醚酰亚胺交联剂相互交联。

本公开的另一方面涉及一种涂布有N-卤胺-多巴胺共聚物或包含N-卤胺-多巴胺共聚物的组合物的衬底、材料、装置或系统，如抗微生物涂层。合适的装置或系统包括但不限于食品贮存装置、食品加工装置、空气过滤系统中的空气过滤器、水系统中的管道和过滤器，以及医院和其它医疗设施中的生物医学装置、设备、仪器和家具。所述设备或系统可以具有厚度为10nm的抗微生物涂层。

本申请的另一方面涉及一种形成抗微生物涂布材料的方法。这一方法包括将一种或多种本文所述的共聚物溶解于溶剂中以形成共聚物溶液。所述方法进一步涉及将材料浸没于共聚物溶液中持续足以使共聚物溶液的共聚物粘合到所述材料的一段时间，由此形成涂布材料。从共聚物溶液去除涂布材料，并用包含如氯、溴或碘的卤素的第二溶液进行处理。包含氯的适合溶液为漂白剂溶液。其它适合溶液包括次氯酸钙、N-氯代丁二酰亚胺、二氯异氰尿酸钠、三氯异氰尿酸、次氯酸叔丁酯、N-氯乙酰胺和N-氯胺的溶液。

在一些实施方式中，材料在有效条件下浸没，以形成所需厚度的涂层，即1nm、2nm、3nm、4nm、5nm、6nm、7nm、8nm、9nm、10nm或>10nm的厚度。改变浸没条件(如在共聚物溶液中重复浸没的次数或材料在共聚物溶液中浸没的时间)将调节涂层的厚度。这涉及到在共聚物溶液中重复浸没。

在一些实施方式中，涂层厚度可以通过在将材料浸没于共聚物溶液之前向共聚物溶液中添加交联剂来改变。共聚物溶液中交联剂与共聚物的比率可以在1:10至10:1范围内或其间的任何比率，例如1:10、2:9、3:8、4:7、5:6、6:5、7:4、8:3、9:2或10:1。交联剂诱导共聚物溶液中共聚物之间的交联，这将增加所需材料上涂层的厚度。

可根据本公开的这一方面涂布的多孔和无孔材料已在上文中描述，并包括但不限于纤维素、合成纤维、织物、过滤材料、乳胶漆、甲壳素、壳聚糖、玻璃、陶瓷、塑料、橡胶、水泥灌浆、乳胶填缝剂、瓷器、丙烯酸膜、乙烯树脂、聚氨酯、硅管、大理石、金属、金属氧化物和二氧化硅。

本文所述的N-卤胺-多巴胺共聚物可以使用已知的技术沉积到衬底的表面上(参见例如美国专利申请号2018/0327627，其以全文引用的方式并入本文中)。将本文所述的N-卤胺-多巴胺共聚物沉积在硬衬底表面上的一种示例性方法涉及气相沉积技术。有若干方法属于气相沉积的一般类别，包括例如物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)。PVD要求颗粒在真空中被汽化并沉积到衬底上。在所需的温度下需要热稳定性，以使颗粒汽化而不发生热降解。CVD允许在不使用溶剂的情况下沉积涂层。所述工艺需要气相单体在较冷的衬底上聚合成高度交联的网状结构。这种工艺在无机涂层方法中被广泛利用。有机涂层的使用主要是在电子和包装的薄膜应用中。视所用的化学物质而定，所述工艺可用于低压或高真空环境。

在另一实施方式中，使用液体沉积(例如，刷、辊或喷雾)将如本文所述的N-卤胺-多巴胺共聚物沉积在材料表面上。这些方法可能是用于对衬底表面进行改性的最常用工业方法。这些方法由将液体聚合物喷涂、辊涂和刷到衬底表面上来组成。通常在施加到衬底上之后进行干燥或干燥和固化过程。这一方法由于其简单性和相对较低的资本要求，涵盖了许多涂料应用以及商业涂层产品。

在另一实施方式中，如本文所述的N-卤胺-多巴胺共聚物使用粉末喷涂(PSC)沉积在材料表面上。PSC是一种常见的工业方法，其中小颗粒以喷雾形式释放，并静电地粘附在衬底表面上。随后所述颗粒被加热，并使其在较低粘度状态下熔融或流动。随后涂层能够交联和固化，形成固体膜。

在另一实施方式中，使用浸渍床(DB)和流化床(FB)应用将如本文所述的N-卤胺-多巴胺共聚物沉积在材料表面上。DB法具有良好的特性，并且是工业方法中最基本的方法之一。DB法涉及将衬底浸没或浸入聚合物浴中，从而以可控的速度去除衬底，并蒸发任何溶剂，从而完成表面聚合。DB法可与UV固化、烘箱固化或红外线固化结合使用。其它形式的DB法包括基于辊和片的工艺，其中衬底被置于任何类型的浴液或溶液中。FB法与DB法类似，并且其可视为粉末涂布的一种变体。在这种工艺中，将加热的物品放入流化粉末中，随后将粉末熔融于衬底上，基于潜热和所需的涂层厚度形成膜。随后将衬底从槽中取出。所述工艺也可用于静电流化床。

本文描述了一种结合了N-卤胺和多巴胺官能团以形成一种新型抗微生物涂层材料的聚合物。多巴胺基团使所述聚合物能够牢固地吸附在各种衬底表面上，无论其化学组成(金属、塑料、玻璃、涂料)、大小或形状如何。N-卤胺部分为涂布的表面提供强效的抗微生物功能，该功能可通过定期用氯漂白剂加以处理而得到“再补给”。举例来说，如本文实施例中所述，涂布在不锈钢表面的N-卤胺-多巴胺共聚物在10分钟接触时间内就能完全灭活超过6log₁₀ CFU的革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌。此外，即使在100次“释放-再补给”循环后，氯含量仍然足够高，以维持类似效果。涂层厚度和氯含量可以通过调整涂层的配方来调节。最后，展现一种用于涂覆涂层的喷涂法，所述涂层可按比例调整以处理实际食物设备部件。因此，本文所述的N-卤胺-多巴胺共聚物材料具有很大的潜力，可以在大量的表面上产生高性能、低成本和易于涂覆的涂层，用于安全和预防控制应用。

除非上下文另有说明，否则本发明的既定方面、特征、实施方式或参数的偏好和选项应被视为已经与本发明的所有其它方面、特征、实施方式和参数的任何和所有偏好和选项一起公开。

