甲基丙烯酸二甲氨基乙酯系高分子抗菌劑的制備及構(gòu)效關(guān)系研究.pdf

1、高分子抗菌劑除具有好的抗菌能力外，還具有許多無機(jī)金屬離子和有機(jī)小分子抗菌劑所不可替代的優(yōu)越性能，例如高的化學(xué)穩(wěn)定性，低的殘余毒性，持久的抗菌效果，且在低的蒸汽壓下不揮發(fā)，不會(huì)滲透進(jìn)入人的皮膚等特性，因而備受關(guān)注。 本論文首先對(duì)無機(jī)抗菌劑、有機(jī)抗菌劑、天然抗菌劑和高分子抗菌劑的類型、抗菌作用機(jī)理及其優(yōu)缺點(diǎn)等進(jìn)行了綜述，重點(diǎn)放在高分子抗菌劑及其應(yīng)用研究進(jìn)展上。不同的高分子抗菌劑體系，其結(jié)構(gòu)與殺菌活性之間的關(guān)系千差萬別，即使是同一種高

2、分子抗菌劑體系，影響抗菌活性的因素也多種多樣。 本論文選擇應(yīng)用廣泛且已證明對(duì)人體安全的季銨鹽基團(tuán)抗菌體系，以多功能甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(DMAEMA)為起始原料，首先設(shè)計(jì)合成了四種新型季銨鹽單體及其均聚物，研究它們的構(gòu)效關(guān)系；接著使用嵌均共聚方法設(shè)計(jì)合成了一系列抗菌單體均勻分散的抗菌共聚物；在此基礎(chǔ)上，向大分子鏈中引入馬來酸酐活性基團(tuán)，成功地將高分子抗菌劑固定到棉織物上，并考察了它們的殺菌效果；論文探討了合成的聚陽離子抗菌劑的

3、抗菌機(jī)理與毒理問題，以討論總結(jié)出結(jié)構(gòu)一分子形態(tài)一殺菌活性之間的關(guān)系。 本論文主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下： 1．新型季銨鹽單體的合成及構(gòu)效關(guān)系研究用原料DMAEMA分別與氯化芐(BC)、溴代正丁烷(BB)、溴代十二烷(DB)和溴代十六烷(HB)進(jìn)行季銨化反應(yīng)，合成了四種新型季銨鹽抗菌單體。接著用FT-IR、H-NMR、C-NMR和EA等手段表征了其結(jié)構(gòu)。選單體DMAEMA-BC和DMAEMA-DB的合成為代表，研究各種合成條件

4、對(duì)產(chǎn)物收率的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，DMAEMA-BC的最佳合成條件為：反應(yīng)時(shí)間，6h；反應(yīng)溫度，40～45℃；溶劑，二氯甲烷；DMAEMA：BC摩爾比，1.1:1～1.3:1；DMAEMA-DB的最佳合成條件為：反應(yīng)時(shí)間，20h；反應(yīng)溫度，45～50℃；溶劑，乙腈；DMAEMA：DB摩爾比，1.2:1～1.3:1。采用最小殺菌濃度法(MBC)和抑菌圈法對(duì)四種新型季銨鹽單體對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌活性進(jìn)行表征，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，DMAEMA-D

5、B和DMAEMA-HB的MBC值為12～24μg/mL，但DMAEMA-BC和DMAEMA-HB的MBC值大于50mg/mL，說明殺菌活性隨著取代基中碳原子數(shù)目的增加而增大，這主要是因?yàn)橥榛溤介L，烷基鏈與細(xì)胞質(zhì)膜的疏水相互作用能力越強(qiáng)，致使強(qiáng)的殺死能力。通過抑菌圈直徑法表征季銨鹽單體的殺菌活性表明，其殺菌活性大小順序?yàn)椋篋MAEMA-DB>DMAEMA-BC>DMAEMA-HB>DMAEMA-BB，但是，用該方法測(cè)定的四種季銨鹽單體的

6、殺菌效果與用最小殺菌濃度法測(cè)定的是不一致的，其原因主要是抗菌劑在瓊脂上的擴(kuò)散能力是抑菌圈法測(cè)定殺菌活性的一個(gè)關(guān)鍵影響因素。 2.聚季銨鹽的合成及抗菌活性表征四種新型季銨鹽單體分別進(jìn)行均聚，制備出四種相應(yīng)的聚季銨鹽。通過FT-IR、H-NMR和TG等手段對(duì)它們的結(jié)構(gòu)和熱性能分別進(jìn)行表征。以單體DMAEMA-BC的聚合為代表，詳細(xì)研究了各種聚合條件對(duì)分子量的影響。利用烏氏粘度計(jì)和靜態(tài)激光光散射儀測(cè)定并訂定了Poly(DMAEMA-

7、BC)在本實(shí)驗(yàn)條件下的Mark-Hauwink方程。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，可以通過改變聚合溫度和引發(fā)劑用量來控制分子量的大小，同時(shí)聚合溫度要取決于引發(fā)劑的類型。Poly(DMAEMA-BC)在30℃的0.1M NaCl溶液中，[η]=0.154M<'0.764>。采用最小殺菌濃度法(MBC)和抑菌圈法測(cè)定了四種聚季銨鹽的殺菌活性和動(dòng)力學(xué)，特別是探討了分子量與殺菌活性的關(guān)系。結(jié)果表明，Poly(DMAEMA-BC)和Poly(DMAEMA-BB)，由

