CN115776846A

CN115776846A - 杀生物聚氨酯体系，其制备方法及其用途

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Publication number: CN115776846A
Application number: CN202180046306.9A
Authority: CN
Inventors: H·W·厄尔默; N·H·克雷
Original assignee: X Infex Co ltd
Current assignee: X Infex Co ltd
Priority date: 2020-05-08
Filing date: 2021-05-07
Publication date: 2023-03-10
Also published as: EP4146004A1; WO2021225443A1; US20230165258A1

Abstract

本发明涉及聚合物领域，特别是涉及基于聚氨酯(PU)的具有广谱杀生物活性的聚合物体系，以及其用于制造杀生物产品的用途。本发明提供了一种提供杀生物聚氨酯‑碘(PU‑I)络合物的方法，其包括(i)将至少一种碘源溶解到用于制备所需聚氨酯(PU)的一种或多种原料中，以获得单相碘体系，随后(ii)在单相碘体系存在下进行PU聚合反应，从而原位生成杀生物PU‑I络合物。

Description

杀生物聚氨酯体系，其制备方法及其用途

本发明涉及聚合物领域，更具体地说，涉及基于具有广谱杀生物活性的聚氨酯(PU)的聚合物体系及其在制造杀生物制品中的用途。更具体地，其涉及聚氨酯-碘(PU-I)络合物，包括其制造方法、其机械和杀生物性能以及所述PU-I材料的各种应用。

聚氨酯(PU)被广泛用于各市场和应用中。该材料可以是热固性或热塑性的，刚性和硬性或柔性和软性的。该材料可以很容易地被挤出和塑型成几乎无限多的形状和形式，包括涂层、长丝、片材、成型件、纤维和泡沫。材料具有良好的硬度、拉伸强度、压缩强度、抗冲击性、耐磨性和撕裂强度。PU的应用范围很广，包括：过滤器、泡沫、绝缘材料、伤口覆盖物、导管、泡沫座椅、床垫、硬质泡沫绝缘板、密封件和衬垫、耐用弹性轮、衬套、电气覆盖物、面板、粘合剂、表面涂层和密封剂、合成纤维、地毯衬垫、硬塑料部件、避孕套、软管、空气和液体过滤器、柔性管、医疗设备和食品包装等等。该PU材料可以进一步与许多其他天然和合成橡胶以及聚合物掺混，以产生掺混物和互穿聚合物网络，用于相关和其他应用。

传统上，氨基甲酸酯基团是通过醇与异氰酸酯反应形成的。PU通常是通过多元醇与异氰酸酯的反应制成的。该反应示意图如下。

因此，氨基甲酸酯基团是通过醇与异氰酸酯反应形成的。当官能度≥2的醇与官能度≥2的异氰酸酯反应生成交替的共聚物时，就会形成聚氨酯。为了更好地定义和区分聚氨酯反应中使用的醇的类型，通常使用以下术语：多元醇、扩链剂和交联剂。

多元醇一般是指分子量较大、官能度≥2的聚合封端的羟基化合物，而扩链剂是具有官能度＝2的低分子量羟基和胺基封端化合物，交联剂是官能度≥3的低分子量羟基和胺基封端化合物。下表给出了一些用于聚氨酯反应的"醇"的类型的例子。

虽然可以混合并反应得到聚氨酯的含羟基化合物的实际组合几乎是无穷无尽的，但所有化合物的聚氨酯连接的形成是相同的：醇羟基与异氰酸酯的反应。

可接受的异氰酸酯也有一系列的官能度，包括二异氰酸酯(官能度＝2)，三异氰酸酯(官能度＝3)和多异氰酸酯(官能度>3)。它们可作为脂肪族或芳香族的异氰酸酯获得。

可以对热塑性聚氨酯(TPU)和热固性聚氨酯进行区分。热塑性聚氨酯是在聚氨酯中各相之间形成物理交联的材料，在施加热量或溶剂时可被"融化"。。这些聚合物可以通过注塑成型，和通过热熔挤压进行挤出。该材料也可以溶解在溶剂中。该材料可以"融化"的原因是其没有化学交联，因为聚合反应通常是在二元醇和二异氰酸酯之间进行的，两者的官能度都是2。由此，就形成了线性聚氨酯。热塑性聚氨酯是一种可以熔化和重新成型的聚合物，具有弹性和高度柔韧性，使其成为适用于广泛行业的通用材料。

热固性聚氨酯是化学交联的，所产生的材料不能"融化"和重新成型。热固性PU通常比热塑性聚氨酯更耐用。其原因是所使用的醇和/或异氰酸酯体系具有大于2的官能度。使用更高官能度的原料(官能度>2)增加了化学连接聚合物链的可能性，直到获得无限的交联结构，其不能通过加热或溶解而降解。

通常，期望的是聚氨酯泡沫，聚氨酯泡沫需要添加发泡剂和表面活性剂。发泡剂可以是挥发性液体，如低沸点烃或氢氟碳化物，或者更优选的是惰性气体。二氧化碳是特别优选的发泡剂，它可以作为气体直接加入或通过向聚氨酯反应中加入水而产生。水很快与异氰酸酯反应，生成胺和二氧化碳。由此产生的胺进一步与更多的异氰酸酯反应，在聚合物中产生脲连接，由此产生的二氧化碳作为发泡剂，生产聚氨酯泡沫。该过程的示意图如下。

因此，在聚氨酯反应中加入水，会在最终的泡沫基质中产生聚氨酯和脲连接。

虽然PU具有优良的机械性能，但该材料并不具有杀生物性，并且微生物很容易在PU表面繁殖。PU容易受到微生物的攻击，这被认为是这一大类聚合物的主要缺点之一。

细菌在工业和家用PU上的生长是令人厌烦和不希望的，而细菌在医疗应用的PU上的生长可以是致命的。文章“减少聚合物生物材料感染的抗菌策略及其经济影响和考虑因素(Antimicrobial strategies to reduce polymer biomaterial infections andtheir economic implications and considerations)”，国际生物退化和生物降解(International Biodeterioration&Biodegradation),136(2019)1-14，描述了医院获得性感染(HAI)的问题，医疗设备如何导致HAI的发生，以及用于使医疗设备中的聚合物获得抗菌性的各种策略。导管(Catheter)是全世界最常见的植入物，仅在美国，每年就有500万根中心静脉导管(CVC)和3000万根导尿管被植入。这两种类型的导管被认为是HAI的两个主要来源。这两种类型的导管被认为是HAI的两个主要来源。美国疾病控制中心(CDC)报告说，仅在美国，每年就发生约25万起与CVC相关的血流感染(BSI)，每起感染的额外住院费用约为34,500-56,000美元。这不仅有巨大的经济成本，据CDC估计，美国4％的病人在住院期间会感染HAI，这将导致170万例感染和99000例相关死亡。

这篇文章还指出，造成大多数HAI的是相对较少的微生物，主要是金黄色葡萄球菌、铜绿假单胞菌、大肠杆菌、凝固酶阴性葡萄球菌(CoNS)(主要是表皮葡萄球菌)和肠球菌属(主要是粪肠球菌和屎肠球菌)。血管植入物更有可能被金黄色葡萄球菌和CoNA定殖，而大肠杆菌和肠球菌更有可能在泌尿系统设备上定殖。

PU通常用于许多医疗应用，包括血管和尿路导管、伤口敷料、管子、医疗设备包装、过滤器、医院床上用品、手术窗帘、喂食管、手术引流管、主动脉内球囊泵、透析设备、非过敏性手套、医疗服装以及各种注塑的设备。PU最常见的用途是短期植入物，在此微生物污染的可能性很高。如果这些医疗设备和与健康有关的产品能够被制成杀生物性的，以减少不良病原微生物的传播而导致HAI的发生，预期这将是一个很大的好处。HAI是由于医疗保健访问或护理(如医院、医生办公室、疗养院等)由病毒、细菌和真菌病原体的传播引起的。获得HAI的最常见方式是通过血流感染、肺炎、尿路感染和手术部位感染。PU负责制造多种直接接触以下的产品：伤口、气道、血液和泌尿道，因此成为导致HAI的病原污染风险的潜在来源。如果不是源头，PU可以是促进不希望的微生物积累的地方，从而导致不希望的感染。

鉴于上述情况，具有杀生物活性的PU或基于PU的材料对于特定应用会是非常理想的，尤其是可以改善消费者和患者的健康并降低HAI风险的应用。

有多项专利和文献描述了通过在PU聚合中加入抗菌剂来使聚氨酯材料具有杀生物性。这些药剂可以是固定在PU结构上的反应剂和/或包含在PU基质中的添加剂。该杀生物剂包括：季氨基化合物(例如苯扎氯铵和氯化十六烷基吡啶(cetylpyridiniumchloride))；苯酚和甲酚；卤代酚(例如对氯间二甲苯酚)；双胍(例如洗必泰(chlorhexidine))；苯胺(例如三氯碳)和三氯生。