实施例

呈现以下实施例以说明本申请的各个方面，但并不意图限制所要求保护的本发明的范围。

材料与方法

N-(1,1-二甲基-3-氧代丁基)丙烯酰胺购自日本梯希爱化学公司(TCIChemical)。3,4-二羟基苯乙胺盐酸盐、2,2′-偶氮双(2-甲基丙腈)(AIBN)和聚(乙烯亚胺)(PEI)购自西格玛-奥德里奇公司(Sigma-Aldrich)(密苏里州圣路易斯(St.Louis,MO))。聚丙烯、高密度聚乙烯和316L不锈钢购自McMaster-Carr公司(俄亥俄州奥罗拉(Aurora,OH))。细菌LIVE/DEAD试剂盒(英杰(Invitrogen))购自生命技术公司(俄勒冈州尤金(Eugene,Oregon))。所有化学品和试剂均按原样使用。细菌菌株金黄色葡萄球菌ATCC 3359(从医院分离出)和大肠杆菌O157:H7 ATCC 43890(从人类粪便分离出)从纽约州伊萨卡的康奈尔大学(Cornell University,Ithaca,NY)食品微生物实验室获得。

实施例1-卤胺和多巴胺单体的合成

卤胺乙烯基单体(HA)的合成.按照先前报道的方法基于布赫雷尔-伯格反应(Bucherer-Bergs reaction)合成N-卤胺前体乙烯基单体乙内酰脲丙烯酰胺(HA)[N-(2-甲基-1-(4-甲基-2,5-二氧代咪唑烷-4-基)丙-2-基)丙烯酰胺](Kocer等人,“供用于抗微生物涂料中的N-卤胺共聚物(N-Halamine Copolymers for Use in AntimicrobialPaints)”,《美国化学学会应用材料与界面(ACS Applied Materials&Interfaces)》3(8):3189-3194(2011)，其以全文引用的方式并入本文中)。简单地说，将N-(1,1-二甲基-3-氧代丁基)丙烯酰胺(日本梯希爱)、氰化钾和碳酸铵以1:2:6M比率在室温下的圆形烧瓶中的水/乙醇(按体积计，1:1)溶剂混合物中搅拌4天。蒸发乙醇后，通过将粗产物暴露于稀HCl中进行分离，然后进行过滤。得到的产物为白色粉末，熔点为178℃，并且产率为89％。其结构通过NMR、FT-IR和质谱分析确认。

多巴胺乙烯基单体(DMA)的合成.按照之前Lee等人“用于多功能涂层的以贻贝为灵感的表面化学(Mussel-Inspired Surface Chemistry for MultifunctionalCoatings)”,《科学(Science)》318(5849):426-430(2007)(其以全文引用的方式并入本文中)中所述的方法合成多巴胺乙烯基单体多巴胺甲基丙烯酰胺(DMA)。简单地说，为了保护二羟基苯部分，通过在100毫升蒸馏水中添加10g硼酸钠和4g碳酸氢钠来制备反应介质。硼酸钠和碳酸氢钠在水中都是饱和的，并表现出一定的不溶性。将水溶液用鼓泡氮气脱气20分钟，并向这一溶液中添加5g 3,4-二羟基苯乙胺盐酸盐。单独地制备于25ml四氢呋喃(THF)中的甲基丙烯酸酐溶液(4.7ml)，并向含有3,4-二羟基苯乙胺盐酸盐的水溶液中逐滴添加。用pH指示纸检查所制备溶液的pH。为了使反应混合物保持适度的碱性(pH 8或更高)，逐滴添加1M NaOH溶液。将反应混合物在室温下搅拌14小时，伴随氮气鼓泡。此时，已形成白色浆状溶液，并随后用50ml乙酸乙酯洗涤两次。真空过滤溶液中的所得固体，并且得到的水溶液用6M的HCl溶液酸化到pH 2。用50ml乙酸乙酯从酸化后的水溶液中萃取溶液的有机层三次。将乙酸乙酯中所萃取到的清棕色有机层经MgSO₄干燥。用旋转蒸发器将溶液体积减少到25ml。将得到的溶液添加到250ml己烷中，剧烈搅拌以沉淀出淡棕色固体，并随后将形成的悬浮液冷藏，以最大限度地提高晶体形成尺寸。为了纯化，将所得浅棕色固体溶解于20ml乙酸乙酯中，并在300ml己烷中沉淀。最终固体粉末在真空中干燥过夜。

实施例2-N-卤胺-多巴胺共聚物的化学合成

使用自由基聚合法制备N-卤胺-多巴胺共聚物。聚合时，用100％MeOH(20mL)作为溶剂，用HA(7mmol)和DMA(3mmol)作为单体，用AIBN[2,2′-偶氮双(2-甲基丙腈)](40mg)作为引发剂。将反应混合物用氮气鼓泡20分钟以去除氧气。在60℃下聚合3小时。冷却到室温后，在烧瓶底部沉淀出白色粘性聚合物，并加以收集。使用热MeOH进一步洗涤聚合物。随后将湿的聚合物产物以100mg/mL溶解在80％EtOH中作为储备溶液，并储存在冰箱中。用¹HNMR、傅立叶变换红外光谱(FT-IR，Bruker Vertex V80V真空FTIR系统)和凝胶渗透色谱(GPC，Waters Ambient Temperature GPC:DMF)对聚合物进行表征。图1显示本申请的N-卤胺-多巴胺共聚物的合成图解。

实施例3-浸涂和N-卤胺活化

使用浸涂法将N-卤胺-多巴胺共聚物组合物涂布在各种衬底上，并使用氯化来活化N-卤胺部分(图2)。使用80％EtOH作为溶剂，由储备溶液制备出2mg/mL的N-卤胺-多巴胺聚合物(poly1，HA-共-DMA，HA:DMA＝7:3)工作溶液。为了测试涂层的粘附力，将五种不同材料的衬底(包括316L不锈钢、塑料(PP、PVC、HDPE)和玻璃)切成一平方英寸的试样，并用去离子水清洗。接下来，将试样浸没于涂布溶液中持续3小时。之后，用80％EtOH简单地洗涤试样，以去除任何未键结或松散附着的聚合物分子，并在通风橱中干燥至少2小时。通过用10％漂白剂溶液(8.25％次氯酸，用HCl将pH调节到7.0，并且可用氯含量约4000ppm)处理30分钟来氯化poly1涂布试样，用去离子水充分洗涤以去除表面上的任何游离氯，并在通风橱中干燥过夜。用接触角测角仪(Rame-Hart)和X射线光电子光谱(XPS)对涂层进行表征。

实施例4-表面氯滴定

采用碘量滴定法/硫代硫酸盐滴定法测定N-卤胺-多巴胺聚合物涂布试样的表面上的固定化氧化氯含量(N-卤胺)(Qiao等人,“食品接触表面用的具有可再补给抗微生物功能的经N-卤胺改性的热塑性聚氨酯(N-Halamine Modified Thermoplastic Polyurethanewith Rechargeable Antimicrobial Function for Food Contact Surface)”,《英国皇家化学会进展(RSC Advances)》7(3):1233-1240(2017)，其以全文引用的方式并入本文中)。简单地说，将两个试样(1in²)放入含有碘化钾(KI)、水和HCl的烧瓶中，并将试样在室温下搅拌10分钟。随后，向所得溶液添加0.5％的淀粉溶液，并用硫代硫酸钠滴定。使用下式计算氧化氯含量：

