CN110437374B - 一种季铵盐类两亲性阳离子聚合物及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明一种季铵盐类两亲性阳离子聚合物及应用，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)；或者是聚乙二醇(PEG)与所述的无规共聚物P(B/T)的嵌段共聚物(PEG‑P(B/T))；疏水单体单元/季铵盐单体单元的摩尔比(B/T)为0.4‑0.8，P(B/T)的聚合度为19‑150；B为3‑8个碳的正烷基酯；T为N,N,N‑三甲铵基甲基丙烯酸乙酯；本发明的两亲性阳离子聚合物具有较高的抗菌性，通过溶液、涂层、凝胶或共混到其它材料中发挥抗菌作用。本发明中的两亲性阳离子聚合物聚合物浓度为8μg/mL时的抑菌率在50％以上，效果好达到90％以上。

Description

一种季铵盐类两亲性阳离子聚合物及其应用

技术领域

本发明涉及一种季铵盐类两亲性阳离子聚合物及其应用，具体是将疏水单体和季铵盐阳离子进行无规共聚制备的季铵盐类两亲性阳离子无规共聚物，具有较高的抗菌性能，可作为抗菌材料，用于溶液、涂层、织物等多种领域的抗菌。

背景技术

细菌是一种典型的有害微生物，由病原细菌引发感染的临床病例日渐增多，成为全球关注的公共卫生问题。真菌和细菌等病原菌感染的发生，会造成极其严重的后果，包括致命的疾病、患者死亡率增加以及昂贵的医疗费用等。尽管抗生素的使用在医学领域起着重要的作用，能够在一定程度抑制细菌的生长，但越来越多的抗生素耐药细菌的出现却令人十分担忧。因此，高效抗菌剂的研究与开发非常必要。两亲性阳离子聚合物中带有正电荷的阳离子能通过静电作用吸附表面带有负电荷的细菌，同时，聚合物的疏水部分嵌入到细菌中，使细菌膜破裂，细菌内物质泄漏，最终导致细菌死亡。

聚乙二醇(mPEG)被广泛应用于两亲性聚合物的结构设计中，由于其良好的生物相容性，可用作基因/药物载体。mPEG作为聚合物的亲水层不仅可以起到稳定聚合物的作用，而且可以有效抑制血液蛋白等物质的非特异性吸附，同时也会增加聚合物的水溶性。然而，聚合物中mPEG的存在对其聚合物抗菌性能的影响却鲜有研究。

亲疏水平衡是制备两亲性阳离子聚合物抗菌剂最重要的设计参数。它是与聚合物的抗菌活性和选择性直接相关的基本因素。例如，高度亲水或致密的阳离子聚合物可能具有结合聚阴离子细胞表面的能力。如果没有足够的疏水基团，则对细菌膜的损害减弱，导致聚合物抗菌性能降低。然而，聚合物的疏水性过强则会导致聚合物链在水中坍塌或与细菌培养介质组分发生不可逆聚集，从而使聚合物失去抗菌性。有报道称，抗菌肽的聚集降低了它们的抗菌活性。

聚合物的分子量亦是影响抗菌活性的另一重要因素。聚阳离子的接触-活性机制表明，高分子量的聚合物可以增加静电吸引力，对细菌有更强的吸附性，同时也增加了渗透到脂质双层中的疏水活性位点，从而提高抗菌活性。然而，随着分子量的增加，聚合物在生物介质中的溶解度降低、扩散困难和易于聚集等问题都会影响聚合物的抗菌性，因此，控制聚合物的分子量对于提高聚合物的抗菌性能是至关重要的。