一类已经获得了极大的关注并负责许多商业体系的抗菌剂是使用金属，如：铜、锌、银及其相应的衍生物和/或盐。这些金属体系涂覆在聚合物基材上或掺混到聚合物基材中。纳米银尤其被选为一种理想的抗菌金属，其可以使涂覆的或挤出的体系具有杀生物性。尽管这些体系很有前途并取得了一些商业上的成功，但金属和纳米金属体系的使用也存在问题。首先，金属有可能从PU体系中浸出(leach)和/或除去。一项关于洗涤纳米银浸注织物的研究表明，仅在一次洗涤后，从衣服中去除的纳米银的水平为20-35％。其次，金属尤其是纳米金属体系的毒性尚未完全了解。纳米金属体系具有穿过皮肤/细胞屏障的能力，因此存在对患者安全的担忧。纳米金属体系也很容易从处理过的体系中浸出或去除并进入生态系统，而这些金属纳米颗粒对环境的影响尚不清楚。

与抗菌剂有关，也有许多参考资料通过在PU体系中添加已知的抗生素制剂使PU抗菌。不幸的是，抗生素的广泛使用已经导致了一些对抗生素有抵抗力的细菌或被称为"超级细菌"的产生。这一发展尤其棘手，因为获得无法治疗的HAI的潜在风险急剧增加，这对病人的健康有直接影响。

基于上述情况，显然，对可以对抗现有和未来的抗菌超级细菌和病毒的新的杀生物PU材料的发现和使用所述杀生物材料的产品，将是非常期望的。

聚氨酯的一个独特属性是，聚氨酯连接与碘形成强络合。碘是一种独特的材料，因为它是一种天然存在的、对环境无害的材料，容易获得，价格低廉，对细菌、病毒和真菌显示出强大的杀伤活性，同时也是人体正常健康功能所需的基本矿物营养。实际的络合机制被认为与水溶性的聚乙烯吡咯烷酮-碘(PVP-I)碘伏络合物类似。PVP-I(碘伏(betadine))是市售的并且广泛用作手术前后和轻微伤口的皮肤消毒的消毒剂。实际的PVP-I络合被描述为以下方式。

一般认为，该络合是通过PVP上的酰胺官能团和碘之间的氢键/电荷络合形成供体-受体络合物发生的，其中碘是受体。设想类似的供体-受体络合是聚氨酯中的氨基甲酸酯和脲基团发生的。

PVP-I是一种水溶性碘伏，其广泛用作医疗保健和兽医领域的消毒剂。PVP-I于20世纪50年代推出，由聚乙烯吡咯烷酮(PVP)与碘(I)络合而成。PVP-I材料是一种稳定的络合物，其具有与碘相似的广谱抗微生物活性，但刺激性和毒性较小。含有PVP-I的制剂不需要碘产品所需的毒物标签，商业溶液和基于药膏的制剂很容易在柜台上买到(OTC产品)。PVP-I溶液无刺激性，无致敏性，施加于伤口或粘膜时不会引起疼痛。PVP-I溶液可用作漱口水，不会造成染色或不利副作用。PVP-I溶液可有效对抗：细菌、细菌孢子、酵母、霉菌、真菌、病毒和噬菌体。其广谱杀生物活性对治疗混合感染特别有效。PVP-I的综述可以在国际专业产品公司发行的PVP-碘手册中找到，手册Phar00193/2004。可以想象，一种灵活、简单和具有成本效益的聚氨酯-碘络合物生产方法将引起很高的兴趣，该生产方法生产具有类似于水溶性PVP-I的杀生物特性并且安全、无刺激、杀生物和抗病毒的聚氨酯。

US3,235,446公开了如何制备碘化聚氨酯泡沫和薄膜。初始的聚氨酯泡沫被浸泡在水-醇碘溶液中，使碘慢慢扩散到泡沫中。一些缺点阻碍了该方法在商业上的可行性：(1)泡沫吸附碘溶液的过程时间长，(2)之后需要干燥泡沫，(3)整个泡沫对碘的非均相吸收，(4)泡沫的PU化学结构对"吸收"碘溶液的能力有很大影响。

US4,381,380公开了如何制备碘处理的热塑性聚氨酯制品。在此发明人用预制的PU热塑性制品并用水-醇碘溶液对其进行处理。

US4,769,013公开了用于PU的杀菌涂层，其生产方法是：起始时用含有PVP的有机溶剂溶液处理PU，使PVP聚合物附着在PU制品上，随后用碘溶液处理，形成附着的PVP-I杀菌涂层。

US5,302,392公开了一种可以快速释放碘的PU泡沫。这种泡沫的产生是通过将作为固体粉末的PVP-I包括在PU聚合过程中，形成分散在PU泡沫基质中(即不与之络合)的固体PVP-I颗粒的互穿网络(IPN)。该专利公开，由此产生的泡沫含有PVP-I的固体颗粒，这些颗粒基本上不与PU基质络合。将水溶液添加到所产生的PU-PVP-I IPN中，会使PVP-I络合物瞬间释放到所述液体中。US5,302,392的重点不是使PU泡沫材料具有杀生物性能，而是将PU泡沫作为一种输送装置，在湿润时输送水溶性PVP-I络合物。这其中没有通过反应来制造PU-I络合物，并且水溶性PVP-I迅速从PU基质中浸出以获得即时的活性，而不是提供一种具有长期持续和受控的杀生物活性的PU材料。

虽然所有这些现有技术的方法都能生产出杀生物PU产品，但到目前为止，有多种问题和限制阻碍了它们的大规模应用。

首先，所有已知的制造方法都需要使用溶剂来形成碘络合物。PU需要与有机溶剂体系接触、浸泡，然后再进行干燥。这些过程耗时、昂贵、能源密集且不环保。因此，大规模实施这些技术并不经济或实用。其次，该方法通常只适用于亲水型PU，PU会在醇-水碘溶液中相互作用并膨胀，从而产生络合物。与极性溶剂体系很少或没有相互作用的疏水性PU预计时不可行的。第三，这些方法难以标准化来开发商业流程，在该流程中需要连续产生相同的碘络合的材料。即使聚氨酯的化学和物理结构有非常小的变化，也会对碘的吸收和络合过程产生潜在的巨大影响。最后，由于所有的现有技术方法都依赖于将碘从溶液中吸收到PU基材上--这是一种表面应用，所以很难对PU-I的水平、络合效率和络合深度进行标准化。几乎可以保证，由此产生的PU-I体系会观察到明显的杀生物性变化和活性，这对于规范的(医疗)产品来说是不可接受的。

鉴于上述情况，本发明人着眼于提供一种制造PU-I体系的新方法，该方法至少克服了上述现有技术中的一些，优选是所有的缺点。特别是，其旨在提供制造简单、稳定、均相和固有的杀生物PU-I络合物，同时避免不希望的溶剂和/或复杂制造方法的需要。

出乎意料的是，本发明人发现，聚氨酯可以与合适的碘源络合，在这个过程中，碘源直接溶解在用于制造所需聚氨酯的一种或多种原料中，从而在聚氨酯聚合反应过程中"原位"形成的聚氨酯-I络合物，或者在预制聚氨酯的"熔体"中加入碘源，其中聚氨酯是可溶的并且可以使碘源与聚氨酯基质中的氨基甲酸酯和脲基团进行络合。预制PU可以是热塑性PU(TPU)或水性分散体(PUD)中的PU。例如，通过与TPU热熔挤出，或通过使得碘迁移到聚氨酯分散体(PUD)的水性连续相中的分散PU相，以添加碘源。根据过程中使用的碘的用量和/或来源，可以很容易地调整最终PU-I材料的杀生物性。

PU-I络合物的原位形成

本发明的一个方面涉及一种提供杀生物聚氨酯-碘(PU-I)络合物的方法，其包括(i)将至少一种碘源溶解到用于制备所需聚氨酯(PU)的一种或多种原料中，以获得单相碘体系，随后(ii)在单相碘体系存在下进行PU聚合反应，从而生成杀生物PU-I络合物。

在不希望受理论约束的情况下，在该方法中，PU-I络合物的"原位"形成几乎与氨基甲酸酯基团的形成同时发生，以形成稳定的PU-I络合物。

本领域未曾公开或建议这样的方法。

如上所述，US5,302,392公开了PVP-I/PU泡沫的制备方法，其中将PVP-I干粉的聚乙二醇浆液加入到异氰酸酯反应物中，从而启动PU发泡过程。与本发明不同的是，PVP-I是以二元碘体系形式加入到PU反应混合物中的。因此，US5,302,392的聚氨酯组合物的固体PVP-I络合物颗粒均匀地分布在整个聚氨酯基质中，因此该络合物不会在任何明显的程度上与聚氨酯结合。该组合物特别有用于擦洗海绵，其可以提供几乎瞬时的络合物释放。

如本文所用，术语”原料”是指任何常规用于制造聚氨酯的前体、反应物或起始材料。

"单相碘体系"或"一相碘体系"是指至少一种碘源溶于任何类型或数量的聚氨酯反应原料中的均相溶液。这是一种均相的单相液体混合物，其由两种或多种组分组成，其中至少一种是碘源(溶质)，至少一种是用于后续PU反应的组分(溶剂)，其中碘源是可溶的。其不包括悬浮在液体中的固体或颗粒部分的混合物，如浆液或悬浮液。例如，不包括干粉PVP-I的多元醇浆液。