8、于高的電荷密度和主鏈強(qiáng)的疏水性，對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出較高的殺菌活性，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相應(yīng)單體的殺菌活性。Poly(DMAEMA-BC)的殺菌效果隨著分子量的增加而增大。當(dāng)分子量增加到7.5×10<'4>時(shí)，0.78mg/mL的聚合物在10min的接觸時(shí)間內(nèi)能夠殺死全部的測(cè)試細(xì)菌。但Poly(DMAEMA-DB)和Poly(DMAEMA-HB)由于大部分陽離子電荷被包裹在聚集體內(nèi)部，造成對(duì)菌體的吸附力低，殺菌活性很低。 3

9、.兩親嵌均共聚物的合成及抗菌性能表征通過DMAEMA-BC/AAm或DMAEMA-DB/AA的二元共聚，單體DMAEMA-BC和DMAEMA-DB被分別分散到聚丙烯酰胺大分子鏈中。并用FT-IR和NMR等表征了其結(jié)構(gòu)，用JIS法和烏氏粘度計(jì)測(cè)定了其陽離子電荷密度和特性黏數(shù)，研究了各種合成條件對(duì)聚合物性能的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著單體DMAEMA-BC用量的增大，Poly(DMAEMA-BC/AAm)的電荷密度和特性黏數(shù)都逐漸增加。DMAEM

10、A-DB的轉(zhuǎn)化率一直很低，最高僅達(dá)到66.0％。通過平板活菌計(jì)數(shù)法表征了共聚物的殺菌活性、殺菌動(dòng)力學(xué)、殺菌持久性及其環(huán)境因素對(duì)殺菌活性的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單體DMAEMA-BC的用量超過20mol％時(shí)，P01y(DMAEMA-BC/AAm)對(duì)大腸桿菌與金黃色葡萄球菌表現(xiàn)出100％的殺死能力；當(dāng)DMAEMA-DB在Poly(DMAEMA-DB/AAm)中的含量處于5.8～11.1mol％時(shí)，0.5mg/mL共聚物能夠殺死所有的測(cè)試細(xì)菌，說

11、明大分子溶劑可以分散抗菌基團(tuán)從而表現(xiàn)好的殺菌活性，證實(shí)了前面的設(shè)想。3mg/mL的Poly(AAm/DMAEMA-BC)(60/40)持續(xù)殺菌7天后，抗菌活性逐漸下降。無論是0.5mg/mL的濃度，還是3mg/mL的濃度，Poly(AAm/DMAEMA-DB)(80/20)在30天的持續(xù)作用時(shí)間內(nèi)一直表現(xiàn)出100％的殺菌效果。通過研究周圍環(huán)境條件對(duì)共聚物殺菌活性的影響，發(fā)現(xiàn)聚合物poly(AAm/DMAEMA-DB)(85/15)在pH

12、=6～10，鹽的濃度低于0.5wt％的溶液中表現(xiàn)出好的殺菌效果。 4.可反應(yīng)性高分子抗菌劑的合成及純棉織物的抗菌整理通過三元共聚將馬來酸酐活性基團(tuán)引入大分子鏈中，制備了兩個(gè)系列的可反應(yīng)性高分子抗菌劑，Poly (DMAEMA-BC/AAm/MAn)和Poly(DMAEMA-DB/AAm/MAn)。并用FT-IR和NMR等表征了其結(jié)構(gòu)，用JIS法、烏氏粘度計(jì)和酸堿滴定分別測(cè)定了其陽離子電荷密度、特性黏數(shù)和酸值，研究了抗菌單體和馬來

13、酸酐用量對(duì)聚合物性能的影響，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，少量的(<5mol％)馬來酸酐用量有助于提高共聚單體的反應(yīng)活性，但馬來酸酐用量增加，會(huì)導(dǎo)致共聚物的得率降低。通過浸漬工藝對(duì)棉織物進(jìn)行抗菌整理后，用平板活菌計(jì)數(shù)法和改良振蕩燒瓶法對(duì)各種可反應(yīng)性高分子抗菌劑及抗菌織物的殺菌活性分別進(jìn)行表征，并用掃描電鏡觀察菌體與抗菌織物作用前后的外部形態(tài)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)有少量(<5mol％)的馬來酸酐參與反應(yīng)時(shí)，共聚物的殺菌活性增強(qiáng)。隨著馬來酸酐用量的增大，共聚物

14、的殺菌活性減弱。經(jīng)過聚合物(DMAEMA-BC/AAm/MAn)(30/55/15)整理后的棉織物的殺菌效果很好，在20h的接觸時(shí)間內(nèi)能夠殺死100％的大腸桿菌，但經(jīng)過100次水洗后，棉織物的殺菌能力大幅度下降。經(jīng)過(DMAEMA-DB/AAm/MAn)(10/75/5)整理的棉織物，200次水洗后，仍有100％的殺菌效果。菌體與抗菌織物作用前后，其外部形態(tài)沒有明顯變化。 5.抗菌機(jī)理研究與毒理實(shí)驗(yàn)通過檢測(cè)K<'+>、260nm

15、和420nm吸收物質(zhì)的泄漏，研究聚陽離子作用后的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的膜的完整性以及大腸桿菌的內(nèi)膜透性。通過掃描和透射電子顯微鏡分別觀察經(jīng)過聚陽離子處理前后的大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的外部形態(tài)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。通過急性皮膚刺激性和急性經(jīng)口毒性實(shí)驗(yàn)表征了該系列聚陽離子對(duì)人體的安全性。結(jié)果表明，聚陽離子破壞了大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的細(xì)胞膜，同時(shí)使大腸桿菌的內(nèi)膜透性增強(qiáng)，引起K<'+>、DNA和RNA等物質(zhì)的泄漏，膜功能遭到嚴(yán)重破壞，菌