[Cl⁺](μg/cm²)＝(N×V×35.5)/2A

其中N和V为滴定剂硫代硫酸钠的当量浓度(normality，equiv·L^-1)和体积(L)，并且A为滴定样品的总表面积(cm²)。每种材料的试样重复进行三组。

为了研究涂层的稳定性和可再补给性，使用不锈钢样品进行滴定。在第一次氯化和滴定(R0)后，取回样品，用去离子水充分洗涤，并用如早先所描述的相同条件进行氯化，并且这个过程被定义为一个“释放-再补给”循环(R1)。将这个过程再重复九次，并且所得SS试样表示为R10。由于高浓度漂白处理步骤对涂层与表面的分离最为关键，因此用一个循环中的氯化处理时段(10％漂白剂，30分钟)来表示一个“再补给-释放”循环，并研究10个再补给循环后涂层在表面上的稳定性。

实施例5-表面杀生物功效测试

采用如先前所述的“包夹(sandwich)”接触杀灭测试方法测定了N-卤胺-多巴胺涂布的不锈钢表面的杀生物功效(Qiao等人,“食品接触表面用的具有可再补给抗微生物功能的经N-卤胺改性的热塑性聚氨酯(N-Halamine Modified Thermoplastic Polyurethanewith Rechargeable Antimicrobial Function for Food Contact Surface)”,《英国皇家化学会进展(RSC Advances)》7(3):1233-1240(2017)，其以全文引用的方式并入本文中)。在本研究中使用大肠杆菌O157:H7的革兰氏阴性细菌和金黄色葡萄球菌的革兰氏阳性细菌。将每种细菌的单个菌落转移到15mL的脑心浸液(BHI)肉汤中，并在37℃下培养16小时。通过离心对培养物进行造粒，用巴特菲尔德氏磷酸盐缓冲液(BPB)洗涤两次，并且最后再悬浮在BPB缓冲液中。通过O.D._640nm估算菌群密度，并制备接种物。将25μL接种物等分试样(约4×10⁷CFU/mL细菌)添加到方形试样的中心，将第二个相同试样放在样品上，并用无菌砝码压缩包夹结构，以确保与接种细菌的完全接触。在接触时间为10、30和60分钟时，将试样转移到5mL的Na₂S₂O₃溶液(0.05N)中，并剧烈涡旋，以淬灭任何氧化氯残余物，并使存活的细菌与样品分离。对所有样品进行十倍的连续稀释，并将每个稀释液涂铺在胰蛋白酶大豆琼脂培养板上。培养板在37℃下培养48小时，并对细菌菌落进行计数并记录，以进行杀生物功效分析。按如下所示计算接种物的细菌数(CFU/样品)和每个接触时间时的细菌数：细菌数(log₁₀CFU/样品)＝log₁₀[(琼脂板上的细菌计数×稀释系数×5mL)/(0.025mL)]。

使用相同“包夹”法测定可再补给抗微生物功能，但只接种革兰氏阳性细菌金黄色葡萄球菌。第一抗微生物测试循环(R0)之后，取回所有样品，并用70％EtOH消毒。由于在抗微生物测试程序(在硫代硫酸钠溶液中涡旋)中，N-卤胺涂布的SS表面上的所有氯都被淬灭，因此涂层被完全“释放”并且不再具有抗微生物活性。通过重复同样的氯化程序对涂层进行“再补给”。这些“再补给”后的N-卤胺涂布的SS(R1)按照同样的程序进行第二次“包夹”测试。同样的程序再重复一次，并将结果记为R2。

实施例6-细菌滋生预防测试

为了研究有机负荷下经涂布表面的综合抗微生物控制效果，根据之前公布的方法作出一些调整来进行细菌滋生预防测试(Bastarrachea等人,“抗微生物食品用设备涂层：应用和挑战(Antimicrobial Food Equipment Coatings:Applications andChallenges)”,《食品科技年度评论(Annual Review of Food Science and Technology)》6(1):97-118(2015)，其以全文引用的方式并入本文中)。简单地说，在卢里亚-贝尔塔尼(Luria-Bertani；LB)培养基中制备金黄色葡萄球菌的隔夜培养物，使其最终细胞密度为10⁶CFU/mL。接下来，将一式三份样品(1.5×0.5cm²)在室温下浸没于细菌溶液中3小时。随后取出样品，用PBS缓冲液冲洗，并用细菌LIVE/DEAD试剂盒染色。通过荧光显微镜(EVOS^TMFL细胞成像系统，赛默科技(Thermo Scientific))观察样品，评定细菌活力。活/死细胞成像的波长对于活细胞是绿色荧光蛋白(470/22nm)，而对于死细胞是红色荧光蛋白(531/40nm)。只有既附着又存活在表面上的细菌才会在表面上发出绿色荧光(直径在1-5μm之间的亮点)。比较裸不锈钢(SS-Ctrl)、N-卤胺前体聚合物涂布的不锈钢(SS-Poly1，未氯化)和N-卤胺聚合物涂布的不锈钢(SS-Poly1-Cl，氯化)表面上残留的活菌密度。

实施例7-经由交联调节涂层厚度

如先前所述(Lee等人,“用于多功能涂层的以贻贝为灵感的表面化学(Mussel-Inspired Surface Chemistry for Multifunctional Coatings)”,《科学(Science)》318(5849):426-430(2007)，其以全文引用的方式并入本文中)，为了进一步增加涂层厚度，使用PEI作为交联剂。简单地说，用80％EtOH和20％Tris-HCl缓冲液(pH 8.5)制备2mg/mL的聚合物溶液，所述溶液的最终pH为约pH 8.0。在去离子水中制备PEI(100mg/mL)溶液。将聚合物溶液和PEI溶液以1:5的Poly1:PEI摩尔比混合在一起。随后，将所述溶液用于浸涂程序：将样品浸没于溶液中持续10秒，取出，并在通风橱下干燥/固化1小时。之后，用80％EtOH充分洗涤样品，以去除任何松散附着的分子。随后在上述相同的氯化条件下对样品进行氯化处理。通过水接触角、FT-IR和XPS对样品进行表征。此外，使用喷雾器瓶对有PEI和无PEI的poly1溶液进行喷涂法(在喷涂过程中样品呈垂直定向)。干燥/固化涂布的样品、清洗并氯化，方法与浸涂相同。均对所有这些浸涂和喷涂样品的氯含量进行滴定。