重要的是需理解，实际的聚氨酯反应和与碘形成络合物的氨基甲酸酯基团的形成，对于聚氨酯热塑性材料和热固性材料都是一样的。获得热塑性或热固性的驱动力是基于聚氨酯反应中所使用的原材料的官能度，而不是化学上的差异(即在两个体系中醇与异氰酸酯发生相同的聚氨酯反应)。因此，在聚氨酯反应过程中原位形成PU-I络合物的能力适用于热塑性和热固性聚氨酯。

根据本发明，所述至少一种碘源可以选自元素碘、聚乙烯吡咯烷酮-碘(PVP-I)、碘化物盐及其任意组合。PVP-I可以含有1-25％的可用碘和2-35％的总碘。优选地，所述至少一种碘源是元素碘，其任选地与PVP-I组合。在一个具体的实施方式中，元素碘是唯一的碘源。

如上所述，本发明的原位方法的特点是，所述至少一种碘源以溶解状态包含在PU反应混合物中，特别是其溶解在一种或多种原料中，例如前体、反应物、溶剂，这些原料通常用于制造聚氨酯，无论是热固性还是热塑性聚氨酯。溶解碘源的合适原料包括：(i)多元醇；(ii)异氰酸酯；以及(iii)用于合成聚氨酯的扩链剂、交联剂、催化剂、表面活性剂、溶剂和/或添加剂。

因此，本发明涉及一种提供杀生物聚氨酯-碘(PU-I)络合物的方法，该方法包括将至少一种碘源溶解到包含用于制备聚氨酯热固性材料或聚氨酯热塑性材料的原料的聚合混合物中；并允许形成杀生物PU-I络合物。例如，该方法适当地包括将至少一种碘源溶解在包含(i)多元醇和(ii)异氰酸酯和/或小分子扩链剂的通常用于制造聚氨酯的聚合混合物中，从而提供热固性或热塑性聚氨酯-碘络合物。优选使用合成或生物基的起始材料来生产聚氨酯。

在一个实施方式中，首先将至少一种碘源溶解在"不完整"的反应混合物中，使得反应混合物完整以启动PU反应。例如，提供一种方法，其中将至少一种碘源(例如PVP-I和/或I₂)溶解在多元醇、多元醇掺混物、官能度≥2的低分子量醇、官能度≥2的低分子量胺和/或溶剂中，然后加入所需的异氰酸酯以启动聚氨酯反应。

在另一个实施方式中，至少一种碘源溶解在"完整"的PU反应混合物中。例如，将至少一种碘源溶解在聚合混合物中，所述聚合混合物包含(i)多元醇；(ii)异氰酸酯；和(iii)用于合成聚氨酯的扩链剂、交联剂、催化剂、表面活性剂、溶剂和/或添加剂，以提供热塑性或热固性聚氨酯-碘络合物。

用于本发明的合适的异氰酸酯是本领域内已知的。异氰酸酯可包含脂肪族二异氰酸酯、三异氰酸酯或多异氰酸酯，芳香族二异氰酸酯、三异氰酸酯或多异氰酸酯，或其任意组合。在一个具体方面，异氰酸酯包括脂肪族或芳香族的二异氰酸酯或多官能异氰酸酯。

用于本发明的合适的多元醇是本领域内已知的。例如，多元醇选自下组：聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚碳酸酯多元醇、聚己内酯多元醇、聚丙烯酸酯多元醇及其任意组合。

扩链剂可以是低分子量二醇或二胺，或其任意组合。

交联剂可以是官能度大于2的低分子量醇或胺。

聚氨酯催化剂可以是任何常规的或尚未发现的PU催化剂，例如叔胺、金属化合物或其任意组合。据观察，在单相碘体系存在的情况下，PU聚合反应会受到碘物质的抑制。因此，在一个优选的实施方式中，为了进行聚氨酯反应以及PU-I络合物的形成，添加了更多用量的催化剂。

根据本发明，PU-I络合物的原位形成可涉及通过多步、一步本体或溶剂聚合进行聚氨酯聚合反应，从而在预聚物形成阶段或一个方法步骤中形成最终的PU-I络合物。

用预制PU形成PU-I络合物

本发明还涉及一种方法，其中通过使用特定条件确保PU可与碘源络合，使得碘源与预制PU络合。提供了一种提供杀生物聚氨酯-碘(PU-I)络合物的方法，该方法包括制备(i)至少一种碘源和(ii)热塑性聚氨酯(TPU)或PU分散体(PUD)的均相混合物，以形成可以形成杀生物PU-I络合物的单相体系。

因此，与上述原位方法的描述类似，单相体系确保存在的PU结构处于"熔融"物理状态，可以与碘源相互作用(络合)。

可以通过各种方式使得TPU处于熔融物理状态。例如，可以将TPU加热到其玻璃和/或结晶温度以上，或者将其溶解在适当的溶剂中。因此，该方法包括通过将至少一种碘源与加热、熔融或溶解的状态下的TPU掺混来制备均相的单相体系。该方法可包括将至少一种碘源溶解在热塑性聚氨酯的熔体或溶液中，以提供热塑性聚氨酯-碘(TPU-I)络合物。还包括使用TPU-I络合物作为母料，进一步加工成特定产品的方法。

在一个实施方式中，其包括将碘源和作为干粉的TPU混合，并将混合物送入挤出机。在一个具体方面，碘元素和/或PVP-I与TPU进行干混，然后进行挤出。

该方式可以用任何类型的TPU进行实施。例如，热塑性聚氨酯包括聚酯基、聚醚基、聚己内酯基、聚丙烯酸酯基、芳香族和/或脂肪族热塑性聚氨酯中的一种或多种。优选的是由合成或生物基起始材料生产的聚氨酯。

有利地，TPU是(i)至少一种碘源和(ii)热塑性聚氨酯(TPU)的均相混合物中的主要的或主导的聚合物。在一个方面，TPU占均相混合物的总聚合物含量的至少85w％，优选至少90w％，更优选至少95w％或甚至至少98w％。

优选地，该均相混合物不包含任何亲水聚合物，如聚(N-乙烯基内酰胺)。

与上述原位方法的描述类似，所述至少一种碘源选自下组：元素碘、聚乙烯吡咯烷酮-碘(PVP-I)、碘化物盐及其组合。

在一个实施方式中，使用至少PVP-I作为碘源。在一个优选的实施方式中，PVP-I含有1-25％的可用碘和2-35％的总碘。优选使用符合USP或EP药典的聚维酮碘的PVP-I。在另一个实施方式中，使用PVP-I和元素碘的组合，例如在制备PU-I络合物的热熔挤出过程中使用。在一个优选方面，所述至少一种碘源是或包含元素碘。

如下所述，本发明提供了一种用于制造杀生物聚氨酯-碘(PU-I)络合物(例如用作杀生物涂料)的方法，其中均相碘/PU混合物的制备包括向水性聚氨酯分散体(PUD)中加入元素碘，并使得元素碘迁移到分散体的PU相中，以获得均相的单相体系，在其中形成PU-I络合物。

水性聚氨酯分散体在本领域中是已知的，并很容易从供应商处获得。例如，脂肪族聚醚聚氨酯分散体可以从的鲁道夫有限责任公司(Rudolf GmbH)，格列茨里德(Geretsried)，德国获得。

在一个实施方式中，元素碘以溶于合适溶剂的溶液形式加入到PUD中，该溶剂溶解元素碘并与PU相相容，例如醇，优选为异丙醇。另见实施例2和图1A。在另一个实施方式中，将元素碘作为固体材料加入，然后进行碘的升华。碘在室温下很容易升华，但也可以通过加热来催化。见实施例2和图1B。在另一个实施方式中，将元素碘溶解在过量的醇溶剂中，并加入到水性PUD中，形成单相水醇溶液，从而形成杀生物PU-I络合物。见实施例2和图1C。

杀生物PU-I络合物及其应用

本发明还涉及一种对例如细菌、病毒、酵母、真菌、霉菌、孢子和/或原生动物具有活性的杀生物聚氨酯-碘络合物。特别地，其提供了一种可通过根据本发明的方法获得的PU-I络合物。PU-I络合物可以通过根据本发明的原位方法制备，也可以通过在上述条件下使预成型的TPU与碘络合来制备。PU-I络合物的特点是没有或几乎检测不到碘从PU材料中的释放或浸出。PU-I络合物可以包括热塑性PU(在此也称为TPU-I)或热固性PU或水性PUD。