作为抗生素治疗的宿主防御抗菌肽(AMPs)可以通过直接杀伤机制从宿主细胞中清除细菌，但却因为其体内稳定性低，制造成本高和选择性低而使应用受到限制。受到AMPs的两亲性和阳离子等化学结构的启发，已研发出一些两亲性阳离子聚合物(新的合成聚合物和现有聚合物的改性)，这些抗菌聚合物不仅能够靶向细菌细胞膜而且可以降低细菌获得耐药性的概率，可以为全球致病菌感染的临床问题提供有希望的解决方案。两亲性阳离子聚合物由于具备较强的细菌膜破坏能力，已被用于制备多种抗菌剂以应用于各种领域。聚合物的两亲结构作用于细菌膜，导致跨膜电位崩溃，细菌内物质泄漏，最终导致细菌死亡。与小分子相比，两亲性阳离子聚合物结构中固有的协同作用增强了这种破坏机制。但关于两亲性阳离子聚合物的结构与抗菌性的关系尚不清楚，抗菌活性有待加强，以便开发出更高效的大分子抗菌材料。本发明则是基于这一目的，通过研究两亲性聚合物的结构与抗菌性的关系，获得具有高效抗菌活性、结构相对简单和成本低的两亲性阳离子抗菌材料。

发明内容

本发明旨在通过探究聚乙二醇、疏水单体/季铵盐阳离子单体摩尔比、聚合物分子量对抗菌性的影响，开发一种具有良好生物相容性、抗菌效率优异的两亲性阳离子聚合物，在较低剂量下即可实现高效抑菌。

本发明是通过以下技术方案加以实现的：

一种季铵盐类两亲性阳离子聚合物，为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)；或者是聚乙二醇(PEG)与所述的无规共聚物P(B/T)的嵌段共聚物(PEG-P(B/T))，疏水单体单元/季铵盐单体单元的摩尔比(B/T)为0.4-0.8，无规共聚物P(B/T)的聚合度为19-150。

所述的甲基丙烯酸酯类单体B为甲基丙烯酸正烷基酯，正烷基酯的碳优选为3-8个；季铵盐阳离子单体T为N,N,N-三甲铵基甲基丙烯酸乙酯(TDMA)，B/T为摩尔比0.5～0.7。

所述的甲基丙烯酸酯类单体B为甲基丙烯酸正丁酯(nBMA)，季铵盐阳离子单体T为N,N,N-三甲铵基甲基丙烯酸乙酯(TDMA)，B/T为0.5～0.7。

所述的聚乙二醇单甲醚mPEG与P(B/T)的嵌段共聚物，B/T为0.5-0.7，mPEG的数均分子量为2000～3500。

所述的mPEG分子量为2000，P(nBMA/TDMA)的聚合度为80-110，nBMA/TDMA单元摩尔比为0.6。

本发明的两亲性阳离子聚合物应用抗菌材料，通过溶液、涂层、凝胶或共混到其它材料中发挥抗菌作用。

本发明中的两亲性阳离子聚合物，呈现出较高的抗菌性，聚合物浓度为8μg/mL时的抑菌率基本在50％以上，效果好的在90％以上。

附图说明

图1是实施例1季铵盐单体分子TDMA的结构示意图及核磁共振谱图，图中出现了分子结构中存在的各种氢质子的核磁共振峰，证明了所制备的产物。

图2是实施例2疏水单体nBMA和季铵盐单体TDMA无规共聚形成聚合物的分子结构示意图及核磁共振谱图，图中出现了分子结构中存在的各种氢质子的核磁共振峰，证明了所制备的产物P(B/T)的结构组成为P(nBMA/TDMA)_91-0.6。

图3是实施例9以mPEG为亲水层的二嵌段无规聚合物的分子结构示意图及核磁共振氢谱图，图中聚合物中各个位置的氢原子都能够在核磁谱图中找到与之相对应的化学位移峰，证明了所制备的产物mP(B/T)的结构组成为mP(B/T)_92-0.6。

图4是实施例9-13中合成系列不同nBMA/TDMA摩尔比的聚合物mPEG-P(nBMA/TDMA)_X/Y(mP(B/T)_X/Y，X、Y分别代表nBMA、TDMA的结构单元数)的核磁共振氢谱图。nBMA/TDMA比例不同聚合物的核磁谱图，从图中可以看出随着聚合物中疏水性单体nBMA的摩尔数增加，所得聚合物mP(B/T)_X/Y中化学位移0.89ppm处的吸收峰是逐渐增大的，表明通过RAFT聚合所制备的系列聚合物mP(B/T)_X/Y所含疏水单体nBMA的量是逐渐增多的。也就是说，我们成功合成了nBMA/TDMA摩尔比不同的系列聚合物。