实施例8-实际食品设备上的规模化和应用

将优化后的poly1+PEI调配物通过喷涂用于在实际食品设备部件上进行涂布。直接从食品加工厂取来一根不锈钢(304)管，并用肥皂和水充分清洗。用喷雾器将经PEI调配的poly1溶液(5mg/mL)喷在外表面上，并在5分钟内完全干燥。再在空气中固化1小时后，将涂布和未经涂布的管表面都喷上0.5％漂白剂，并加以干燥。氯化过程重复三次，以确保充分氯化。之后，用去离子水充分冲洗整个管，以去除表面上残留的游离氯。为了使N-卤胺涂布管上的氧化氯可视化，使用了一种基于碘量滴定机理的简单方法。原位制备含有水、酸、碘化钾和淀粉溶液的指示剂溶液，并将一滴此溶液滴在表面上。如果有足够的氧化氯固定在表面上，溶液会在5秒内由无色变成蓝色。如果没有氧化氯固定在表面上，溶液将会保持无色至少1分钟。此外，还研发了一种擦拭法，其中将棉签浸入指示剂溶液中，并在表面上进行短暂的擦拭。如果表面成功地涂布有N-卤胺涂层，棉花在5秒内由无色变为蓝色。但如果没有涂层或N-卤胺没有被活化，棉签则保持无色至少一分钟。

N-卤胺-多巴胺涂层对SS管的抗微生物控制效果是根据先前报道的方法作出一些调整来进行的(Chaitiemwong等人,“在存在或不存在抗微生物添加剂下单核细胞增多性李斯特菌在传送带材料上的存活(Survival of Listeria monocytogenes on a ConveyorBelt Material With or Without Antimicrobial Additives)”,《国际食品微生物学期刊(International Journal of Food Microbiology)》142(1):260-263(2010)，其以全文引用的方式并入本文中)。简单地说，将隔夜培养的细菌(金黄色葡萄球菌)离心，用PBS洗涤，并再悬浮于磷酸盐缓冲盐水(PBS)中，以制备细胞密度为5×10⁸CFU/mL的细菌接种物。将干净的无菌棉签浸入细菌溶液中，并均匀地涂抹在涂布区和未涂布区的1.5in²表面区域上。接触一小时后，通过用预先浸湿有缓冲蛋白胨水(BPW)溶液的棉签充分地擦拭来回收表面上存活的细菌，随后将棉签放入1mL BPW溶液中，并涡旋2分钟以使所有细菌脱离到溶液中。之后，将溶液连续稀释，并将其铺于胰蛋白酶大豆琼脂(TSA)培养板上。在37℃下培育培养板24小时，并记录细菌菌落形成单位(CFU)并进行比较，以评估抗微生物控制效果。对于涂布和未经涂布表面，每个实验中测试一式三份的区域。第1次实验(实验1)后，用70％EtOH对管进行彻底消毒，并用轻质擦洗海绵(Scotch-Brite^TM，3M)用自来水进行充分洗涤。随后用0.5％氯漂白剂处理表面，加以干燥，充分冲洗，并储存过夜，以备下一个实验(实验2)。这一程序在三个不同的日子共重复三次，并且结果分别记为实验1、2、3。将三个重复实验的结果进行合并。用ANOVA和适用于Windows 7的SPSS的一般线性模型来确定涂布和未经涂布的表面上存活的金黄色葡萄球菌数量差异的显著性(P<0.05)。

实施例1-7的讨论

经由NMR和FT-IR表征N-卤胺-多巴胺共聚物p(HA-共-DMA)。在NMR谱(图3A)中，在聚合物链中观察到HA(δ10.7ppm，N-H)和DMA(δ6.25-6.75ppm，儿茶酚)的特征峰，但每个单体中的双键(δ5.5-6.0ppm)却消失了，证实获得含有N-卤胺和多巴胺基团的纯聚合物。通过整合NMR谱中的峰，计算出聚合物链中HA和DMA的比率为7:3，这与HA和DMA单体的设计进料比率(7:3)一致。根据先前报道，DMA含量为20-30％通常足以提供粘附效果(Glass等人,“多巴胺甲基丙烯酰胺涂布的弹性体微纤维结构在湿润条件下的增强的可逆粘附性(EnhancedReversible Adhesion of Dopamine Methacrylamide-Coated ElastomerMicrofibrillar Structures Under Wet Conditions)”,《朗格缪尔(Langmuir)》25(12):6607-6612(2009)，其以全文引用的方式并入本文中)，并且因此，基于分子组成，预计得到的p(HA-共-DMA)具有足够的粘附力。此外，GPC结果显示，聚合物的分子量M_n＝11,957，M_w＝18,225，多分散性(PDI)＝1.52。FT-IR谱(图3B)显示乙内酰脲(1767和1718cm^-1)和多巴胺基团(1519cm^-1)的特征峰。综合这些数据表明，成功合成了N-卤胺-多巴胺官能化聚合物。最终的聚合物产物可溶于70-87％EtOH/H₂O溶液中，所述溶液是一种用于调配工业应用的快速干燥、易于施用和安全的涂布溶液的适宜溶剂。

316L级不锈钢通过浸涂成功地涂布有N-卤胺-多巴胺聚合物。如图3C所示，涂布后，不锈钢的表面接触角由72±8°降到59±3°，表明表面亲水性增加。使用XPS进一步研究涂层组合物(图3D)。在SS-Poly1(p(HA-共-DMA))涂布的SS上出现了一个氮峰(399eV)，这证明了不锈钢试样已涂布有所述聚合物。此外，氮峰在经过强有力的氯化处理(10％漂白剂，30分钟)后仍然存在，表明涂层的粘附力相对较强。XPS也证实了N-卤胺的活化已经实现(图3D)。虽然在裸不锈钢(SS-Ctrl)和N-卤胺前体聚合物涂布的SS(SS-Poly1)上没有观察到Cl_2p峰(200eV)，但在用氯漂白剂处理后观察到Cl_2p峰(200eV)。此外，氯化后N_1s峰发生位移并且形状改变，表明N-H键(N-卤胺前体)转变为N-Cl键(N-卤胺)。需要注意的是，多巴胺中的N-H基团也可以转变为N-卤胺(N-Cl)，这可能促成氧化氯含量的一部分。通过椭圆测量法估算涂层厚度在10nm(硅晶片上)到50nm(不锈钢上)之间，这取决于涂层材料的化学组成。图4A-4D中还显示了表面的SEM显微照片，并提供了在不锈钢表面成功涂布的额外证据。