在一个方面，本发明提供了一种聚氨酯-碘络合物，其包含1-30重量％的PVP-I，如2-15w％的PVP-I，3-10w％的PVP-I或3-8w％的PVP-I。

在另一个方面，本发明提供了一种聚氨酯-碘络合物，其包含0.1-30重量％的元素碘(I₂)，如0.1-20w％，1-15w％或3-8w％的元素碘。在一个优选的实施方式中，PU-I络合物包含0.1-10重量％的元素碘。例如，所提供的是一种聚氨酯-碘络合物，其在成品聚氨酯-碘络合物材料中具有至少0.1重量％的量的可溶性碘。

正如本领域技术人员所了解的那样，本文提供的PU-I络合物可以以任何合适的形式、组合物或材料来制备或配制。这些材料包括泡沫、分散体、涂料、固体制品等。优选地，PU是主要的聚合物。在一个实施方式中，TPU在含有PU-I的材料的总聚合物含量中至少占85重量％，优选至少占90重量％，更优选至少占95重量％。替代或另外地，该材料不含亲水聚合物，优选不含聚(N-乙烯基内酰胺)。

本发明的PU-I材料在功能上的特点是结合了所期望的机械性能和对细菌、霉菌、病毒和真菌的广谱杀生物和抗病毒活性。该材料无毒、无刺激、无致敏性，在卫生、消费者、食品、兽医、水产和工业领域有广泛的应用。

因此，本发明还提供了根据本发明的聚氨酯-碘络合物在众多(杀生物)应用中的用途，包括工业、建筑、消费者、制药、卫生、兽医和/或水产市场领域。该用途可涉及聚氨酯-碘络合物与其他天然或合成聚合物、天然或合成纤维、杀生物剂和/或填充剂形成掺混物、复合物和/或互穿网络。

从上文可以看出，本发明还涉及一种包含本文提供的聚氨酯-碘络合物的杀生物产品(即最终产品或消费品)。同样在本文中，聚氨酯-碘络合物可以是与一种或多种其他天然或合成聚合物、天然或合成纤维、杀生物剂和/或填充剂的掺混物、复合物和/或互穿网络的一部分。示例性的杀生物产品包括空气过滤器、水和溶液过滤器、口罩、手套、设备或装置外壳、粘合剂、服装、窗帘、纤维、硬表面涂层、牙科用品、建筑材料、建造材料、地毯、医疗器械、伤口敷料、组织支架、手术和内窥镜、导管、管子、呼吸管、气管插管、血管内导管、深静脉注射管(deep intravenous line)、鞋类、海绵、切割板(cutting plank)、面罩、软管、食品和设备包装、台面、柔性表面涂层、键盘、装饰品、地板涂料、地板、避孕套、松紧带、心脏瓣膜、起搏器、地垫(mat)、床垫、密封剂、乳房植入物、植入物、泡沫和衬垫。

还提供了一种包含根据本发明的杀生物PU-I络合物的水性分散体，以及其在为表面或物体提供杀生物涂层的方法中的用途。在另一个实施方式中，本发明提供了一种包含或由根据本发明的PU-I络合物组成的杀生物涂料。本发明还包括至少部分提供(例如通过喷涂)有杀生物PU-I络合物的物件，如面罩。

具体实施方式

由于络合可以在具有独特和所需特性的广泛的PU上进行，因此所述PU-I络合物制品的潜在应用与PU目前使用的应用相同，还具有杀生物的额外益处。此外，由于PU-I络合物是在熔体中制造的，所产生的材料在整个聚合物基质中具有固有的杀生物性。该PU-I体系显示出对细菌、病毒、酵母菌、真菌、霉菌和原生动物的广谱杀生物活性。PU-I材料的杀生物活性是无选择性的，可用于需要具有杀菌、杀真菌、杀病毒、杀孢子、杀阿米巴、杀昆虫或杀线虫活性的PU材料。所得的PU-I络合物和掺混产品：动物和植物毒性低，对皮肤和粘膜无刺激性，无致敏性，不会延迟愈合或形成肉芽组织，无刺痛感。本发明的PU-I络合物显示出长期的杀生物活性。

本发明公开的PU-I络合物材料预计具有与水溶性PVP-I络合物类似的广谱杀生物活性。PVP-I溶液可有效对抗：细菌、细菌孢子、酵母、霉菌、真菌、病毒和噬菌体。PVP-I材料显示出比其他抗菌剂(例如苯扎氯铵和氯己定)更广泛的杀生物活性。与许多抗生素不同，PVP-I体系经过60多年的临床使用后，还没有观察到细菌耐药性。PVP-I溶液对耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)、肺炎克雷伯氏菌、肺炎链球菌、流感嗜血杆菌、铜绿假单胞菌和嗜肺军团菌具有活性，并能轻易灭活人类免疫缺陷病毒(HIV)和脊髓灰质炎病毒。PVP-I溶液对禽流感(Virology J.,2009:6:124)、埃博拉病毒和痘苗病毒安卡拉株显示出高杀病毒功效，其用作参考病毒以显示对包膜病毒的杀病毒活性(BMC Infect Dis.,2015；15:375)。PVP-I还被证明对SARS冠状病毒SARS-CoV具有高度活性(Dermatology,2006；212(suppl1):119-123)，这种冠状病毒与导致COVID-19全球大爆发和随后全球经济危机的病毒属于同一家族。

PVP-I以红棕色自由流动粉末的形式获得。通常情况下，其可用碘含量约为9-12％。该材料已被列入USP和EP药典。美国专利4,200,710给出了如何制备该PVP-I络合物的细节，世界上有许多PVP-I的制造商，包括亚什兰公司(Ashland Inc.)、巴斯夫公司(BASF)和博爱新开源制药股份有限公司(Boai NKY Pharmaceuticals Ltd)。

适用于本发明的PU和/或PU原料包括由多家全球制造公司生产的原材料，包括：巴斯夫欧洲公司、拜耳、科思创、路博润、帝斯曼(DSM)、陶氏、博苏化学(BorsodChem)、Elastogran、亨斯迈聚氨酯(Huntsman Polyurethanes)、利安德巴塞尔(LyondellBasell)、雷普索尔(Repsol)、意慕利油脂化学品(Emery Oleochemicals)和壳牌化学。这些材料包括聚氨酯热塑性材料和用于制造聚氨酯热固性材料的原材料，主要是多元醇和/或异氰酸酯。

根据本发明，PU-I络合物可以通过将所需的碘源溶解到PU所得结构中来制造,而不需要额外的溶剂。例如通过以下方式实现：(1)将碘源溶解到熔融相的PU中，例如TPU；(2)将碘源溶解到用于生产PU的一种或多种起始原料中，例如多元醇和/或异氰酸酯；或者(3)将碘源添加到水性聚氨酯分散体(PUD)中。

常见的商用芳香族异氰酸酯包括：甲苯二异氰酸酯(TDI)、二苯甲烷二异氰酸酯(MDI)、萘二异氰酸酯(NDI)、三苯甲烷三异氰酸酯以及MDI和TDI的聚合形式。常见的商用脂肪族异氰酸酯包括：六亚甲基二异氰酸酯(HDI)、异佛尔酮二异氰酸酯(IPDI)和氢化MDI(HMDI)。

除了上述商用异氰酸酯外，本发明还可以采用一系列特殊的二异氰酸酯和多官能异氰酸酯。可以使用改性的多官能异氰酸酯，其是由有机异氰酸酯和/或多官能异氰酸酯的部分化学反应得到的产品。例子包括，但不限于，含有酯基、醚基、脲基、缩二脲基(biuretgroup)、脲基甲酸酯基(allophanate group)、碳二亚胺基、异氰尿酸酯基和/或氨基甲酸酯基的二异氰酸酯和/或多官能异氰酸酯。

该多元醇组分可以是任何用于形成聚氨酯的常规多元醇。示例性的多元醇包括含多羟基聚酯、聚氧乙烯聚醚多元醇、多羟基封端聚氨酯聚合物、含多羟基磷化合物，以及多羟基聚硫酯、聚缩醛、脂肪族多元醇和硫醇的氧化亚烷基加合物，及其混合物。商用聚醚多元醇包括：羟基封端的聚环氧丙烷(PPO)、聚丙二醇(PPG)、羟基封端的聚环氧乙烷、聚乙二醇(PEG)和聚四亚甲基氧化物(PTMO)和聚四氢呋喃烷(PTHF)的多元醇。商用聚酯多元醇通常由己二酸和乙二醇(聚己二酸乙二醇酯)或丁二醇和己二酸(聚己二酸丁二醇酯)制成。此外，聚酯多元醇可以由二醇和己二酸的混合物制备，以控制所得多元醇的机械性能。另一种重要的多元醇是聚己内酯二醇，因其被认为是可生物降解的。多元醇也可以通过己内酯与其他单体的共聚而制成。在开发生物基多元醇以提高可持续性方面也做了大量工作。

PU组合物可进一步包括扩链剂。扩链剂可以是芳香族或脂肪族化合物，其能够与至少两个异氰酸酯封端的聚合物单元反应，形成聚合物链。典型的扩链剂可以是芳香族或脂肪族化合物，其末端有超过一个的羟基或胺基。其他PU组分包括：催化剂，表面活性剂，稳定剂，染料，增稠剂，增塑剂，填充剂和颜料。PU系列的聚合物代表了最广泛和最多样化的合成聚合物之一。聚PU也可以很容易地与其他聚合物和基材掺混或复合构造，以进一步扩大可获得的性能和应用范围。