图5是实施例14-21中制备nBMA/TDMA摩尔比(35/57)相同，不同P(B/T)嵌段长度的系列聚合物mPEG-P(nBMA/TDMA)_Z(mP(B/T)_Z，Z为nBMA和TDMA结构单元总数)的核磁共振氢谱图。其中，聚合物mP(B/T)_Z链上属于nBMA和TDMA组分的特征吸收峰(0.89ppm处的b峰和3.34ppm处的c峰)随着单体nBMA和TDMA投料比的增加逐渐增大。由此可以得出，阳离子聚合物mP(B/T)_Z中nBMA组分和TDMA组分是与投料时所加单体nBMA和TDMA的摩尔数成正比的。

图6是实施例中聚合物P(B/T)_34/57和mP(B/T)_35/57对大肠杆菌(A)和金黄色葡萄球菌(B)的抑菌效果。相同质量浓度下，mP(B/T)_34/57的抗菌活性单元低于P(B/T)_34/57，但mP(B/T)_34/57抑菌效率远高于P(B/T)_34/57，对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的最低杀菌浓度分别约为16μg/mL和8μg/mL。说明mPEG的存在有助于聚合物抗菌性的提高。

图7是实施例中不同浓度的P(B/T)_34/57和mP(B/T)_34/57对红细胞的破坏能力(A)以及对NIH3T3小鼠胚胎成纤维细胞的细胞毒性(B)。相同浓度下mP(B/T)的血液相容性要明显高于P(B/T)。在所有测试浓度下，相比于P(B/T)，mP(B/T)处理的细胞存活率较高。证明了聚乙二醇能够提高聚合物的生物相容性。

图8是实施例9-13中系列聚合物mPEG-P(nBMA/TDMA_X/Y(mP(B/T)_X/Y)对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌活性。当聚合物的浓度为16μg/mL或32μg/mL时，该系列聚合物均表现出了优异的抗菌性。当聚合物浓度降为4μg/mL和8μg/mL时，所有聚合物的抑菌率都有所下降，但聚合物mP(B/T)_35/57展现出优于其它聚合物的抗菌效果。

图9是实施例14-21中不同分子量的聚合物对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌活性。系列聚合物mP(B/T)_Z对于金黄色葡萄球菌的抑菌率整体上要高于大肠杆菌。其中聚合物mP(B/T)₉₂表现出了优于其它聚合物的抗菌效果。

具体实施方式：

下面结合实施例对本发明作进一步说明：

疏水单体(B)与季铵盐阳离子单体(T)的无规共聚物P(B/T)；

聚乙二醇(PEG)与所无规共聚物P(B/T)的嵌段共聚物(PEG-P(B/T))；

疏水单体单元/季铵盐单体单元的摩尔比(B/T)为0.4-0.8，P(B/T)的聚合度为19-150。

所述的两亲性阳离子聚合物，优选所述的B为甲基丙烯酸酯类单体，优选侧链3-8个碳的甲基丙烯酸酯，进一步优选为甲基丙烯酸正丁酯(nBMA)，T为N,N,N-三甲铵基甲基丙烯酸乙酯(TDMA)，B/T为0.5-0.7。

所述的两亲性阳离子聚合物，聚乙二醇单甲醚mPEG与P(B/T)的嵌段共聚物，B/T为0.5-0.7，mPEG的数均分子量为2000-3500。

所述的两亲性阳离子聚合物，其结构特征是mPEG分子量为2000，P(nBMA/TDMA)的聚合度为80-110，nBMA/TDMA单元摩尔比优选为0.6。

实施例中，以甲基丙烯酸正丁酯(nBMA)为疏水段，以三甲铵基甲基丙烯酸乙酯(TDMA)为阳离子段，采用以聚乙二醇(mPEG)为聚合物亲水层，制备无规共聚物P(nBMA/TDMA)和mPEG-P(nBMA/TDMA)。以金黄色葡萄球菌(SA)和大肠杆菌(EC)为模型菌测定抑菌率。

