阳离子季铵盐/两性磷脂聚合物构建抗菌、防污生物材料表面的研究

旨在揭示材料表面与生物体界面相互作用中最基本的科学问题，解决植入式生物材料体内感染难以清除的难题，本课题以阳离子季铵盐和两性离子磷脂聚合物组合体为研究对象，以阳离子季铵盐和非离子聚乙二醇组合体为对照，设计和制备阳离子/两性（非）离子表面，采用计算机模拟和实验研究相结合的方法，研究聚合物链段结构和分子量、不同性质链段比例、电荷及分布、分子内和分子间弱相互作用等对表面结构的影响，比较阳离子/两性离子和阳离子/非离子表面结构的特点和差异，以及表面结构对杀菌、抗粘附和生物相容性等生物界面性能的影响，比较两性离子和非离子对阳离子抗菌性能影响，和阳离子对两性离子及非离子生物相容性的影响，系统探讨阳离子季铵盐和两性离子磷脂表面抗菌防污的机理，为制备具有杀菌、超强抗污的新型材料提供理论指导和科学依据，并最终制备出一种能植入体内使用的具有杀菌、防污、优异生物相容性的生物材料。

为了解决植入式生物材料体内感染难以清除的难题，本课题研究了防污和杀菌功能基团之间的相互作用和影响。在溶液体系中，分别以阳离子/非离子和两性离子/非离子基团的相互作用为例，研究发现非离子基团与阳离子或两性离子基团之间相互排斥，各自形成不同的聚集区，非离子基团对阳离子基团的正电荷具有一定的屏蔽效果，但不能完全屏蔽阳离子正电荷，可降低阳离子的细胞毒性，但对杀菌性能影响较小。研究了固体表面阳离子/两性离子之间的相互作用，研究发现季铵盐阳离子聚合物中的烷基链长度对阳离子/两性离子聚合物刷的表面结构影响很大，较短的烷基链长会形成内层杀菌和外层防污的表面，而较长的烷基链长会形成外层杀菌内层防污的表面。基于这些基础研究，本课题提出外层杀菌、内层抗粘附的表面结构可以首先杀死接触的细菌，然后由于死菌粘附能力变低，更容易被防污层击退，从而达到较好的防污杀菌效果，并可通过控制杀菌和防污基团的比例使得材料具有较好的生物相容性。由此设计合成了一种含gemini季铵盐阳离子和PEG非离子基团的水性聚氨酯材料，gemini季铵盐阳离子在成膜过程中会自发向表面迁移并聚集，表面氮正离子含量最高可达到本体的21.1倍，形成一杀菌外层结构；而亲水性的非离子基团在与水接触后发生分子重排，形成防污次层。研究表明gemini季铵盐烷基链长度为8和12碳链时，抗菌和生物相容性均表现良好；gemini季铵盐含量在8.48-22.19wt%之间时防污杀菌材料既能杀死浮游细菌和生物膜，又具有较好的细胞相容性。此种水性抗菌防污聚氨酯材料交联后的膜材料具有长效稳定的可重复的防污杀菌效果，膜水洗150天后，且重复进行接触杀菌实验10次，依然能保持99.9%以上的接触杀菌效果，且对周围环境的细菌也具有较好的抗菌效果。动物实验表明，此抗菌防污聚氨酯材料在体内具有较好的抗菌效果，抗菌效率达95.0%-99.8%。低gemini季铵盐含量的抗菌防污聚氨酯材料具有较好的体内生物相容性。研究结果为制备具有杀菌、抗污的新型生物材料提供理论指导和科学依据，并制备出一种具有杀菌、防污、良好生物相容性的材料，此材料可作为植入材料和涂层材料使用，具有广阔的应用前景。