在制备(i)至少一种碘源和(ii)热塑性聚氨酯(TPU)或聚氨酯分散体(PUD)的均相混合物以形成单相体系，从而可以形成杀生物PU-I络合物时，可以获得非常好的结果。如前所述，本发明的PU-I杀生物材料可以不使用溶剂来制备。对于热塑性聚氨酯(TPU)体系，TPU-I络合物可以通过在熔融状态下将TPU聚合物与合适的碘源掺混而形成。TPU-I络合物可通过热熔挤出轻松有效地制备，成品的制造可通过挤出、注射成型或三维打印完成。热熔挤出可以实现TPU-I络合物的熔体混合和制备以及成品的制造，也可以用来制备母料，用于进一步的下游加工和产品生产。进行络合的优选温度取决于TPU基础材料和碘基材，优选的最低挤出温度比碘的熔融温度(114℃)高，从而快速有效地混合TPU基质和碘。实际的TPU-I挤出条件非常依赖于与碘和PVP-I材料掺混的TPU材料。可以在热熔体中与碘和/或PVP-I掺混的可接受的TPU材料是任何可以熔化和挤出的TPU，包括但不限于：聚酯基TPU、聚醚基TPU、己内酯基TPU、芳香族TPU和脂肪族TPU。TPU是由软段和硬段交替组成的嵌段共聚物，其可以受控形成几乎无穷尽的TPU。TPU嵌段共聚物包括：由二异氰酸酯与短链二醇(扩链剂)反应形成的极性较强的硬段和由二异氰酸酯与长链二醇反应形成的极性较弱的软段。通过调整软段和硬段的比例，可以合成出具有不同熔体特性和机械性能的多种聚合物性能的TPU。软段和硬段分离成独特的相，形成结晶相或假结晶相，在冷却时对热塑性聚氨酯进行物理交联。加热TPU会使这些"假交联"消失，使TPU熔化。正是在该熔化过程中，碘源可以有效地络合到TPU基质中。冷却后，硬段和软段开始相分离，TPU-I络合物发生物理交联，将杀生物TPU-I络合物"固定"在所需的形式和形状上。由于产生的TPU-I可以被熔化，TPU-I材料可以很容易地通过以下方式进行加工：挤出、注塑成型、吹塑成型、织物涂覆、重叠注塑(over molding)、压延、压缩成型、真空成型、溶液涂覆和3-D打印。

TPU商业产品可从许多生产商处获得，包括：路博润公司的

Pellethane^TM、Tecoflex^TM、Tecothane^TM、Carbothane^TM TPU；亨斯迈公司的

TPU；科思创股份公司的

TPU；巴斯夫欧洲公司的

TPU；陶氏化学公司的DIPRANE^TM、HYPERLAST TPU^TM；Epaflex Polyurethanes Spa的EPACOL TK、EPALINE、EPAMOLD、Pakoflex；普立万公司的Edgetek^TM、Gravi-Tech^TM、NEUSoft^TM、OnFlex^TM；万华化学集团有限公司的

TPU；Coim集团的LARIPUR TPU；台湾欣顺的

TPU；Miragnn化学公司的

TPU；Miracil化学公司的

TPU；以及Hexpol TPE的Dryflex TPU。各种TPU在许多市场上都有广泛的应用，包括：汽车、建筑和施工、薄膜和板材、工程、鞋类、合成皮革和纤维、软管和管道、医疗以及电线和电缆。

应指出，大多数热塑性聚氨酯在加工过程中都不需要溶剂，因此，在TPU熔化过程中形成TPU-I络合物的能力对于获得易于实施且适用于市场的一大类TPU的商业方法非常重要。尽管碘与亚结构化学基团(酯基、醚基、碳酸根基等)可能存在相互作用，但碘与TPU或PU基质中的氨基甲酸酯和脲基团有强烈的相互作用和络合。

聚氨酯分散体(PUD)是一类相对较新的聚氨酯，是为了减少溶剂型PU体系的环境影响和健康风险而开发的。PUD是在水性载体中精细分散的PU，在应用PU涂料时大大减少或消除了溶剂的使用。

PUD的主链拥有与溶剂型PU聚合物相同的基本组成，但含有亲水基团，使聚合物能够分散在水中。分散的PU颗粒由周围是由离子基团和/或长链亲水非离子基团构成的亲水外壳的疏水核心组成。这些乳化的基团通常附着在聚合物主链上，但有时也可使用外部乳化剂和溶剂来促进PUD的产生。离子型PUD将离子型物质纳入PU主链。例如，使用含有磺酸根或羧酸根基团的扩链剂将导致离子型PUD的产生。非离子型PUD通常包含含有较长链段的聚环氧乙烷作为亲水改性剂的链段。水性PUD可以被配制成单组分和双组分配方，以产生具有高耐久性、良好的基材附着力、高防水、防污和耐磨性、高韧性和防腐蚀的涂料。水性涂料可以进一步配制成在涂料干燥过程中发生额外的物理和化学变化，以产生较小水敏感性和/或交联的PU涂层，从而进一步提高所产生的干燥涂层的性能。

因此，所有的PU，无论是热塑性还是热固性或PUD，只要能以均相和可控的方式引入碘，就能与碘形成稳定的络合物。因此，任何能够在简单的制造过程中，在聚氨酯基质中均相且可控地输送和络合碘的方法都将具有广泛的商业吸引力。形成TPU-I络合物的一个非常合适的情况是当TPU处于其"熔体"物理形式时。当热塑性聚合物高于其玻璃和/或结晶温度时就会出现聚合物熔体，聚合物开始表现为粘弹性流体并可被加工。正是在聚合物熔化过程中，碘络合物开始启动、形成，并可用于进一步的下游加工和产品制造。有两种主要方法可以获得TPU聚合物熔体：(1)通过加热TPU超过其玻璃和/或结晶温度，或(2)通过将TPU溶解在溶剂中。

虽然制造TPU-I络合物的优选方法是在不使用溶剂的情况下，在TPU玻璃和/或结晶温度以上进行加热和混合，但在一些特定的应用中，可以对TPU进行加工随后通过溶液涂覆进行应用。对于这样的应用，可以通过在溶解步骤中向TPU中添加所需的碘源来制成TPU-I溶液。然后像往常一样处理TPU-I溶液，除去溶剂，得到所需的TPU-I络合物。无论TPU-I络合物是通过加热和混合还是通过溶液溶解制成的，TPU-I络合物的实际形成都与处理基础TPU所需的正常和通常的方法步骤相结合，不需要额外的复杂方法步骤来形成TPU-I络合物。

尽管TPU弹性体有广泛的用途，但交联热固性PU体系是最大的PU家族。热固性PU体系的类型包括：柔性PU泡沫、刚性PU泡沫、涂料、粘合剂、密封剂、弹性体、粘合剂、反应注射成型(RIM)和水性聚氨酯分散体。PU泡沫可进一步分为：开孔、网状或闭孔泡沫。对于交联的热固性PU体系，生产PU-I络合物不能在聚合物熔体中进行，因为PU热固性材料不会在较高的温度下熔化或溶解于溶剂。因此，将碘源适当地添加并溶解在用于生产聚氨酯热固性材料的一种或多种原料中，主要是多元醇、异氰酸酯和/或扩链剂原料。碘元素在20℃时非常不容易溶于水(3450ml水可溶解1g碘)，但在醇类、胺类和异氰酸酯中的溶解度要大得多。可以在聚氨酯原料中制备更高浓度的碘，并随后进行反应，得到最终的PU热固性材料。在聚氨酯原料中的理想溶解度，优选使最终的聚氨酯基质中的碘负载至少为0.1重量/重量％。

人们还发现，在聚氨酯反应中加入碘源会大大抑制聚氨酯反应。然而，这可以通过添加更多的催化剂量来弥补，以加快反应速度，达到商业上的可接受性。

PU-I络合物中优选的碘载量在成品中为0.1-10重量％，但如果在加工TPU-I体系时，使用例如母料时进行了后续的稀释，则可能出现更高的碘含量。可以通过使用碘源的组合来达到0.1-10重量％的碘，包括元素碘、碘盐和PVP-I。当使用PVP-I时，在最终的(T)PU:PVP-I掺混物或成品中的优选量为1-30重量％，更优选为1-20重量％。更高水平的PVP-I的加入是可能的，并不超出本发明的范围。然而，在高含量的情况下，(T)PU:PVP-I材料的机械性能可能会受到影响，所产生的络合材料在特性上更像PVP-I(例如，潮湿时很滑，PVP-I从PU基体中浸出)。