为了评定多巴胺官能团所赋予的粘附性，使用了一种基于滴定法的间接而简单的方法。因为滴定法测定表面上的氧化氯，而氯含量与表面的聚合物含量呈正相关，因此在一定范围内，表面上的氯含量可以用来指示表面上附着的涂层聚合物的量。如图5A所示，对于聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)、不锈钢(SS)、聚氯乙烯(PVC)和玻璃五种所测试的不同材料，每种材料的氯含量([Cl⁺])都在2.0-5.0×10¹⁵原子/cm²的类似范围内。此外，在相同的条件下，再次对涂布和氯化的不锈钢试样(R0)进行淬灭(“释放”)、再氯化(“再补给”，R1)和滴定。每种材料都在表面上吸附了相似量的氯(图5A)，表明N-卤胺-多巴胺聚合物一直牢固地粘附于表面。发现聚合物附着的材料类型的多样性表明，无论表面化学如何，聚合物可以充当一种几乎通用的涂层。此外，浸涂法是快速的(对于不锈钢来说，5分钟内完成)和灵活的，能够涂布几乎任何几何结构。由于这种涂布法不需要特殊的表面处理，因此与先前报道的基于逐层的方法或接枝方法相比，可能更容易规模化，成本更低(Demir等人,“聚合抗微生物N-卤胺-不锈钢表面改性技术(Polymeric Antimicrobial N-Halamine-SurfaceModification of Stainless Steel)”,《工业与工程化学研究(Industrial&EngineeringChemistry Research)》56(41):11773-11781(2017)；Bastarrachea等人,“具有阳离子和N-卤胺双重特性的抗微生物涂层：表征和杀生物功效(Antimicrobial Coatings with DualCationic and N-Halamine Character:Characterization and Biocidal Efficacy)”,《农业与食品化学杂志(Journal of Agricultural and Food Chemistry)》63(16):4243-4251(2015)，所述文献以全文引用的方式并入本文中)。

N-卤胺最吸引人的特性之一是其“可再补给”的抗微生物功能(Hui等人,“抗微生物N-卤胺聚合物和涂层：其合成、表征和应用综述(Antimicrobial N-Halamine Polymersand Coatings:A Review of Their Synthesis,Characterization,and Applications)”,《生物大分子(Biomacromolecules)》14(3):585-601(2013)，其以全文引用的方式并入本文中)。如图5B所示，在SS衬底上进行10次“释放-再补给”循环后，氯含量从4.0×10¹⁵个原子/cm²下降到3.0×10¹⁵个原子/cm²。这一结果表明，虽然经过十次强有效漂白处理后，有一定量的涂层聚合物从涂层表面脱落，但剩余的涂层仍牢固地附着于表面。这种较强的粘附效果可由以下事实得到解释：多巴胺基团内的儿茶酚结构可以在固体表面(特别是金属)上形成共价键(Lee等人,“用于多功能涂层的以贻贝为灵感的表面化学(Mussel-InspiredSurface Chemistry for Multifunctional Coatings)”,《科学(Science)》318(5849):426-430(2007)，其以全文引用的方式并入本文中)。这也表明，所述涂层足够稳健而能在实际应用中经受住漂白剂和杀毒洗涤的定期处理。

之前，对N-卤胺的研究通常使用氧化氯含量来预测抗微生物功能。接触杀灭测试显示，当氯含量可用碘量-硫代硫酸盐法滴定(>10¹⁵个原子/cm²)时，抗微生物功能显著。如图6A所示，接触1小时后，在裸不锈钢(SS-Ctrl)和涂布有N-卤胺前体聚合物的SS(SS-Poly1)的表面上残留有5.0-6.0log₁₀ CFU/cm²的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌O157:H7。这与设计的1×10⁶CFU/样品(1in²)的接种水平不一致。然而，在用氯活化N-卤胺后，表面在短短的10分钟接触时间内将所有接种的金黄色葡萄球菌(革兰氏阳性)和大肠杆菌O157:H7(革兰氏阴性)细菌(>6log₁₀CFU/cm²)灭活到检测限(1.87log₁₀CFU/样品)以下的水平。为了确认这种强效的抗微生物功能是“可再补给”的，对表面进行“再补给”，并再进行两次抗微生物测试。N-Cl基团是杀灭细菌的关键，并且其机理先前已有报道(Dong等人,“抗细菌N-卤胺的化学洞见(Chemical Insights into Antibacterial N-Halamines)”,《化学综述(Chemical Reviews)》117(6):4806-4862(2017)，其以全文引用的方式并入本文中)。原则上，来自N-Cl的“Cl⁺”的氧化能力将对细胞壁造成破坏，类似于次氯酸根(ClO^-)中的氧化氯。在杀灭细菌后，“Cl⁺”有望被还原并以氯离子“Cl^-”的形式从键中释放出来。这就是用次氯酸根(ClO^-)对涂层进行再补给的主要原因。由于有报道称，N-卤胺的抗微生物功能是非特异性的(对细菌、真菌、酵母、病毒、内孢子等都有效)(Dong等人,“抗细菌N-卤胺的化学洞见(Chemical Insights into Antibacterial N-Halamines)”,《化学综述(ChemicalReviews)》117(6):4806-4862(2017)；Cao等人,“供用于抗微生物涂料中的聚合N-卤胺乳胶乳液(Polymeric N-Halamine Latex Emulsions for Use in Antimicrobial Paints)”,《美国化学学会应用材料与界面(ACS Applied Materials&Interfaces)》1(2):494-504(2009)，所述文献以全文引用的方式并入本文中)，因此以下测试只使用金黄色葡萄球菌。如图6B所示，SS-Ctrl和SS-Poly1样品都观察到了相似的趋势，证实了实验方法的一致性。在前三个“补给”循环内，N-卤胺涂布的表面能够将超过6log₁₀ CFU/cm²的接种细菌灭活到检测限(1.87log₁₀ CFU/cm²)以下的水平。这也与滴定结果相吻合，即氯含量在初始的三个循环(R0、R1、R2)内保持稳定。综合所有这些结果，证实了N-卤胺改性表面展现强效的非特异性抗微生物功能，并且可以通过用氯漂白剂处理表面来“再补给”抗微生物功能。相比之下，先前研发的其它材料(例如银合金/混配有聚氨酯的复合材料输送带)在接触24小时内仅实现了呈2-3的对数下降(Chaitiemwong等人,“单核细胞增多性李斯特菌在有或没有抗微生物添加剂的传送带材料上的存活(Survival of Listeria Monocytogenes on aConveyor Belt Material With or Without Antimicrobial Additives)”,《国际食品微生物学杂志(International Journal of Food Microbiology)》142(1):260-263(2010)，其以全文引用的方式并入本文中)。

