季銨鹽兩性離子協(xié)同改性聚硅氧烷涂層的制備

謝 慧，錢 濤，吳旭日，詹曉力,3，張慶華,3

（1.浙江大學化學工程與生物工程學院，浙江 杭州 310027；2.杭州吉華高分子材料有限公司，浙江杭州 311234；3.浙江大學衢州研究院，浙江 衢州 324000）

海洋生物污損是指附著在船底、浮標等一切人工設施表面的動、植物和微生物的總稱。海洋生物污損給海洋工業(yè)帶來了巨大的經(jīng)濟損失，也給海洋生態(tài)環(huán)境帶來了嚴重危害。據(jù)統(tǒng)計，每年世界各地由海洋生物污損帶來的直接經(jīng)濟損失高達1 500億美元[1-2]。目前，在船體表面涂覆防污涂層是解決海洋污損最經(jīng)濟、最有效的方法。隨著人類對于環(huán)境保護的日益重視，無毒、無污染的環(huán)境友好型防污涂料成為了新的研究趨勢。有機硅型污損脫附型防污涂料是當前最具發(fā)展前景的環(huán)境友好型防污材料之一，通過在有機硅涂料中引入季銨鹽抗菌基團可以有效提高有機硅涂層的防污能力，改性后有機硅涂層表現(xiàn)出較好的抗菌性能，但被殺死的微生物會附著在涂層表面，容易進一步引發(fā)污損附著，影響涂層防污效果[3-6]。

兩性離子聚合物被認為是繼聚乙二醇之后的第2代親水抗污材料。與通過氫鍵結合水分子的聚乙二醇相比，兩性離子聚合物的靜電誘導水合能力更強，其表面可以更牢固地結合水分子，形成水合層，從而獲得更優(yōu)異的抗污損黏附性能[7]。季銨鹽基團可賦予有機硅涂層抗菌性能，兩性離子可賦予有機硅涂層抗污損黏附性能。因此，本研究通過2步反應合成1種含季銨鹽基團和兩性離子磺酸甜菜堿的聚合物QS，再利用QS與雙羥基封端的聚二甲基硅氧烷（PDMS）共交聯(lián)反應得到多功能防污涂層，進而對所制備的涂層組成結構以及表面物理化學性能進行表征，研究季銨鹽基團與兩性離子協(xié)同作用對涂層抗污性能的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

3-巰丙基三甲氧基硅烷（KH590）；PDMS，Mn=40×103；甲基丙烯酰氧乙基二甲基十二烷基溴化銨（QDEMA），實驗室自制[8]；乙酸丁酯，乙腈，甲基丙烯酸二甲氨基乙酯（DMAEMA），正己烷，偶氮二異丁腈（AIBN）與二乙酸二丁基錫，正硅酸四乙酯（TEOS），乙醚，丙酮和二甲苯，磷酸緩沖鹽溶液（PBS），1,3-丙磺酸內酯，分析純。

人工海水，利用海鹽與去離子水以質量比1:30配制而成。

1.2 QS的合成

將一定量的KH590、QDEMA、DMAEMA 與7.5 g 乙酸丁酯、7.5 g 乙腈磁力攪拌均勻后，轉移至100 mL 三口圓底燒瓶中，向反應瓶中通入氮氣15 min 以除去空氣，隨后加入80 mg 的AIBN 作為引發(fā)劑，在氮氣氣氛中80 ℃反應12 h 得到粗產(chǎn)品。旋蒸除去多余的溶劑，采用正己烷進行沉淀，50 ℃下真空干燥，得到QS 聚合物前驅體（QD）。

將QD 溶解于18.0 g 三氟乙醇中，加入與DMAEMA 相同摩爾量的1,3-丙磺酸內酯，攪拌溶解后轉移至100 mL 三口圓底燒瓶中，在氮氣氛圍中50 ℃反應24 h。旋蒸除去多余的溶劑，采用乙醚進行沉淀，得到的聚合物在50 ℃下真空干燥，即得季銨鹽兩性離子聚合物QS。通過控制QS中季銨鹽鏈段與兩性離子的摩爾比例，合成了3種季銨鹽兩性離子聚合物Q5S1、Q4S2 與Q3S3。反應式見圖1。

圖1 QS的合成Fig 1 Synthesis of QS

另外，將一定量的KH590、QDEMA 與7.5 g乙酸丁酯、7.5 g 乙腈磁力攪拌均勻后，轉移至100 mL 三口圓底燒瓶中，向反應瓶中通入氮氣15 min 以除去空氣，隨后加入80 mg 的AIBN 作為引發(fā)劑，在氮氣氣氛中80 ℃反應12 h 得到粗產(chǎn)品。旋蒸除去多余的溶劑，采用正己烷進行沉淀，50 ℃下真空干燥，得到不含兩性離子的季銨鹽聚合物Q6。