在某些情况下，这可以是生产滑腻涂料所需要的，例如，(T)PU:PVP:I"附着"在基材上，而本体基质负责机械完整性，(T)PU:PVP-I涂层则用于润滑性能和杀生物活性。在(T)PU:PVP-I热塑性或热固性材料中，PVP-I的高载量也具有优势，即提供快速释放的非络合PVP-I，以实现快速有效的杀生物/抗病毒活性，随后由络合的(T)PU:PVP-I产生持续的杀生物/抗病毒活性。因此，可以通过调整PVP-I与(T)PU的比例，根据应用情况轻松得出不同的杀生物/抗病毒活性曲线。当然，用过量的碘载量来产生非络合碘相也是可行的，然而，游离碘具有腐蚀性，对皮肤有刺激性，并且容易升华，因此这种体系的商业用途是有限的。

本文描述的另一个要素是，发现了PU-I络合物的杀生物/抗病毒活性可以根据PU基质中存在的基团进一步调整。尽管碘可以与许多不同的化学基团络合，如酰胺基、氨基甲酸酯基、脲基，但碘与这些不同基团的实际络合能是不同的，反过来，由此产生的化学基团-碘络合物在杀生物活性方面表现出不同的活性。因此，由于聚氨酯反应可以被严格控制，碘与酰胺基(通过添加PVP-I或与尼龙掺混)、氨基甲酸酯基、脲基、酯基和醚基的络合可以由聚合和/或加工中使用的原材料严格控制，以获得最终的(T)PU-I体系，并对所需的杀生物(如杀菌、杀真菌和杀病毒)功效进行额外控制。

本发明中可用于制造PU-PVP-I掺混物的PVP-I可以拥有广泛的可用碘含量。通常，可用碘含量为1-25重量％，总碘含量为2-35重量％。US 2,706,701和US 2,900,305及相关专利中概述了该PVP-I体系的生产制造。使用碘含量更高的PVP-I并没有超出本发明的范围，在一些应用中可能是希望的。用于制造PVP-I络合物的PVP前体可以是乙烯基吡咯烷酮均聚物或共聚物，其K值为10-60。用于生产PA-PVP-I掺混物的优选PVP-I材料是USP、EP和JP药典中定义的PVP-I，其可用碘含量为9.0-12.0％，氮含量为9.5-11.5％，并利用K值约为30的前体乙烯吡咯烷酮均聚物。该等级的PVP-I被广泛接受，有长期的使用记录，很容易获得，并被列入世界卫生组织的基本药物清单。

应注意，PU-I络合物与其他天然和合成聚合物、天然或合成纤维或填充物的掺混、复合和/或互穿网络(IPN)的制备并没有超出本发明的范围。所述掺混、复合和IPN预计也将受益于PU-I络合物的杀生物活性。在本发明的范围内，加入一种或多种其他杀生物剂也有助于提高所产生的杀生物材料的杀生物性能。例如，添加一种或多种其他杀生物剂可进一步提高杀生物速率和/或针对特定微生物株的活性，同时仍具有PU-1体系的广谱杀生物活性。合适的其他杀生物剂包括：银、铜、金、锌金属及其盐；季氨基化合物(例如苯扎氯铵和氯化十六烷基吡啶)；苯酚和甲酚；卤代酚(例如对氯间二甲苯酚)；双胍(例如洗必泰)；苯胺(例如三氯碳)和三氯生。

此外，与非异氰酸酯聚氨酯(NIPU)体系络合的PU-I也在本发明的范围内。NIPU由以下四种合成途径之一制造：(1)双环碳酸酯和胺的逐步聚合；(2)线性活化二碳酸酯和二胺的逐步聚合；(3)线性活化二碳酸酯和二醇的逐步聚合；(4)环状碳酸酯的开环聚合。由于NIPU不利用异氰酸酯来形成PU，NIPU通常被认为比常规的基于多元醇-异氰酸酯的PU更环保和绿色。因此，目前仍在继续开发，以进一步推动NIPU的商业化。尽管NIPU不利用异氰酸酯进行生产，但NIPU聚合物中仍会产生氨基甲酸酯基团。该氨基甲酸酯基团能够以与常规(T)PU体系相同的方式与碘络合，可以通过加热或溶剂溶解将碘溶解在NIPU热塑性熔体中，或者将碘溶解在用于形成NIPU热固性材料的起始原料中来形成NIPU-I络合物。

本发明的PU-I材料的另一个优点是，杀生物碘是天然存在的，而PU是容易水解的。因此，PU-I体系本身是可生物降解的，并且/或者可以通过再加工PU-I废料或通过水解、糖解、醇解或氨解产生多元醇、胺和碘的受控链裂解来对PU-I进行化学回收。任何进入环境的碘都可以很容易地被许多生物体(如藻类)代谢掉，或转化为天然的碘盐，对环境的影响很小。由于材料易得，对环境的"影响"小，价格结构好，易于制造，本发明的PU-I材料具有广泛的产品潜力和客户接受度。出于此原因，本发明的PU-I材料可望有广泛的用途，即使是对成本高度敏感的市场领域。这些产品包括但不限于：水和空气过滤器；用于绝缘、包装和缓冲的泡沫，建筑材料；地毯衬垫；涂料；粘合剂和密封剂；粘结剂；软垫产品；鞋类；汽车；弹性体。

本发明中概述的PU-I络合物在成品、掺混物、复合物和IPN中的应用非常广泛。从理论上讲，目前利用PU的任何潜在用途都可以成为PU-I材料的潜在用途。将特别受益于本发明的应用是期望降低微生物污染风险、降低微生物生长风险、降低微生物污染传播风险和/或病毒灭活的应用。为此，PU-I体系应该在各种工业、消费者、制药、健康、兽医和水产市场中具有广泛的应用。实际产品包括但不限于：过滤器(包括湿式和干式；如用于改善空气质量的空气过滤器和用于保护个人免受病原微生物和病毒传播的口罩)，医疗设备涂层，设备或设备外壳，胶带，服装，泡沫和垫子(床，沙发)，汽车，硬表面涂料(如器皿、手术台)、牙科用品(如抽吸器、管子、链式弹性体、修复体、空腔衬垫等)、建筑和施工材料(如地板、绝缘材料、粘合剂、涂料)、地毯衬垫、医疗器械、伤口敷料、局部皮肤粘合剂、手术和内窥镜、导管、管子、呼吸管、气管导管、血管内导管、深静脉管道、鞋类、海绵、涂料、口罩、合成片和纤维、纺织品、食品和设备包装、台面、柔性表面涂层、键盘套、装饰品、人造革、组织支架、手套、地板涂料、泡沫、粘合剂、心脏瓣膜、心脏起搏器、乳房植入物、铸造胶带、骨接合剂和粘合剂、避孕套、阴道海绵、垫子、缓冲、减震和消音设备以及密封剂。

根据本发明，本文所公开和要求的所有组合物、方法和实验都可以在不需要过度实验的情况下制造和执行。虽然已经用优选的实施方式描述了本发明的组合物、方法和实验，但对于本领域的技术人员来说，显然可以在不背离本发明的概念、精神和范围的情况下，对本文所述方法的组合物和方法以及步骤或步骤顺序进行修改。对本领域技术人员来说，所有的修改和应用都被认为是在所附权利要求中定义的本发明的精神、范围和概念之内。

本发明的其他实施方式

其他实施方式1.一种提供杀生物聚氨酯-碘(PU-I)络合物的方法，所述方法包括将至少一种碘源溶解到(i)热塑性聚氨酯(TPU)或(ii)包含用于制备聚氨酯热固性材料的原料的聚合混合物中；并使之形成杀生物PU-I络合物。

其他实施方式2.其他实施方式1的方法，所述方法包括将至少一种碘源溶解在热塑性聚氨酯的熔体或溶液中，以提供热塑性聚氨酯-碘(TPU-I)络合物。

其他实施方式3.其他实施方式2的方法，其中所述热塑性聚氨酯包括聚酯基、聚醚基、聚己内酯基、聚丙烯酸酯基、芳香族和/或脂肪族热塑性聚氨酯中的一种或多种。

其他实施方式4.其他实施方式1的方法，所述方法包括将至少一种碘源溶解在包含(i)多元醇和(ii)异氰酸酯和/或小分子扩链剂的通常用于制造聚氨酯的聚合混合物中，从而提供热固性聚氨酯-碘络合物。

其他实施方式5.其他实施方式4的方法，其中异氰酸酯包括脂肪族或芳香族的二异氰酸酯或多官能异氰酸酯。

其他实施方式6.其他实施方式4或5的方法，其中多元醇选自下组：聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚碳酸酯多元醇、聚己内酯多元醇、聚丙烯酸酯多元醇及其任意组合。