“包夹”测试仅能有效地测量表面杀灭已在表面上的细菌的能力。其并未提供任何有关表面抵抗溶液中细菌附着和增殖的能力的信息。因此，还进行了另外的测试，以评估细菌在涂布表面形成溶液上的附着和存活。结合“包夹”测试数据，这些结果可能比单独的“包夹”测试提供更好的性能预测。如图7所示，在LB培养基中培养3小时后，许多细菌在裸不锈钢(SS-Ctrl)和N-卤胺前体涂布的不锈钢(SS-Poly1)上附着并存活，并在表面上观察到细菌聚集(直径在1-5μm之间的亮荧光点表示附着和存活的细菌)。然而，对于N-卤胺活化的涂层样品，几乎观察不到活菌。由于N-卤胺通常具有非常快的杀灭力，因此细菌在接触表面后可能立即被杀灭。因此，在表面上的固定化氯被完全消耗之前，细菌在表面上附着的机率很小(Dong等人,“抗细菌N-卤胺的化学洞见(Chemical Insights into Antibacterial N-Halamines)”,《化学综述(Chemical Reviews)》117(6):4806-4862(2017)；Cao等人,“供用于抗微生物涂料中的聚合N-卤胺乳胶乳液(Polymeric N-Halamine Latex Emulsions forUse in Antimicrobial Paints)”,《美国化学学会应用材料与界面(ACS AppliedMaterials&Interfaces)》1(2):494-504(2009)，所述文献以全文引用的方式并入本文中)。这与已经形成细菌菌落或生物膜的情况不同，并且处理后死细胞将仍会附着到表面。虽然聚合物涂层也有可能产生一些协同作用，以防止附着于表面上，但N-卤胺的抗微生物杀灭起着主要作用。这在N-卤胺在不锈钢上进行的另一项研究中得到了证实(Demir等人,“聚合抗微生物N-卤胺-不锈钢表面改性技术(Polymeric Antimicrobial N-Halamine-SurfaceModification of Stainless Steel)”,《工业与工程化学研究(Industrial&EngineeringChemistry Research)》56(41):11773-11781(2017)，其以全文引用的方式并入本文中)。结果显示，N-卤胺在有机负荷(LB培养基中含有来自蛋白胨及酵母提取物的蛋白质和氨基酸)下至少3小时内展现出极佳的抗微生物效果。这一观察结果与之前的结果一致，即N-卤胺化合物在较重有机负荷下展现出极佳的杀生物功能，所述有机负荷包括胰酶大豆培养液(TSB)、肉类渗出物和鸡粪(Tian等人,“通过以贻贝为灵感的聚合物的交联实现超高模量和高强度的宏观氧化石墨烯纸(Realizing Ultrahigh Modulus and High Strength ofMacroscopic Graphene Oxide Papers Through Crosslinking of Mussel-InspiredPolymers)”,《先进材料(Advanced Materials)》25(21):2980-2983(2013)；Ryu等人,“用于组织粘附剂和止血材料的儿茶酚官能化壳聚糖/普洛尼克水凝胶(Catechol-Functionalized Chitosan/Pluronic Hydrogels for Tissue Adhesives andHemostatic Materials)”,《生物大分子(Biomacromolecules)》12(7):2653-2659(2011)；Cao等人,“供用于抗微生物涂料中的聚合N-卤胺乳胶乳液(Polymeric N-Halamine LatexEmulsions for Use in Antimicrobial Paints)”,《美国化学学会应用材料与界面(ACSApplied Materials&Interfaces)》1(2):494-504(2009)，所述文献以全文引用的方式并入本文中)。然而，我们承认3小时的接触时段只能提供相对短期的有机负荷挑战的信息。本研究中没有测试较长的时间(>3小时)，因为涂层主要用于非食品接触表面的应用。在实际应用中，这些表面不可能长时间(>3小时)持续接受较重有机负荷的挑战。此外，抗微生物功能也可能部分来自于表面被聚合物涂层覆盖的事实，这也改变了表面形态和表面张力，所有这些因素也可能影响细菌在表面上的附着。

由于这种涂布技术是为了可直接转化为在工业环境中应用而设计的，因此其可规模化性是一个关键问题。方便的是，这种涂层材料可以经由喷涂涂覆到表面。与先前的报道相比，本申请的聚合物涂层的氯含量还是相对较低的。这是因为涂覆方法(浸涂)导致涂层非常薄。有若干方式可以改良氯含量，包括增加氯化时间或增加涂层厚度。浸涂法仅限于在表面产生单层(10-100nm)的聚合物涂层。为了增加厚度，从而使氯含量达到10¹⁶-10¹⁷个原子/cm²的水平，本发明人利用了多巴胺基团也可交联的事实(图8A)。多巴胺结构中的儿茶酚部分可以通过迈克尔加成(Michael addition)和席夫碱(Schiff-base)形成与聚醚酰亚胺(polyetherimide，PEI)反应，生成交联结构(共价键))(Tian等人,“通过以贻贝为灵感的聚合物的交联实现超高模量和高强度的宏观氧化石墨烯纸(Realizing UltrahighModulus and High Strength of Macroscopic Graphene Oxide Papers ThroughCrosslinking of Mussel-Inspired Polymers)”,《先进材料(Advanced Materials)》25(21):2980-2983(2013)；Ryu等人,“用于组织粘附剂和止血材料的儿茶酚官能化壳聚糖/普洛尼克水凝胶(Catechol-Functionalized Chitosan/Pluronic Hydrogels for TissueAdhesives and Hemostatic Materials)”,《生物大分子(Biomacromolecules)》12(7):2653-2659(2011)，所述文献以全文引用的方式并入本文中)。在本研究中，通过XPS(图8B)和FT-IR(图8C)证实了PEI成功并入多巴胺-卤胺涂层基质。XPS显示，在PEI交联聚合物基质内，氮含量增加，表明其氮含量比HA-共-DMA高。FT-IR谱显示，在交联涂层中，PEI在3272和1450cm^-1处有特征峰。此外，在1601和1637cm^-1处的峰分别鉴别出-C＝C-和-C＝N-键的存在，这是交联的额外证据。有趣的是，在调配物中添加PEI后，观察到涂层从无色变为红棕色(图8C)，并且接触角进一步降低到46±4°左右，这可能是由于N-H和-NH₂基团数量增加所致。滴定结果证实，交联涂层对氯的结合能力较强。这可能是由于更多的N-卤胺前体聚合物(HA-共-DMA)分子附着于表面上，从而使得涂层更厚。在浸涂情况下，PEI交联涂层的氯含量比原始涂层增加了近2倍以上，达到10¹⁶个原子/cm²。在喷涂情况下，达到了更高的值。不含PEI的喷涂涂层的氯含量为2×10¹⁶个原子/cm²，而PEI交联涂层的氯含量为4×10¹⁶个原子/cm²。通过调节其它若干参数，包括聚合物浓度、喷涂时间、氯化条件或涂层层数等，可以进一步提高氯含量。

将涂层涂覆在金属管上，作为实际食品加工设备的样片。为了模拟现实条件，直接从食品加工厂取来金属管，并对其表面进行擦洗破坏，因为这种缺陷滋生微生物的倾向更高(图9A-9E)。如图9B所示，通过喷涂法涂覆涂层，使得颜色较深。虽然在最初的实验中使用了10％漂白剂溶液来活化N-卤胺，但在食品加工厂中，更常用较低的浓度来对表面进行消毒。因此喷洒0.5％漂白剂(约200-300ppm的游离氯)对表面进行氯化处理。涂层比裸金属管更具有亲水性，使漂白剂能均匀地润湿整个表面。由于使用了低浓度的漂白剂(200-300ppm的可用氯)，而且到涂布部分完全干燥只需要10分钟，因此有可能只有极小的腐蚀影响。为了进一步减少任何可能的腐蚀，可以在消毒后用饮用水冲洗表面。另据估算，基于目前的涂布法，表面上的N-卤胺-多巴胺聚合物为130mg/m²，并且制造和涂覆这种N-卤胺-多巴胺聚合物的最终成本将为约2美元/g。因此，涂覆这种聚合物涂层的最终成本将为约0.26美元/m²，这可以被认为是一个成本相对较低的抗微生物涂层。

