摘要: 细菌感染涉及医疗卫生、食品安全、生物医学设备等许多关键领域，严重威胁人类健康，甚至导致死亡，已成为世界上最大的公共卫生问题，每年报告数以百万计。为此，在过去的几十年里，人们不断成功研制出能抑制细菌生长的有效杀菌材料，包括抗生素、抗... 展开 细菌感染涉及医疗卫生、食品安全、生物医学设备等许多关键领域，严重威胁人类健康，甚至导致死亡，已成为世界上最大的公共卫生问题，每年报告数以百万计。为此，在过去的几十年里，人们不断成功研制出能抑制细菌生长的有效杀菌材料，包括抗生素、抗菌肽、合成阳离子聚合物等。细菌感染近一半与各种表面的细菌污染有关。因此，构建防止细菌附着和生物膜形成的抗菌表面已成为研究的热门领域，目前常用的抗菌策略为抗细菌粘附策略、杀菌策略、抗-杀结合策略。与浮游细菌相比，在生物膜内的细菌对抗生素和其它杀菌剂的耐受性提高1000倍以上。因此，在抗菌剂的研究中，防止早期细菌黏附，阻止生物膜的形成至关重要，因而表面性质的调控，尤其是涂层表面拓扑结构及抗-杀结合涂层中抗黏单元和杀菌单元在表面分布的调控已成为国际上的研究热点。本工作从共聚物的分子结构设计出发，采用不同的方法，如接枝反应、自由基聚合和RAFT聚合，将含氟单元引入到聚合物结构中，进一步利用含氟共聚物的自组装，构筑具有含氟单元的多级复合结构的抗菌涂层。具体内容如下： 1、含氟接枝共聚物的制备、自组装及其抗菌涂层构建和抗菌性能研究 （1）含氟接枝共聚物的制备：利用聚苯乙烯-b-聚丙烯酸（PS-b-PAA）的羧基与1H,1H,2H,2H-全氟-1-十二醇（PFD）的羟基之间的酯化反应制备了PFD接枝的PS-b-PAA共聚物（PS-b-PAA-g-PFD），通过调节PFD和PS-b-PAA的摩尔比可以制备不同接枝率的PS-b-PAA-g-PFDn聚合物，同时利用其它含氟醇类，如1H,1H,2H,2H-全氟-1-癸醇（HFD）、1H,1H,2H,2H-全氟-1-十四醇（PFTD）和癸醇（DA）分别合成了PS-b-PAA-g-HFD、PS-b-PAA-g-PFTD和PS-b-PAA-g-DA功能化共聚物，用FTIR、NMR等表征手段证明已经成功合成了功能化接枝共聚物。发现在365nm激发光下PS-b-PAA-g-HFD、PS-b-PAA-g-PFD和PS-b-PAA-g-PFTD共聚物能发射强的荧光，没有荧光的PS-b-PAA和含氟醇反应生成了没有共轭结构的非传统型荧光聚合物。PS-b-PAA-g-HFD和PS-b-PAA-g-DA的理论计算说明酯羰基单元和羧基之间的n-π*跃迁是产生荧光的根本原因。更重要的是PS-b-PAA-g-HFD可以作为荧光探针应用于活细胞成像。 （2）含氟接枝共聚物的自组装：通过滴加不良溶剂法，使PS-b-PAA-g-PFD在溶液中发生自组装，并探究了PS-b-PAA-g-PFD的自组装机理。用TEM、SEM、XRD和DCS等表征手段证明PS-b-PAA-g-PFD自组装形成了各种形态的胶束，值得注意的是在一定条件下形成了多面体胶束，根本原因是透析过程中接枝PFD的碳氟侧链结晶，因此通过调控透析温度、PFD接枝率以及PS-b-PAA-g-PFD的初始浓度控制PFD的结晶可以调节胶束的形态。 （3）抗-杀结合抗菌涂层的构建：通过滴涂的方式构建了多面体胶束涂层，并探究了涂层的抗细菌粘附性能。结果表明多面体胶束在硅片表面形成的涂层具有超疏水性和优良的抗细菌粘附效果。为提高涂层的杀菌性能，将多面体胶束溶液与聚六亚甲基双胍盐酸盐（PHMB）复合形成PS-b-PAA-g-PFD/PHMB抗菌复合物胶束溶液，采用滴涂的方式在硅片表面成功构建抗菌涂层。抗菌实验表明复合物涂层具有优良的抗细菌粘附及杀菌效果。采用滴涂的方式PS-b-PAA-g-PFD/PHMB复合物在硅片表面构建了表面拓扑结构可控的超疏水、抗-杀结合的多功能涂层，在医疗器械抗菌涂层中具有潜在的应用。 2、含氟无规共聚物的制备以及基于含氟无规共聚物/聚电解质复合物的抗菌涂层设计及抗菌性能研究 （1）PAA-co-PFDA的制备：通过自由基聚合合成了水溶性聚丙烯酸-co-聚全氟癸基丙烯酸乙酯（PAA-co-PFDA）无规共聚物。用FTIR、NMR、XPS、GPC等表征手段证明已经成功合成了PAA-co-PFDA无规共聚物，数均分子量为3900g/mol。 （2）PAA-co-PFDA/PHMB抗菌复合物的制备：通过静电相互作用，将PAA-co-PFDA与PHMB复合形成水溶性PAA-co-PFDA/PHMB抗菌复合物，用FTIR和DLS等表征手段证明成功制备了PAA-co-PFDA/PHMB抗菌复合物。最小抑菌浓度（MIC）实验表明PAA-co-PFDA/PHMB抗菌复合物对S.aureus和E.coli的MIC分别为1.95和3.91μg/mL，说明该抗菌复合物具有优异的抗菌活性，而且发现PAA-co-PFDA/PHMB抗菌复合物可以产生荧光。 （3）具有pH响应的释放型抗-杀结合涂层的构建：利用PAA-co-PFDA/PHMB抗菌复合物水分散体系，通过滴涂的方式在硅片或导管表面构建了PAA-co-PFDA/PHMB复合物抗菌涂层。抗细菌粘附和杀菌实验表明该复合物涂层具有优异的抗细菌粘附和杀菌效果。抑菌圈实验及pH响应性实验说明涂层为释放型杀菌，并且具有pH响应性杀菌效果。细胞毒性实验和溶血实验表明PAA-co-PFDA/PHMB复合物抗菌涂层在体外细胞毒性较小，溶血率低于5%，符合医疗行业标准，而且皮下植入模型实验表明该涂层具有良好的生物相容性和体内抗菌性。除此之外，PAA-co-PFDA/PHMB复合物在基底表面形成的涂层透明性良好，而且在350nm激发光下显示蓝色荧光，可以用于检测导管内部涂层的均匀性。 这种方法简单高效并且可以大规模生产，对以后的商业化生产提供了可能性。PAA-co-PFDA/PHMB复合物抗菌材料具有良好的抗细菌粘附效果和广谱杀菌性以及荧光等多种特性，在未来抗细菌植入性感染医疗器械中具有潜在的应用前景。 3、含氟嵌段共聚物的合成、自组装，以及抗粘、抗菌涂层构建和抗菌性能研究 （1）含氟嵌段共聚物的制备：通过可逆加成-断裂链转移聚合（RAFT）合成了聚甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯-b-全氟癸基丙烯酸酯（PDMA-b-PFOEMA）嵌段共聚物，并通过调控单体比例制备了不同链段长度的嵌段共聚物（PDMA7-b-PFOEMAX）。FTIR和NMR表明成功制备了不同链段长度的PDMA7-b-PFOEMAX嵌段共聚物。 （2）含氟嵌段共聚物的自组装：PDMA7-b-PFOEMAX嵌段共聚物低温诱导自组装形成了不同形貌的聚集体。SEM、TEM等表明通过控制混合溶剂中THF与F113体积比、溶液浓度、PFOEMA链段长度等试验条件，PDMA7-b-PFOEMAX嵌段共聚物自组装可以形成纺锤形、无规则粗糙表面的类球形、球形、表面有凸起的粗糙球形、类榛子状聚集体以及无规则片状结构等多种形貌的聚集体。 （3）构建接触型季铵盐类抗-杀结合的涂层：通过滴涂方式在硅片表面构建PDMA7-b-PFOEMAX聚集体涂层，与碘甲烷反应成功构建PDMA7-b-PFOEMAX碘代甲烷季铵盐抗-杀结合涂层。抗粘和杀菌实验表明PDMA7-b-PFOEMAX碘代甲烷季铵盐低温退火涂层在室温下具有良好的抗粘和杀菌效果；37℃处理24h涂层依然保持良好的抗粘附效果，但是杀菌效果明显下降，说明温度可以改变PDMA7-b-PFOEMAX碘代甲烷季铵盐低温退火涂层的抗菌活性。PDMA7-b-PFOEMAX碘代甲烷季铵盐低温退火涂层具有长效抗粘效果。抑菌圈实验说明涂层的杀菌模式为接触型杀菌。 利用PDMA7-b-PFOEMAX嵌段共聚物的自组装结构，在硅片表面构建了多种拓扑结构的抗-杀结合涂层。PDMA7-b-PFOEMA20碘代甲烷季铵盐低温退火涂层在室温具有良好的抗粘附和杀菌效果，而37℃处理24h后生物惰性的PFOEMA迁移到涂层表面，季铵盐链段包埋在底部，从而降低了涂层的毒性，使其在植入式医疗器械中具有潜在的应用价值。 综上所述，本文通过接枝和共聚等手段，设计合成了几种不同分子结构的含氟共聚物，结合共聚物的自组装技术，通过滴涂的方式在固体基底表面成功构建了抗-杀结合的涂层。由于两亲性含氟共聚物通过自组装形成不同形状的胶束，在基底表面成膜时可形成具有一定拓扑结构的涂层，PAA形成的水化膜和氟烷基链结构单元的低表面能起到的抗粘作用，防止生物膜的形成，无毒可降解释放型PHMB或接触型PDMA碘代甲烷季铵盐起到杀菌作用，抗粘链段和杀菌链段协同作用使涂层具有优良的抗菌效果。通过本研究，发展了调控含氟共聚物抗菌材料的化学组成、形态和结构的方法，为新型复合抗菌材料的设计和制备提供了新的策略。 收起