其他实施方式7.前述其他实施方式中任一项的方法，其中所述至少一种碘源选自下组：元素碘、聚乙烯吡咯烷酮-碘(PVP-I)、碘化物盐及其组合。

其他实施方式8.其他实施方式6的方法，其中所述PVP-I含有1-25％可用碘和2-35％总碘。

其他实施方式9.一种杀生物聚氨酯-碘(PU-I)络合物，其可通过根据其他实施方式1-7中任一项的方法获得。

其他实施方式10.其他实施方式9的PU-I络合物，其包含0.1-10重量％的元素碘。

其他实施方式11.其他实施方式9或10的聚氨酯-碘络合物，其包含1-30重量％的PVP-I。

其他实施方式12.根据其他实施方式9-11中任一项的聚氨酯-碘络合物在工业、建筑、消费者、制药、卫生、兽医和/或水产市场领域的用途。

其他实施方式13.一种杀生物产品，其包含根据其他实施方式9-11中任一项的聚氨酯-碘络合物。

其他实施方式14.其他实施方式13的杀生物产品，其选自下组：空气过滤器、水和溶液过滤器、口罩、手套、设备或装置外壳、粘合剂、服装、窗帘、纤维、硬表面涂层、牙科用品、建筑材料、建造材料、地毯、医疗器械、伤口敷料、组织支架、手术和内窥镜、导管、管子、呼吸管、气管插管、血管内导管、深静脉注射管、鞋类、海绵、切割板、面罩、软管、食品和设备包装、台面、柔性表面涂层、键盘、装饰品、地板涂料、地板、避孕套、松紧带、心脏瓣膜、起搏器、地垫、床垫、密封剂、乳房植入物、植入物、泡沫和衬垫。

其他实施方式15.根据其他实施方式12的用途，或根据其他实施方式13或14的产品，其包含聚氨酯-碘络合物与其他天然或合成聚合物、天然或合成纤维、杀生物剂和/或填充剂形成掺混物、复合物和/或互穿网络。

附图说明

图1:通过向水性PU分散体(PUD)中添加元素碘来提供杀生物PU-I涂料的示例性方法示意图。(A)溶解在最小量的溶剂中的碘与PUD混合。(B)碘直接加入到水性PU分散体中。(C)溶解在过量溶剂中的碘被添加到PUD中。详见实施例2。

图2:示例性热塑性TPU-I细丝样品对金黄色葡萄球菌生长的抑制作用。详见实施例4。

图3:示例性热固性PU-I样品6、8和11对(A)白色念珠菌和(B)化脓性链球菌生长的抑制作用。详见实施例4。

图4:附着在人类口罩内的示例性PU-I泡沫的杀生物效果。(A)对照组PU泡沫在生长培养基上的杀生物活性可以忽略不计。(B)PU-I泡沫在生长培养基上显示出明显的杀生物活性。详见实施例5。

实验部分

实施例1：TPU的挤出研究：

在具有16mm螺杆直径和25cm机筒长度的Thermo Prism Eurolab 16双螺杆挤出机中进行400克挤出研究。挤出机筒有五个加热区，温度设置为200℃，螺杆的旋转速度固定为400转/分钟。

使用的原材料是脂肪族聚醚基TPU(路博润TecoFlex^TM EG-93A-B30)、EP医药级PVP-I(博爱新开源制药股份有限公司

-I)和碘元素。在使用前对TPU进行干燥和研磨。PVP-I和元素碘均按原装使用。在搅拌器中对粉末进行干混，然后将其送入挤出机。将熔融细丝形式的挤出物进行冷却并造粒。所有挤出实验都在氮气环境下进行。将细丝和颗粒按"原样"使用，制成片状，用于后续的细菌生长研究。

表1：用TPU进行的各挤出实验的总结。

实施例2：由水性PUD生产PU-I络合涂料。

本实施例描述了通过向水性聚氨酯分散体(PUD)中添加碘元素作为碘源来制造三种不同的PU-I涂料体系。图3提供了阐述各体系的元素碘从连续相迁移到分散的PU相以形成PU-I络合物的示意图。

A)碘溶解在最小量的溶剂中。

制备了5％(w/v)RUCO-COAT EC 4811水性分散体，其为Rudolf GmbH的水基32％w/v脂肪族非离子PUD。对60ml含有3g聚合物的5％水溶液进行搅拌，向该分散体中加入0.03g溶于2ml异丙醇的元素碘。碘迅速迁移到分散体的聚氨酯相中，生成PU-I水性分散体。由此产生的不透明的分散体在外观和颜色上是乳褐色的。由于元素碘不溶于水，溶解的碘集中在水性分散体的聚氨酯相中，产生了最终的PU-I分散体。所产生的分散体很稳定，很容易喷涂到所希望的物体上。最终干燥的PU-I络合物含有约99重量％PU-1重量％碘。

B)碘直接添加到PU分散体中

由SQM Europe N.V.提供的固体珠光碘被添加到原(32w/v％)RUCO-COAT EC 4811水性分散体中。碘的实际添加量为PUD中的聚合物计算量的2％。碘迅速沉入分散体的底部，形成多相体系。将各相混合，然后使碘在50℃的控制条件下升华12小时，使碘元素迁移到分散体的PU相中，形成PU-I络合物。将PU-I分散体进一步用水稀释，得到固体含量为17％的PU-I水性分散体。由此产生的不透明的分散体在外观和颜色上是乳褐色的。该水性分散体很稳定，可以很容易地喷涂在所希望的物体上。最终干燥的PU-I络合物为约98重量％PU-2重量％碘。

C)碘溶解在过量的溶剂中

原32％的RUCO-COAT EC4811水性分散体用含有少量溶解碘的过量异丙醇溶液稀释，得到可溶性5％PU-I水-醇溶液。所得的浅棕色溶液透明且稳定。最终干燥的络合物为约98.5重量％PU-1.5重量％碘。

杀生物性测试

分散体A和B以及包含PU-I络合物的溶液C通过喷涂涂覆在FFP2医用口罩上--包括内部和外部表面。涂层在室温下干燥1小时，然后在约60℃的高温下再干燥30分钟。然后由志愿者佩戴口罩3小时，取下口罩并将口罩表面铺在营养琼脂上24小时，以观察细菌生长水平。与表面没有涂覆有PU-I涂层的FFP2对照口罩表面相比，所有PU-I涂层都导致了口呼出的微生物生长减少(数据未显示)。

实施例3：PU-I络合物的原位形成(聚氨酯热固性反应)

以下原料被用来进行PU热固性反应：

·六亚甲基二异氰酸酯(HMDI)

·甲苯二异氰酸酯(TDI)

·聚乙二醇400(PEG)

·甘油

-聚乙烯吡咯烷酮K17(PVP)

·1,4-二氮杂双环[2.2.2]辛烷(DABCO)

·聚维酮碘(PVP-I)

·元素碘(I₂)

无论是否掺混有碘源，热固性PU的聚合反应是通过异氰酸酯与聚乙二醇/甘油多元醇混合物的反应进行的。如果在反应中使用了碘源，则在进行聚氨酯反应之前，将碘首先溶解在多元醇掺混物中。包括碘源的聚氨酯反应需要添加催化剂(DABCO)以加速反应。如果不添加催化剂，含有碘源的聚氨酯反应就会失败，或者需要明显更高的固化温度和更长的反应时间才能形成热固性材料。

聚氨酯反应是在室温下使异氰酸酯与多元醇源反应至均相，然后将反应混合物倒入模具中，并置于60℃的烤箱中2小时。然后对所得的PU-I热固性材料进行了杀生物活性测试。表2总结了测试杀生物活性的聚氨酯热固性材料的各种组成。

表2

a极快的反应。没有时间将反应混合物倒入模具。

b反应极其缓慢，经过高温和长时间反应，确实发生了一定程度的反应。

实施例4：PU-I络合物的杀生物活性

对实施例1的热塑性TPU-I样品和实施例3的热固性PU-I样品进行了如下的细菌测试：

将金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、化脓性链球菌和白色念珠菌在胰蛋白酶大豆肉汤(TSB)中于37℃下生长过夜。将100μl过夜的培养物稀释到600nm处的光密度(OD600)为0.1，随后涂布在100mm的Mueller-Hinton琼脂板(MHA)上。将TPU的挤出细丝和PU热固性材料置于板上，然后使板在37℃下培养。在培养的24和48小时内检查生长抑制情况。

如图2所示，示例性TPU样品TPU2和TPU3显示了对金黄色葡萄球菌的杀生物活性。含有3重量％的碘的样品TPU3显示了明显的清除区。含有0.5％碘的TPU2样品显示出明显较小的清除区，而原始TPU1样品没有显示出杀生物活性。

典型的PU样品PU6、PU8和PU11对金黄色葡萄球菌、表皮葡萄球菌、白葡萄球菌和化脓性葡萄球菌具有高度活性，对所有测试的微生物都显示出清晰的清除区。图3显示了所得到的抑制白色念珠菌和化脓性链球菌的清除区。含有较低水平碘的热固性PU样品似乎具有表面杀生物作用，但没有显示出像PU样品6、8和11那样的清晰的清除区。不含碘源的PU样品不具有杀生物性。

实施例5：PU-I热固性泡沫的制造和杀生物活性

制备了以下3种PU-I泡沫体系，并对其杀生物(杀菌和抗病毒)活性进行了评估。

*MDI(亚甲基二苯基二异氰酸酯)