在工业环境中，重要的是要确保涂层的有效性不会随着时间的推移而降低。因此，设计了一种简单快速的方法，以滴定法为基础，验证氯的“再补给”过程是否恰当。设计了一种指示剂溶液，如果有氯存在，则当在表面上扩散时其在5秒内变成蓝色(图9D)。为方便起见，可将指示剂溶液涂在棉签上。擦拭表面后，棉签会变成蓝色。未来，比色指示剂刻度可以提供半定量的氯浓度信息。

通过在表面接种细菌，并在三次单独的连续实验中测量活微生物数，证实了涂层对实际设备部件的抗微生物效果(图9C)。如图9E所示，在SS管(SSP)的未涂布部分，接触1小时后，可从表面回收到约3.0-4.0log₁₀CFU/cm²的细菌(金黄色葡萄球菌)。但是，对于N-卤胺涂布的表面，可以回收到的细菌数小于1.0log₁₀CFU/cm²。在实验2和实验3中，通过另外的氯化处理，抗微生物功能得到了改良。在实验3中，从N-卤胺涂布表面没有回收到可培养的细菌。因为在实验1中，涂层没有充分装填0.5％漂白剂，装填循环越多使得氯的负载量越高，并且抗微生物功能越好。考虑到在实验程序中，管表面的涂层至少用氯漂白剂处理过9次，用去离子水充分洗涤过约15次的事实，这一结果也证实了涂层可以承受多次消毒和洗涤循环而不丧失抗微生物功能。

尽管N-卤胺已显示在高有机负荷的条件下具有相当好的性能，但在涂层与食品直接接触的应用中，与这里所报道的相比，抗微生物功效有可能降低。本发明人打算在今后进行另外的研究，以测试涂层在实际食品存在下的抗微生物功效。然而，在某些食品制造领域(如1区食品设备)，非食品接触的食品设备表面不会被有机负荷严重污染或结垢，因此，在这些领域中的应用可能不成问题。根据食品厂的一般卫生理念，即任何旨在提高食品安全的改进策略都应补充而非取代现行策略，因此，涂层将在现行卫生方法之外实施。

紧接着的下一步就是在中试规模的食品加工厂中测试该所述涂层。因此，值得关注的是涂层本身的安全性而不仅仅是其功效。N-卤胺和多巴胺是安全的结构已被广泛接受(Zhao等人,“低浓度中和电解水和超声联合灭活不锈钢试样上的大肠杆菌ATCC 25922、毕赤酵母GS115和黑酵母菌2012(Efficacy of Low Concentration NeutralisedElectrolysed Water and Ultrasound Combination for Inactivating EscherichiaColi ATCC 25922,Pichia Pastoris GS115 and Aureobasidium Pullulans 2012onStainless Steel Coupons)”,《食品控制(Food Control)》73:889-899(2017)；Kocer等人,“供用于抗微生物涂料中的N-卤胺共聚物(N-Halamine Copolymers for Use inAntimicrobial Paints)”,《美国化学学会应用材料与界面(ACS Applied Materials&Interfaces)》3(8):3189-3194(2011)，所述文献以全文引用的方式并入本文中)。从历史上看，阻碍涂层施用在直接食品接触表面上的最大障碍是，涂层必须很厚才能达到所需的功能，随着时间的推移，涂层将容易剥落，成为食品掺杂物，并造成另一个食品安全问题。在本申请的涂层的情况下，只需要数百纳米的厚度就可以达到所需的功能。数据表明，这样的涂层相对稳定，并且不太可能从表面脱落。然而，应该进行更多的研究来挑战商业食品厂卫生条件下的涂层，如高温高压水洗、强酸或烷烃剂、脱脂剂、消毒剂(QAC)。在本申请中，本发明人将重点放在非食品接触的环境表面。虽然这种涂层也可用于食品接触表面，但需要进一步的毒性研究和监管机构的认可(例如USFDA食品接触通知计划)。对于食品接触表面应用，需要考虑毒性产物从涂层中浸出到食品中。唯一可能的浸出产物是氯或氯化物；然而，即使在潮湿的条件下，其量实际上也很小(Dong等人,“抗细菌N-卤胺的化学洞见(ChemicalInsights into Antibacterial N-Halamines)”,《化学综述(Chemical Reviews)》117(6):4806-4862(2017)，其以全文引用的方式并入本文中)。此外，众所周知，氯漂白剂已被批准用于食品接触表面消毒应用；已知这些对食品接触是安全的。

在这项研究中，研发和设计了一种以食品行业应用为目的的聚合物。这种聚合物涂层既可以涂覆于食品接触面(工作台、切刀、容器、传送带等)，也可以涂覆于环境表面(非食品接触设备部件、墙壁、天花板、排水设备)。已显示，无论化学组成、尺寸或形状如何，涂层都能粘附在各种衬底上。取决于应用，可以选择不同的涂布方法(浸涂和喷涂)，并且无论用哪种方法都能在5-10分钟内完成全部涂布程序。此外，氯的“补给”过程可以并入现有的消毒程序中，因此，实施涂布系统所需的食品加工方案变化很小。本发明人还在实际的食品设备部件上展现了涂层的功效，并还研发了一个简单而低成本的程序来验证涂层和氯化过程的成功。总之，本研究研发的多功能可再补给涂层材料在食品行业的食品安全预防控制应用中具有很大的潜力。

尽管在本文中已详细描绘和描述优选实施方式，但对相关领域的技术人员显而易见的是，各种修改、添加、取代等可不脱离本申请的精神，并且这些修改、添加、取代等因此被认为在以下权利要求书所限定的本申请的范围内。

Claims (30)

1.一种N-卤胺(N-halamine；HA)与多巴胺(DMA)的共聚物，其中所述HA和DMA以0.4:9.6到9.6:0.4(HA:DMA)的比率存在于所述共聚物中。

2.根据权利要求1所述的共聚物，其中所述HA:DMA比率为约7:3。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的共聚物，其中所述N-卤胺选自下组：

