高分子抗菌剂的发展现状与展望

高分子抗菌剂的发展现状与展望

摘要： 随着材料科学的迅速发展，抗菌材料开始于第二次世界大战出现。除了无机抗菌剂和有机抗菌剂被广泛使用外，目前天然抗菌剂和高分子抗菌剂的研究已经有了很大的进展。根据高分子抗菌剂和小分子抗菌剂在作用方式上的区别，说明高分子抗菌剂具有抗菌活性和选择性强、效果持久、安全无毒等优点，而且合成高分子抗菌剂可以克服天然抗菌剂耐热性差等缺点，通过熔融共混得到抗菌材料，所以高分子抗菌剂具有良好的研究价值。 关键词： 高分子抗菌剂；聚合物

抗菌材料就是杀菌和破坏微生物生存的一类材料[1]。随着社会快速发展和人们生活水平的提高，越来越多的人发现细菌、霉菌等有害微生物严重危害着人的自身健康、生活质量与居住环境。过去发生的种种事件足以证明有害微生物已经危害到人类生存基地——地球，因此如何防止细菌对人体的危害，加强抗菌知识和扩大应用领域显得极其迫切，并得到了进一步的重视。

致病性微生物严重威胁着人类的生命财产安全。据统计，全球每年约有1700万人死于细菌感染。近年来，O-157：H7致病性大肠杆菌、SARS病毒以及H5N1病毒的流行，也都曾引起世界性的恐慌。人们在应对这一严峻挑战中发现，研制抗菌制品能有效抵御致病性微生物的侵袭，保障人类健康。与传统的物理、化学灭菌法相比，抗菌制品具有卫生自洁作用，能直接杀死表面的病原性微生物，有效避免交叉感染、抵御传染性疾病；抗菌效果更为长效、广谱、经济、方便；一般不会影响制品以外的空间及微生物环境，安全性能较好。抗菌材料现已成为材料科学中最具活力的领域之一[2]。

1. 高分子抗菌剂的研究现状

1.1 高分子抗菌剂的研究在国内外的发展状况

国际上以日本、美国、德国和英国为代表的国家从八十年代开始研究抗菌剂。日本为最早研制抗菌剂的国家，有石冢硝子、东亚合成、品川燃料等知名度的公司。日本的抗菌剂生产厂家，除最初的材料厂家之外，化工公司、陶瓷公司、纤

维公司、 甚至电机等企业纷纷加入。日本最早使用Zeomic抗菌剂制成的抗菌除臭袜和抗菌塑料。由于抗菌效果较好，很快被日本及其它国家广泛使用[3]。

当今抗菌材料的研究与开发的热点之一就是高分子抗菌材料的合成与应用。高分子抗菌剂的定义是，以共价键的方式使带抗菌基团前体结台到目标聚合物中而得到的在有机类抗菌剂中杂环N-卤代胺抗菌剂已被证明是一类强杀菌和灭菌的抗菌剂。研究者们把N-卤代胺的抗菌剂引进到高分子材料中使其具有抗菌剂，这样一来进一步扩大了高分子抗菌剂的应用领域。目前，高分子抗菌材料已用于食品包装、医疗器械、服装、家电等多个领域[4]。

1.2 高分子抗菌剂的作用特点

抗菌材料的核心是抗菌剂的研发。经过多年的研究应用，抗菌剂业已形成无机抗菌剂、有机抗菌剂、天然抗菌剂和合成高分子抗菌剂4大体系。它们的作用方式颇为不同，其中，无机(光催化型的除外)和有机抗菌剂属于释放型抗菌剂，它们被负载在合适的载体中，并被不断释放到周围环境、进入细菌体内以发挥抗菌作用。这会导致活性组分的含量不断下降，抗菌性能也将随之不断降低，直至消失，因此需严格控制释放速率，在满足抗菌需求的同时尽量延长有效期；同时难以避免残余毒性的问题，可能威及人类健康和环境安全[5]。由于这些问题的存在， 人们不得不寻找更为安全有效的替代品。

开发合成高分子抗菌剂，是人们试图结合天然 高分子抗菌剂和有机抗菌剂优点的尝试。人们在深入研究后发现，合成高分子抗菌剂能通过与细菌的直接接触而杀死细菌，并不需要释放活性物质。因此，制品的抗菌性能持久而稳定，残余毒性大大降低，安全性提高。另一个突出的优点是，它们的活性官能团密度远高于有机小分子，这可能使其抗菌性能更为优异。正因如此，高分子抗菌剂的研究在 近年来获得极大关注，发展十分迅速。但需指出的是，由于高分子的尺寸远远大于有机小分子，穿越细胞壁和细胞膜的阻力也将大幅增加，这可能使其难与细菌细胞内部的作用靶位接触。这是部分高分子抗菌剂的活性不如有机小分子

的原因[6]。因 此，有必要分析归纳不同高分子抗菌剂的特点，从而为后续研究提供参考。

2. 高分子抗菌剂的类型及其特点

2.1 季铵盐类聚合物

在高分子抗菌剂中，季铵盐聚合物的应用研究极为广泛。它们的特点是结构中心为正一价的季铵氮离子()，周围有4个取代基(Rl～R4)及抗衡阴离子(如C1、Br、I等)(图1)

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图表 1

季铵盐聚合物的制备一般选择“先聚合后季铵化”的路线，如Roy等先合成甲基丙烯酸二甲基氨基乙酯(DMAEMA)的均聚物PDMAEMA，再采用溴代烷使其季铵化，得到季铵化聚合物[7]。但也有研究采用“先季铵化后聚合”的路线，如鹿桂乾等先采用卤代烷使DMAEMA季铵化，得到季铵盐单体，再通过自由基聚合制备季铵盐聚合物。相对而言，后者的季铵化程度更高。