本发明是以S-1-十二烷基-S-(α,α-二甲基-α-乙酸)三硫代碳酸酯(DDMAT)或mPEG_2k-DDMAT大分子为引发剂，采用可控自由基聚合制备而成。

实施例1

季铵盐阳离子单体N,N,N-三甲铵基甲基丙烯酸乙酯(TDMA)的制备：将甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(4g,25.4mmol)溶解在60mL四氢呋喃中，在冰水浴条件下将碘甲烷(3.6g,25.4mmol)滴加到反应烧瓶中。继续反应2h,随后将反应烧瓶转移到室温条件下继续反应12h,通过对反应液进行抽滤处理得到白色沉淀，并用少量四氢呋喃洗涤三次，放置到25℃真空干燥箱中及逆行干燥后得到最终产物TDMA.结构表征如图1所示。

实施例2-8

以DDMAT为大分子链转移剂，AIBN为引发剂，将疏水单体甲基丙烯酸正丁酯(nBMA)和季铵盐阳离子单体TDMA进行无规共聚制备P(B/T)，具体制备方法如下：称取20mg的DDMAT于25mL反应管中，加入3mL无水DMF使其溶解，将nBMA(0.281g，1.973mmol)和第3章制备的TDMA(0.984g，3.288mmol)同时加入反应管，并加入AIBN做引发剂。然后，重复抽真空-充氮气(3次)，并使反应管在70℃下反应24h。随后经透析、冷冻干燥得到聚合物P(B/T)_Z-Y，Z代表nBMA与TDMA单元总数，Y代表nBMA/TDMA的结构单元摩尔比。两种单体nBMA和TDMA按表1所示的比例投料，制备出表1所示其它两亲性无规共聚物。结构表征如图2及表1.抑菌率表征结果见图6和表1。溶血和细胞毒性如图7所示。

表1合成聚合物P(nBMA/TDMA)_Z-Y的结构信息和抑菌率

^#指聚合物浓度为8μg/mL时的抑菌率。

实施例9

以mPEG_2k-DDMAT为大分子链转移剂，AIBN为引发剂，将nBMA和TDMA进行无规共聚制备mP(B/T)。

(1)通过酯化反应合成mPEG_2k-DDMAT。合成过程如下：称取二环己基碳二亚胺(2.05g)、DDMAT(10g)、4-二甲基氨基吡啶(25mg)和mPEG_2k(10g)溶于75mL二氯甲烷中，室温下反应48h。反应结束后将混合液进行抽滤，并通过悬蒸浓缩滤液得到粗产品。后将产物溶于少量二甲基甲酰胺(DMF)并置于分子量为1000的透析袋中，先用DMF进行透析，5h后用蒸馏水继续透析3天，冷冻干燥后得到最终产物mPEG_2k-DDMAT。

(2)称取100mg的mPEG_2k-DDMAT于25mL反应管中，加入3mL无水DMF使其溶解，将nBMA(0.218g，1.534mmol)和TDMA(0.765g，2.556mmol)同时加入反应管，并加入AIBN做引发剂。反复抽真空-充氮气(3次)，将反应管置于70℃下反应24h。随后经透析、冷冻干燥得到聚合物mP(B/T)_92-0.6。核磁谱图表征结构，如图3所示。细胞毒性和溶血率如图7所示。抑菌率如图8及表2所示。

实施例10-13

装置与操作同实施例9，聚合过程中固定大分子链转移剂mPEG_2k-DDMAT(100mg)和引发剂AIBN(1.4mg)的量，只是改变nBMA和TDMA的投料比，合成系列不同nBMA/TDMA摩尔比的聚合物mPEG-P(nBMA/TDMA)_Z-Y(mP(B/T)_Z-Y，Z代表nBMA与TDMA单元总数，Y代表nBMA/TDMA的结构单元摩尔比)。两种单体nBMA和TDMA按表2所示的比例投料，制备出表2所示其它两亲性无规共聚物。核磁谱图表征结构，如图4所示。抑菌率如图8及表2所示。