随后对PU21样品泡沫进行了网状化处理，形成可用作过滤器的开放结构泡沫。泡沫PU22和PU23没有被网状化。

杀菌性测试

将网状PU21泡沫样品切成2mm厚的薄片，进一步切割成适合标准面罩的形状。将PU21泡沫固定在面罩的内侧，由人类志愿者佩戴3小时。然后取出泡沫，铺在生长培养基上一夜，观察细菌菌落。还使用不含PU-I络合物的类似网状PU泡沫进行了同样的测试。图4显示了普通PU网状泡沫和PU21 PU-I络合泡沫的细菌生长菌落的代表性照片。其表明本发明的PU-I络合物泡沫对呼出的微生物具有高度的杀生物性。

抗病毒测试

通过在各泡沫样品(PU21-PU23)中加入已知量的SARS-CoV-2病毒原液来测定抗病毒活性。使病毒原液与泡沫接触所需时间，然后从泡沫中取出病毒上清液，滴在10,000VeroE6细胞上，定量测定病毒滴度的降低。不加碘的PU泡沫和无泡沫体系被用作对照。样品PU21、PU22和PU23对SARS-CoV-2病毒显示出明显的杀病毒活性。与对照泡沫和无泡沫的对照组相比，这三组样品在10分钟的接触时间内至少减少了90％的病毒，而在12小时的接触时间内至少减少了99％的病毒。

下表总结了杀生物和抗病毒特性。

实施例6：以分散体或溶液形式添加PVP-I的区别。

本实施例提供了通过将PVP-I以干粉形式(例如类似于US 5,302,392)或以PU反应原料中的溶液形式(根据本发明的原位方法)加入到PU聚合混合物中制备的PU泡沫之间的比较试验结果。

进行了两组相同的PU反应，其中PVP-I被作为粉末或溶液加入。详细情况如下表所示。

*MDI(亚甲基二苯基二异氰酸酯)

样品1是根据US 5,302,392实施的(见实施例I)。PVP-I粉末被快速分散在聚酯多元醇中，在多元醇中生成均匀的PVP-I粉末浆液。随后，加入异氰酸酯MDI以启动聚氨酯反应。正如所预期的，该反应迅速进行，产生了聚氨酯泡沫，其中PVP-I络合粉末被裹挟在聚氨酯泡沫基质中。由于PVP-I没有大量溶解到多元醇中，因此没有抑制聚氨酯反应，所以聚氨酯反应没有受到添加PVP-I粉末的影响。与US 5,302,392的教导一致，所得产品主要由分散/裹挟在聚氨酯泡沫基质中的PVP-I颗粒组成。

在PVP-I溶液反应中(样品2)，PVP-I首先被溶解在扩链剂二元醇中，得到PVP-I溶液。该单相溶液与多元醇混合，生成多元醇/二元醇PVP-I溶液。随后与MDI的聚氨酯反应是在与样品1相同的反应条件下进行的。然而，这一反应被完全抑制了。只有在加入大量的催化剂后，反应才得以进行，得到均相的单相PU-I络合泡沫。

作为额外的对照组，进行了一个反应，其中将PVP均聚物(不含碘)溶解在扩链剂二元醇中，得到可溶性PVP溶液。将PVP溶液加入到多元醇中，像之前的实验一样与MDI进行聚氨酯反应。聚氨酯反应如常进行，没有受到抑制，这表明聚氨酯反应的抑制是由碘物质引起的。

Claims

1.一种提供杀生物聚氨酯-碘(PU-I)络合物的方法，其包括(i)将至少一种碘源溶解到用于制备所需聚氨酯(PU)的一种或多种原料中，以获得单相碘体系，随后(ii)在单相碘体系存在下进行PU聚合反应，从而原位生成杀生物PU-I络合物。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述至少一种碘源选自下组：元素碘、聚乙烯吡咯烷酮-碘(PVP-I)、碘化物盐及其组合。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述至少一种碘源是元素碘，其任选地与PVP-I组合。

4.如权利要求2或3所述的方法，其中所述PVP-I含有1-25％的可用碘和2-35％的总碘。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，包括将至少一种碘源溶解在聚合混合物中，所述聚合混合物包含(i)多元醇；(ii)异氰酸酯；和(iii)用于合成聚氨酯的扩链剂、交联剂、催化剂、表面活性剂、溶剂和/或添加剂，以提供热塑性或热固性聚氨酯-碘络合物。

6.如权利要求1-4中任一项所述的方法，包括将至少一种碘源溶解在多元醇、多元醇掺混物、官能度≥2的低分子量醇、官能度≥2的低分子量胺和/或溶剂中，然后加入所需的异氰酸酯以启动聚氨酯反应。

7.如权利要求5或6所述的方法，其中所述异氰酸酯包含脂肪族二异氰酸酯、三异氰酸酯或多异氰酸酯，芳香族二异氰酸酯、三异氰酸酯或多异氰酸酯，或其任意组合。

8.如权利要求5-7中任一项的方法，其中所述多元醇选自下组：聚醚多元醇、聚酯多元醇、聚碳酸酯多元醇、聚己内酯多元醇、聚丙烯酸酯多元醇及其任意组合。

9.如权利要求5所述的方法，其中所述扩链剂是低分子量二醇或二胺，或其任意组合。

10.如权利要求5的方法，其中所述交联剂是低分子量的醇或胺，其官能度为2或更多。

11.如前述权利要求中任一项所述的方法，其包括使用聚氨酯催化剂，优选是叔胺、金属化合物或其任意组合。

12.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述聚氨酯聚合反应是通过多步、一步本体或溶剂聚合进行的，从而在预聚物形成阶段或一个工艺步骤中形成最终的PU-I络合物。

13.一种提供杀生物聚氨酯-碘(PU-I)络合物的方法，包括制备(i)至少一种碘源和(ii)热塑性聚氨酯(TPU)或聚氨酯分散体(PUD)的均相混合物，以形成允许杀生物PU-I络合物形成的单相体系。

14.如权利要求13所述的方法，其中所述至少一种碘源选自下组：元素碘、聚乙烯吡咯烷酮-碘(PVP-I)、碘化物盐及其组合。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述至少一种碘源是元素碘或包含元素碘。

16.如权利要求13-15所述的方法，其包括通过将至少一种碘源与在加热、熔融或溶解的状态下的TPU掺混来制备均相的单相体系。

17.如权利要求16所述的方法，包括将碘源溶解在TPU熔体中，然后进行挤出。

18.如权利要求15所述的方法，包括向水性PUD分散体中加入元素碘，并使元素碘迁移到分散体的PU相中，以获得均相的单相体系，其中PU-I络合物作为水性PU-I分散体形成。

19.如权利要求18所述的方法，其中元素碘以溶于合适溶剂的溶液形式加入到PUD中，所述溶剂溶解元素碘并与PU相相容，其优选为醇，更优选为异丙醇。

20.如权利要求18所述的方法，其中元素碘作为固体材料加入，然后进行碘的升华。

21.如权利要求13-20中任一项所述的方法，其中所述TPU或PUD包含聚酯基、聚醚基、聚己内酯基、聚丙烯酸酯基、芳香族和/或脂肪族热塑性聚氨酯中的一种或多种。

22.如权利要求13-21中任一项所述的方法，其中，基于PU和至少一种碘源的均相混合物的总聚合物含量，TPU或PUD占至少85重量％，优选至少90重量％，更优选至少95重量％。

23.一种杀生物聚氨酯-碘(PU-I)络合物，其可通过如权利要求1-22中任一项所述的方法获得。

24.如权利要求23所述的PU-I络合物，其包含0.1-10重量％的元素碘。

25.如权利要求23或24所述的PU-I络合物，其包含1-30重量％的PVP-I。

26.一种水性分散体或溶液，其包含如权利要求23-24中任一项所述的杀生物PU-I络合物。

27.一种杀生物涂料，其包含或由如权利要求23-25中任一项所述的PU-I络合物组成。

28.如权利要求23-25中任一项所述的聚氨酯-碘络合物在工业、建筑、消费者、制药、卫生、兽医和/或水产市场领域的用途。

29.一种杀生物产品，其包含如权利要求23-25中任一项所述的聚氨酯-碘络合物。

30.一种产品，其提供有如权利要求27所述的杀生物涂料。

31.如权利要求29或30所述的产品，其选自下组：空气过滤器、水和溶液过滤器、口罩、手套、设备或装置外壳、粘合剂、服装、窗帘、纤维、硬表面涂层、牙科用品、建筑材料、建造材料、地毯、医疗器械、伤口敷料、组织支架、手术和内窥镜、导管、管子、呼吸管、气管插管、血管内导管、深静脉注射管、鞋类、海绵、切割板、面罩、软管、食品和设备包装、台面、柔性表面涂层、键盘、装饰品、地板涂料、地板、避孕套、松紧带、心脏瓣膜、起搏器、地垫、床垫、密封剂、乳房植入物、植入物、泡沫和衬垫

32.如权利要求28所述的用途，或如权利要求29-31所述的产品，其中所述聚氨酯-碘络合物与一种或多种其他天然或合成聚合物、天然或合成纤维、杀生物剂和/或填充剂形成掺混物、复合物和/或互穿网络。