表面引发开环易位聚合结合“点击”反应制备复合型聚合离子液体刷及抗菌防污性能的研究

The substrate surfaces grafted polymer brush is ideal bio-interface materials, which can affect the adhesion, growth and reproduction of biological species. The bio-adhesive on surfaces can therefore be controlled by adjusting the physical, chemical properties and structure of polymer brushes. This project aims to build the composite structure of poly(ionic liquid) brush via the combination strategy of click reaction and surface-initiated ring opening metathesis polymerization (SI-ROMP), which then acts as model interface to investigate the bio-adhesion mechanism under the synergies of various components. To the best of our knowledge, the catecholic chemistry has been proved to be a convenient and non-destructive approach for modifying various material surfaces via chemical bond. Thus, we will prepare biomimic catecholic initiator containing norbornene group to self-assemble on substrate surfaces, which then serves as initiator for grafting high density poly(ionic liquid) brush via SI-ROMP. On the obtained poly(ionic liquid) brush platform, anti-protein, anti-bioadhesion molecules, such as poly(ethylene glycol), quaternary ammonium salts, sulfonates, capsaicin, will be introduced via click reaction. The relationships between different anions, alkyl chain, polymer brush grafting density and thickness of poly(ionic liquid) brush and its anti-protein and anti-bioadhesive performance will be studied. We will research the anti-protein, anti-bioadhesion properties and its regularity of composite poly(ionic liquid) brush under synergistic effect of the ionic liquid unit and poly(ethylene glycol), quaternary ammonium salts, sulfonates, capsaicin unit, and obtain the most optimal combination and the best conditions of polymer grafting. The study will provide a theory basis and technical guidance to develop a low toxic environmentally friendly composite poly(ionic liquid) based anti-bioadhesive interface material.

基底表面接枝聚合物刷是一类理想生物界面材料，其会影响生物物种的粘附、生长与繁殖，可以通过调控聚合物刷的物理化学性质和结构来控制生物粘附生长。本研究结合表面引发开环易位聚合和"点击"化学构筑聚合离子液体复合刷型表面，并作为模型界面考察不同组分协同作用下防生物粘附的机理。本项目利用邻苯二酚基元在工程材料表面形成化学键合含降冰片烯的引发剂，通过表面引发开环易位聚合接枝高密度的聚环戊二烯为主链、离子液体单元为侧链的聚合物刷；然后将抗蛋白质、防生物粘附的分子通过"点击"化学引入到聚环戊二烯主链，研究聚合离子液体的对离子、烷基链、接枝密度和厚度对其抗蛋白质、防生物粘附性能的影响；研究离子液单元与聚乙二醇、季铵盐、磺酸盐、辣素等协同作用下的抗蛋白质、防生物粘附性能，优选出最佳组合及聚合物接枝条件。研究将为发展低毒环保型聚合离子液体基抗生物粘附界面材料提供理论依据和技术指导。

项目研究工作紧紧围绕项目年度计划进行，完成了项目的研究内容，达到预定目标。本项目针对表面引发的原子转移自由基聚合方法存在基底表面接枝阳离子型聚合物的密度和聚合度低的缺点，通过采用表面引发开环易位聚合方法在材料表面制备了高接枝密度且厚度可控的聚合离子液体。通过此方法我们在二氧化钛纳米材料上制备了厚度均一的聚合离子液体刷（80nm），研究发现所得到的聚合离子液体刷能够明显地抑制小球藻的粘附，其对离子明显影响着其防污性能；此外发现，无论是在光照还是黑暗条件下，聚合离子液体修饰的二氧化钛纳米线对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌都表现出卓越的抗菌性能。这说明我们所得到的聚合离子液体刷型的表面具有良好的防污效果。. 另外，尽管各种各样的聚合物刷都具有防污性能，但由于单一组分的化合物防生物附着种类过于专一，因此解决的思路之一就是构筑多元复合结构，实现多组分协同防污。本项目利用分子设计，将“点击”反应与表面引发的开环移位聚合相结合在基材表面接枝二元防污组分，研究了基于聚合离子液体的二元组分协同下的防污效果。首先通过光引发的“点击”反应将中性（mPEG-SH）、阳离子性（Py16-SH）、阴离子性（MESNA）巯基化合物接枝到基材表面，然后通过表面引发开环移位聚合接枝上第二组分聚合离子液体；研究发现基于聚合离子液体的二元组分修饰的表面比单一组分修饰的表面展现出了更好的防污性能，这是由于二元组分的协同作用达到好的防污效果。. 通过以上的研究工作，我们发展了一种在基材表面实现高密度接枝且厚度可控聚合离子液体薄膜的制备方法，构筑了基于聚合离子液体的二元聚合物刷型表界面，评估了所构筑的表面的抗菌、剂防污性能，为我国发展低毒、环保型复合聚合离子液体基防污材料提供理论依据和技术指导。项目执行期间，研究结果主要以研究论文的形式报道，在国内外刊物上发表了8篇论文，申请发明专利3项，撰写英文章节2章。