季铵盐类聚合物具有抗菌活性高、性能稳定持久、残余毒性及对人体组织的刺激性低等优点，因而备受关注。人们普遍认可季铵盐聚合物的抗菌性能依赖于的正电性，但对的具体作用模式尚未有定论。有研究认为，它们是通过与细菌细胞膜(呈电负性)间的静电引力吸附到细菌表面，随后借助于取代烷基的疏水作用，穿透并刺穿细菌细胞膜，进而引起细胞内物质外泄，杀死细菌。这也 是目前最为广泛接受的理论。但也有研究认为，季铵盐聚合物是依靠与细胞膜中的、离子交换，破坏细菌的电荷平衡和结构的完整性，从 而发挥抗菌活性。

2.2 季鏻盐类聚合物

Akihiko Kanazawa等[8]研制了以季鏻盐为抗菌基团的高分子抗茵剂。他们发现这种高分子抗菌剂的抗菌活性不仅比相应的小分子高，而且要比相同结构的季铵盐型高分子抗菌剂高出两个数量级。对季鏻盐上不同的取代基抗菌活性的研究表明，含有较长链(辛基)的化合物有特别高的抗菌活性，可能是憎水性的提高有利于提高对细菌的杀灭力。

Akihiko Kanazawa等通过制备一系列的不同阴离子的聚三丁基苯乙烯基季鏻盐，考察了阴离子和分子量对聚季鏻盐抗菌活性的影响。他们发现形成离子对比较紧密的化合物，抗菌活性较差，而那些容易解离形成17：1由离子的化合物抗菌活性较好。对一系列的共聚物的研究还表明，随着季鏻盐单体含量的升高，抗菌活性提高。因此他们认为季鏻盐基团是主要的抗菌活性基团，化合物正电性的提高有利于提高抗菌性。

2.3 卤胺类聚合物

高分子抗菌剂中，卤胺类聚合物相对较新[9]，结构特点是重复单元中含有一个或多个卤胺键。理论上而言，酰胺N上的氢都可被卤素取代、形成卤胺键。Badrossamay等[10]就在聚乙烯(PE)的表面接枝丙烯酰胺，经卤化后材料获得抗菌活性。但相对而言，研究更多的是杂环状乙内酰胺。

卤胺类聚合物的抗菌活性较高，它们既能释放强氧化性的卤素阳离子到微生物体内，破坏细胞酶的活性和代谢过程，也能通过与细菌的直接接触而发挥抗菌活性。有研究认为，微生物不可能对卤胺聚合物形成耐药性，且它们的抗菌活性可再生。 当抗菌性能不能满足需求时，简单的卤化处理就能使卤素存量提高，

抗菌性能恢复。但要注意，卤化步骤对抗菌活性影响很大。

2.4 胍类聚合物

人们发现胍及其衍生物具有很好的抗菌性能，并探索了其在医疗、农产品防护、食品和日用品等方面的使用。Zhang 等[11]通过缩聚合成了聚六甲基胍盐酸盐和聚六甲基二胍盐酸盐，并用沉淀法制备了亲脂性的聚六甲基胍硬脂酸盐、聚六甲基二胍硬脂酸盐。在传统的制备路线中需要使用甲醇作为溶剂，但由于产物在甲醇中溶解性很好，给产物的纯化带来了 一定的困难。Zhang 等第一次在高温熔融的单体中进行反应，不需要使用溶剂，克服了传统方法的缺点。得到的聚合物有较好的抗细菌和真菌效果。这种抗菌剂可以耐 250的高温，因此可以作为聚乙烯、聚丙烯、尼龙 66 等高分子材料的添加剂。

2.5 壳聚糖类聚合物

壳聚糖是天然高分子抗菌剂的代表，具有安全无毒、抗菌活性高的优点。但它的溶解性差、不溶于水和绝大部分的有机溶剂、黏度大、抗菌活性易受pH值影响、不适宜用于酸碱性较强的环境中， 导致应用大大受限[12]。

为了克服上述缺点，人们设计合成了大量壳聚糖衍生物。其中，研究最多的水溶性壳聚糖衍生物可通过以下3种途径获得：①控制甲壳素的脱乙酰化或壳聚糖的乙酰化反应条件；②利用壳聚糖上的氨基或羟基引入亲水基团、改善水溶性，例如，壳聚糖经羧甲基化、酰化、羟乙基化[13]或磺化[14]反应，都能得到水溶性壳聚糖；③降解大相对分子质量的壳聚糖。有些基团不仅能改善壳聚糖的水溶性，还能与它协同抗菌，例如，壳聚糖的季胺化衍生物[15]。

3. 结语

由于抗菌方式不同，与无机或有机抗菌剂相比，高分子抗菌剂在安全性上具有突出优势，因此，有望在对安全性要求更高的抗菌领域获得应用。高分子抗菌剂具有速度快，加工方便，颜色稳定性好，抗菌谱明确，部分有机抗菌剂对霉菌有特效等优点，但低分子有机抗菌剂存在耐热性差、使用过程中易析出、易挥发等缺点，因此高分子有机抗菌剂将会有很大的发展空间。特别是将具有抗菌功能的基团通过化学反应组装到基体树脂分子链上得到的抗菌材料，这类抗菌材料克服了普通有机抗菌剂不耐热、与基体相容性差，不耐浸泡洗涤、渗出物安全性等缺点，具有高效、广谱、安全无毒、抗菌效果持久、优良的热稳定性、与树脂良好的相容性、优良的加工性、价格低廉等特点；随着人们环保意识提高，易生物降解、环境友好的抗菌剂也将是今后国内研究的热点。总之，随着人们生活水平和健康环境意识的提高，发展长效、低毒、广谱、易生物 降解的抗菌材料将是人们奋斗的目标。

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