聚合物制備原料組成見表1。

表1 Q6、Q5S1、Q4S2與Q3S3制備原料組成Tab 1 Composition of Q6,Q5S1,Q4S2 and Q3S3

1.3 涂層制備

將0.35 g QS、2.50 g雙羥基封端聚二甲基硅氧烷與5.3 g 二甲苯混合，磁力攪拌均勻后加入0.15 g TEOS 與少量二乙酸二丁基錫，充分混合后取0.8 mL 涂覆到載玻片上，室溫下干燥固化，將得到的涂層命名為PQ5S1、PQ4S2、PQ3S3。采用同樣的方法制備出Q6 改性的聚硅氧烷涂層PQ6。同時制備了未改性的聚硅氧烷涂層PDMS 用于對照。涂層制備見圖2。

圖2 改性涂層的制備Fig 2 Preparation of the modified coatings

1.4 表征與測試

表征。紅外光譜采用美國Nicolet 5700 傅立葉紅外光譜儀（FT IR）測得。核磁共振氫譜是將QS溶解在氘代二甲基亞砜中，采用布魯克400M核磁共振儀測得。涂層表面水接觸角采用CAM 200 表面張力儀于室溫下測定，測試液滴體積為5 μL。采用TR200/210表面粗糙度儀測試了涂層表面的粗糙度Ra。

抗蛋白吸附測試。參考文獻的方法，利用牛血清蛋白（BSA）來研究涂層表面的抗蛋白質吸附性能[9]。

抗細菌黏附測試。參考文獻的方法，選擇革蘭氏陰性菌大腸桿菌（E.coli）作為測試菌種，研究了各涂層的抗細菌黏附性能[10]。

抗菌測試。采用平板菌落計數(shù)法，選擇革蘭氏陰性菌E.coli作為測試菌種，對實驗涂層進行抗菌測試。以PDMS 涂層為對照，計算出各涂層抗菌率[8]。

2 結果與討論

2.1 QS合成與表征

QS的FT IR光譜如圖3所示。

由圖3 可知，波數(shù)1 466 cm-1處的吸收峰對應C－N+伸縮振動峰，波數(shù)1 037 cm-1處為Si－O 鍵的特征峰，－SO3基團的特征吸收峰在波數(shù)605、524 cm-1處出現(xiàn)。Q5S1、Q4S2和Q3S3均出現(xiàn)了－SO3基團的特征吸收峰，而在Q6 并未出現(xiàn)。表明已經(jīng)成功合成出了季銨鹽兩性離子聚合物QS。

圖3 Q6、Q5S1、Q4S2與Q3S3的FT IR光譜Fig 3 FTIR spectra of Q6,Q5S1,Q4S2 and Q3S3

為了進一步驗證產(chǎn)物的化學結構，對Q5S1、Q4S2與Q3S3進行核磁共振氫譜分析，結果如圖4所示。

圖4 Q5S1、Q4S2與Q3S3核磁共振氫譜Fig 41H-NMR spectra of Q5S1,Q4S2 and Q3S3

由圖4 可知，化學位移3.15 處的峰對應季銨鹽單體QDEMA側鏈中連接在N原子上的－CH3氫原子吸收峰，化學位移1.34 處的峰對應季銨鹽單體QDEMA 側鏈中－(CH2)10－中氫原子吸收峰，化學位移0.94處的峰對應季銨鹽單體QDEMA側鏈中末端的－CH3中氫原子吸收峰?；瘜W位移3.92 處的峰處對應兩性離子側鏈中連接在N原子上的－CH3氫原子吸收峰?；瘜W位移3.45處的峰對應的是KH590中－O－CH3上氫原子的吸收峰。以上結果進一步驗證了季銨鹽兩性離子聚合物QS的成功合成。

2.2 表面潤濕性能

化學組成和表面形貌是影響固體材料表面潤濕性能的2大關鍵因素。通過測定各涂層浸泡水前后的靜態(tài)水接觸角來研究涂層的潤濕性能。各涂層浸泡水前后的水接觸角見表2。

兩性離子單元具有豐富的帶電基團，可通過氫鍵和強靜電作用束縛水分子[7]。由表2 可知，浸泡前PDMS 水接觸角最高，其余涂層水接觸角有了略微下降，但仍舊大于106°，說明由于聚硅氧烷的低表面能特性，在成膜過程中PDMS 鏈段會往涂層表面遷移，各涂層表面大部分被PDMS 鏈段所覆蓋，依舊保持著疏水性能。

表2 涂層樣品的浸泡前后水接觸角Tab.2 Water contact angle of coating samples before and after immersion