表2合成聚合物mPEG-P(nBMA/TDMA)_Z-Y的结构信息和抑菌率

^#指聚合物浓度为8μg/mL时的抑菌率。

实施例14-21

装置与操作同实施例9，采用不同数均分子量的mPEG，制备不同长度P(nBMA/TDMA)的系列聚物mPEG-P(nBMA/TDMA)z(mP(B/T)_Z-Y，Z为nBMA和TDMA结构单元总数，Y代表nBMA/TDMA的结构单元摩尔比)。聚合过程中固定大分子链转移剂mPEG-DDMAT(100mg)、引发剂AIBN(1.4mg)的用量和nBMA/TDMA摩尔比。两种单体nBMA和TDMA按表3所示的比例投料，制备出表3所示其它两亲性无规共聚物。核磁谱图表征结构，如图5所示及表3。抑菌率如图9及表3所示。

表3合成聚合物mPEG-P(nBMA/TDMA)_Z-Y的结构信息和抑菌率

实施例22-26

装置与操作同实施例9，聚合过程中固定大分子链转移剂mPEG_2k-DDMAT(100mg)和引发剂AIBN(1.4mg)的量，用不同的甲基丙烯酸酯单体替代nBMA，B/T比为0.6，合成系列不同聚合物mPEG-P(B/T)_Z-Y，制备出表4所示的两亲性无规共聚物。

表4合成聚合物mPEG-P(nBMA/TDMA)_Z-Y的结构信息和抑菌率

MMA为甲基丙烯酸甲酯，EMA为甲基丙烯酸乙酯，EMA为甲基丙烯酸正丙酯，nHMA为甲基丙烯酸正己酯，nOMA为甲基丙烯酸正辛酯，DOMA为甲基丙烯酸正十二酯，HEMA为甲基丙烯酸正十六酯。

测定方法：

抑菌实验：

采用溶液抗菌实验测定聚合物P(B/T)和mP(B/T)对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抑菌效果。如图6、图8和图9，以及表1～表4。

(1)分别称取10mgP(B/T)和mP(B/T)各自溶解于1mL三氟乙醇(TFE)中，待完全溶解后，在磁力搅拌的条件下缓慢滴入10mL双蒸水中，室温下继续搅拌使TFE完全挥发。最后将聚合物溶液定容至10mL，得到浓度为1mg/mL的聚合物溶液。将上述浓度均为1mg/mL的聚合物溶液放置于超净台，打开紫外灯照射30min。并用无菌水将聚合物溶液稀释到64μg/mL、32μg/mL、16μg/mL和8μg/mL四个梯度浓度。

(2)为了配制适当浓度的细菌悬浮液用于抗菌实验，首先需要复苏细菌，然后再进行细菌稀释。具体操作步骤如下：称取MH培养基12g于500mL的锥形瓶中，加入500mL去离子水，用玻璃棒均匀搅拌加速溶解，使其完全溶解为黄色透明液体后密封锥形瓶。并将配制好的液体培养基等所需实验器材放在121℃高温灭菌锅内进行灭菌处理。灭菌完成后，取出灭菌锅内的物品并置于洁净的工作台中，打开紫外灯照射30min。半小时后，从-20℃条件下取出保存在甘油中的大肠杆菌和金黄色葡萄球，待溶解后分别取100μL加入到已灭完菌的MH液体培养基中，并将其置于37℃的恒温振荡箱里培养24h。恒温培养24h后，将培养好的细菌用MH液体培养基稀释至1×10⁶cfu/mL，放到无菌操作台中备用。

(3)分别向96孔板里的孔内加入预先稀释好的浓度为1×10⁶cfu/mL的细菌悬浮液100μL。然后，将等体积的聚合物溶液加到已加入细菌悬浮液的96孔板的孔中。将100μL的PBS加入含有100μL细菌悬浮液的孔中作为阳性对照组。将100μL的PBS加入含有100μL液体培养基的孔中作为阴性对照组。然后将96孔板置于37℃恒温培养箱中培养12h。培养结束后，使用酶标仪测试600nm处的吸光度。各个聚合物在溶液中的抑菌效率可以根据下列公式计算：