和其衍生物，

其中

R⁵为H、Cl、Br或I；

R⁹和R¹⁰以及其所结合的碳连接形成碳环，或独立地为CH₃；并且

Q独立地为H、Cl、Br或I。

4.根据权利要求1到3中任一项所述的共聚物，其中所述多巴胺为

或其衍生物，

其中

R⁶为H、Cl、Br或I；并且

z为2到6。

5.根据权利要求1所述的共聚物，所述共聚物包含单体(A)、(B)、(C)和(D)，

其中：

A为(LR¹)或不存在；

B为(CR²R⁷)；

C为(LR³)或不存在；

D为(CR⁴R⁸)；

L为CH、N、C(O)和O，其中如果L为C(O)或O，那么R¹或R³不存在；

R¹独立地为H、CH₃、PEG、季铵或两性离子；

R²独立地为

或其衍生物；

R³独立地为H、PEG、季铵或两性离子；

R⁴独立地为

或其衍生物；

R⁵独立地为H、Cl、Br或I；

R⁶独立地为H、Cl、Br或I；

R⁷独立地为H或CH₃；

R⁸独立地为H或CH₃；

Q独立地为H、Cl、Br或I；

z独立地为2到6；

指示与所述共聚物的可能的连接点；

B:D的比率为0.4:9.6到9.6:0.4；并且

所述共聚物包含10到100,000个单体。

6.根据权利要求5所述的共聚物，其中所述B:D的比率为约7:3。

7.根据权利要求5所述的共聚物，其中所述共聚物的所述单体以嵌段、重复样式或无规形式排列。

8.根据权利要求1所述的共聚物，其具有式(I)：

其中：

A为(LR¹)或不存在；

B为(CR²R⁷)；

C为(LR³)或不存在；

D为(CR⁴R⁸)；

L为CH、N、C(O)和O，其中如果L为C(O)或O，那么R¹或R³不存在；

x独立地为1到10；

y独立地为1到10；

m独立地为1到10；

n独立地为1到10；

R¹独立地为H、CH₃、PEG、季铵或两性离子；

R²独立地为

或其衍生物；

R³独立地为H、PEG、季铵或两性离子；

R⁴独立地为

或其衍生物；

R⁵独立地为H、Cl、Br或I；

R⁶独立地为H、Cl、Br或I；

R⁷独立地为H或CH₃；

R⁸独立地为H或CH₃；

Q独立地为H、Cl、Br或I；

z独立地为2到6；

w为1到10,000；

指示与所述共聚物的可能的连接点；并且

m:n的比率为0.4:9.6到9.6:0.4。

9.一种式(II)的共聚物

其中：

R¹独立地为H、CH₃、PEG、季铵或两性离子；

R³独立地为H、PEG、季铵或两性离子；

R⁵独立地为H、Cl、Br或I；

R⁶独立地为H、Cl、Br或I；

R⁷独立地为H或CH₃；

R⁸独立地为H或CH₃；

Q独立地为H、Cl、Br或I；

z独立地为2到6；

x独立地为1到10；

y独立地为1到10；

m独立地为1到10；

n独立地为1到10；

w为1到10,000；并且

m:n的比率为0.4:9.6到9.6:0.4。

10.根据权利要求8到9中任一项所述的共聚物，其中所述m:n的比率为约7:3。

11.根据权利要求1到10中任一项所述的共聚物，其中所述共聚物的平均分子量范围介于1,000到20,000Da。

12.根据权利要求1到11中任一项所述的共聚物，其中所述共聚物的多分散性范围介于1.01到2.99。

13.一种抗微生物组合物，其包含根据权利要求1到12中任一项所述的共聚物。

14.根据权利要求13所述的抗微生物组合物，其中所述抗微生物组合物为涂层。

15.根据权利要求14所述的抗微生物涂层，其中所述涂层呈液体、粉末或气溶胶形式。

16.根据权利要求14所述的抗微生物涂层，其中所述涂层的共聚物共价键结于金属、塑料、玻璃或涂料。

17.根据权利要求14所述的抗微生物涂层，其中所述涂层的共聚物彼此交联。

18.根据权利要求17所述的抗微生物涂层，其中所述共聚物通过聚醚酰亚胺交联剂彼此交联。

19.一种装置或系统，其涂布有根据权利要求1到12中任一项所述的共聚物、根据权利要求13所述的组合物或根据权利要求14到18中任一项所述的抗微生物涂层。

20.根据权利要求19所述的装置或系统，所述装置或系统为食物储存装置、食物加工装置或生物医疗装置。

21.根据权利要求19所述的装置或系统，其中所述装置涂布有厚度为至少10nm的所述抗微生物涂层。

22.一种用于制备根据权利要求1到12中任一项所述的共聚物的方法，所述方法包括：

提供可自由基聚合的基于N-卤胺的单体；

提供可自由基聚合的基于多巴胺的单体；

将所述基于N-卤胺的单体和所述基于多巴胺的单体溶解于适合溶剂中以形成所述基于N-卤胺的单体和所述基于多巴胺的单体的溶液；并且

在自由基引发剂存在下对所述溶液进行自由基聚合反应以形成所述基于N-卤胺的单体和所述基于多巴胺的单体的共聚物。

23.根据权利要求22所述的方法，其中所述溶剂选自下组：甲醇、乙醇、二氯甲烷、甲苯、二恶烷、THF、氯仿、环己烷、二甲亚砜、二甲基甲酰胺、丙酮、乙腈、正丁醇、正戊醇、氯苯、二乙醚、叔丁醇、1,2-二氯乙烯、二异丙醚、乙醇、乙酸乙酯、乙基甲基酮、庚烷、己烷、异丙醇、异戊醇、甲醇、戊烷、正丙醇、五氯乙烷、1,1,2,2-四氯乙烷、1,1,1-三氯乙烷、四氯乙烯、四氯甲烷、三氯乙烯、水、二甲苯、苯、硝基甲烷、甘油和其混合物。

24.根据权利要求22所述的方法，其中所述自由基引发剂选自下组：2,2′-偶氮双(2-甲基丙腈)、过氧化苯甲酰、1,1′-偶氮双(环己烷甲腈)、叔丁基过氧化物、二异丙苯过氧化物、过硫酸钾、芳烷基卤化物、芳基卤化物、2,2-二甲氧基-1,2-二苯基-乙-1-酮和(2,4,6-三甲基苯甲酰基)-二苯基膦氧化物。

25.根据权利要求22所述的方法，其中所述自由基聚合反应在范围介于40℃到120℃的温度下进行。

26.一种形成抗微生物涂布材料的方法，所述方法包括：

将一种或多种根据权利要求1到12中任一项所述的共聚物溶解于溶剂中以形成共聚物溶液；

将材料浸没于所述共聚物溶液中持续足以使所述共聚物溶液的所述共聚物粘合到所述材料的一段时间，由此形成涂布材料；

从所述共聚物溶液移除所述涂布材料；并且

用包含卤素的第二溶液处理所述涂布材料。

27.根据权利要求26所述的方法，其中所述第二溶液的所述卤素选自氯、溴或碘。

28.根据权利要求26所述的方法，其中包含氯的所述溶液为漂白剂溶液、次氯酸钙溶液、N-氯代丁二酰亚胺溶液、二氯异氰尿酸钠溶液、三氯异氰尿酸溶液、次氯酸叔丁酯溶液、N-氯乙酰胺溶液或N-氯胺溶液。

29.根据权利要求26所述的方法，其进一步包括：

在所述浸没之前，将交联剂添加到所述共聚物溶液中。

30.根据权利要求28所述的方法，其中所述共聚物溶液中的交联剂与共聚物的比率在1:10到10:1范围内。

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