其中A代表的是同时包含聚合物和细菌悬浮液的液体培养基的吸光度，A0是包含PBS的液体培养基的吸光度，A1是同时包含PBS和细菌悬浮液的液体培养基的吸光度。

溶血实验：

利用兔子血来评估聚合物P(B/T)和mP(B/T)的溶血情况。具体操作过程如下：将0.6mL用肝素钠处理过的新鲜抗凝兔子血液，在20℃下以2000rpm离心5min，弃掉上清液，然后加入pH为7.4的无菌PBS至40mL，混合均匀并以2000rpm离心5min(重复5次)，至上清液澄清透明。去掉上清液后，用无菌PBS稀释至6mL。在含有0.8mL聚合物溶液、0.8mL无菌水以及0.8mL PBS的离心管中分别加入稀释后的红细胞悬液0.2mL，以此分别作为实验组、阳性对照组和阴性对照组。将实验室和对照组分别混合均匀后并置于37℃恒温震荡器中培养2h。然后将其置于4℃下以10000rpm离心10min以获得上清液，吸取100μL上清液置于96孔板中，并通过酶标仪测定540nm处的吸光度。利用下列公式计算溶血率。

细胞毒实验：

使用NIH3T3小鼠胚胎成纤维细胞作为细胞模型，使用CCK8测定法对聚合物P(B/T)和mP(B/T)的体外细胞毒性进行检测。具体实验步骤如下：NIH3T3细胞被接种到96孔板中，并置于37℃条件下孵育24h。称取聚合物P(B/T)和mP(B/T)各10mg分别溶于10mL无菌PBS中，得到浓度为1mg/mL的聚合物溶液，并用PBS分别对两种聚合物溶液进行稀释，最终得到浓度分别为8μg/mL、16μg/mL、32μg/mL、64μg/mL的聚合物溶液。然后将不同浓度的聚合物溶液加入96孔板中，并在37℃下孵育24h。然后完全除去培养基并用无菌PBS洗涤两次。随后每个孔加入100μL的CCK8，并在37℃下培养1h。最后通过酶标仪检测其在450nm处的吸光度。其中PBS组为阴性对照组。利用下列公式计算细胞毒性。

本发明公开和提出的技术方案，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变条件路线等环节实现，尽管本发明的方法和制备技术已通过较佳实施例子进行了描述，相关技术人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和技术路线进行改动或重新组合，来实现最终的制备技术。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims (6)

1.一种季铵盐类两亲性阳离子聚合物，其特征是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)，或者是聚乙二醇单甲醚(mPEG)与所述的无规共聚物P(B/T)的嵌段共聚物(mPEG-P(B/T))，疏水单体单元/季铵盐单体单元的摩尔比(B/T)为0.4-0.8，P(B/T)的聚合度为19-150。

2.如权利要求1所述的两亲性阳离子聚合物，其特征是所述的甲基丙烯酸酯类单体B为甲基丙烯酸正烷基酯，正烷基酯的碳为3-8个；季铵盐阳离子单体T为N,N,N-三甲铵基甲基丙烯酸乙酯(TDMA)，B/T为0.5～0.7。

3.如权利要求2所述的两亲性阳离子聚合物，其特征是所述的甲基丙烯酸酯类单体B为甲基丙烯酸正丁酯(nBMA)，季铵盐阳离子单体T为N,N,N-三甲铵基甲基丙烯酸乙酯(TDMA)，B/T为0.5～0.7。

4.如权利要求3所述的两亲性阳离子聚合物，其特征是聚乙二醇单甲醚mPEG与P(B/T)的嵌段共聚物，B/T为0.5-0.7，mPEG的数均分子量为2000～3500。

5.如权利要求4所述的两亲性阳离子聚合物，其结构特征是mPEG分子量为2000，P(nBMA/TDMA)的聚合度为80-110，nBMA/TDMA单元摩尔比为0.6。

6.一种抗菌材料，其特征是将权利要求1所述的两亲性阳离子聚合物通过溶液、涂层、凝胶或共混到其它材料中发挥抗菌作用。

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