浸泡后PDMS 涂層水接觸角基本無明顯變化，而涂層PQ6、PQ5S1、PQ4S2與PQ3S3在浸泡后水接觸角出現(xiàn)了顯著下降，說明在水環(huán)境中，QS 中親水性季銨鹽鏈段與磺酸甜菜堿兩性離子在水的誘導下開始向表面伸展，疏水性的PDMS 鏈段開始向涂層本體中延伸或彎曲，涂層親水性增強。從涂層PQ6、PQ5S1、PQ4S2 到PQ3S3，涂層水接觸角下降程度越來越大，說明隨著涂層中兩性離子磺酸甜菜堿含量增多，涂層親水性越強。涂層親水性增強，有利于水合層的形成，從而賦予涂層良好的抗蛋白吸附性能。

2.3 表面粗糙度

對制備的所有涂層進行了表面粗糙度測試，測試結果見表3。

表3 涂層樣品的表面粗糙度Tab.3 Surface roughness of coating samples

由表3 可知，PDMS 顯示出了最低的表面粗糙度。在聚硅氧烷材料中添加Q6 改性后，涂層表面粗糙度顯著增大，特別是PQ6，說明聚硅氧烷涂層中Q6的引入改變了涂層形貌，涂層出現(xiàn)了明顯的相分離。與PQ6 涂層相比，Q5S1、Q4S2 與Q3S3 改性后的PDMS 涂層粗糙度較小，僅為0.35～0.37 μm，推測這是Q5S1、Q4S2 與Q3S3 中存在著兩性離子，兩性離子的存在可增強QS 與PDMS 之間的作用力，QS 與PDMS 的相容性變好，共混涂層表面變光滑。將兩性離子聚合物摻入到聚己內酯、含氟聚合物基體中時，涂層表面粗糙度均有減小，這也在其他文獻中得到了驗證[10-13]。PQ5S1、PQ4S2與PQ3S3涂層表面較小的粗糙度對后續(xù)研究中涂層抗蛋白、細菌黏附性能會產(chǎn)生一定的影響。

2.4 抗蛋白吸附性能

據(jù)報道，當清潔表面浸泡在海水中時，海洋生物污損形成的第1階段是蛋白質等大分子吸附在表面形成基膜（1 min），隨后是細菌和藻類在表面黏附形成生物膜(1～24 h)，所以涂層優(yōu)異抗蛋白吸附性能對于防污至關重要。本研究中，采用BSA作為模型污染物來進行抗蛋白吸附實驗，并根據(jù)圖5 的BSA 標準吸附曲線計算得到各涂層表面BSA吸附，結果見表4。

圖5 BSA吸附標準曲線Fig 5 Standard curves of BSA adsorption

表4 涂層樣品的BSA蛋白吸附量Tab.4 BSA protein adsorption capacity of coating samples

據(jù)報道，1 個兩性離子在水環(huán)境中可以結合7～8個水分子[11]。由表4可知，PQ6涂層蛋白吸附量最高，原因是PQ6 涂層表面粗糙度較大，蛋白質容易吸附在其表面上。PQ5S1、PQ4S2與PQ3S3涂層的蛋白黏附效果均有所改善。并且，隨著涂層中兩性離子含量增加，涂層的BSA 吸附量減少。涂層表面的兩性離子可以結合水分子，形成水合層，從而有效抵抗蛋白吸附。此外，PQ5S1、PQ4S2 與PQ3S3 涂層表面粗糙度較小，也對蛋白質吸附起了一定的抵抗作用。PQ4S2 與PQ3S3 表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗蛋白吸附性能，吸附量很小。由此說明，QS 的引入可以提高聚硅氧烷材料的抗蛋白吸附能力。

2.5 抗細菌黏附性能

生物膜形成的第1階段通常是細菌吸附到基材表面，隨后合成一種不溶型胞外多糖把自身包裹，形成保護層，保護自身不被去除。隨著基材表面附著的細菌不斷繁殖，胞外多糖在基材表面不斷積累，生物膜開始形成。通常生物膜中的細菌都不是單個細菌細胞，而是牢固的菌落，生物膜一旦形成就很難去除。因此，抑制或減少細菌最初的黏附，是防止生物膜形成的關鍵[7]。具有抗蛋白吸附性能的材料表面同樣可以抵抗細菌黏附。

對所有涂層進行了抗細菌黏附測試。圖6為大腸桿菌在涂層表面的黏附情況。

圖6 涂層樣品的表面大腸桿菌黏附情況Fig 6 Adhesion of Escherichia coli on the surface of coating samples

由圖6可知，PDMS涂層與PQ6涂層上黏附了大量的細菌，并且出現(xiàn)了細菌聚集成簇的現(xiàn)象。PQ5S1、PQ4S2與PQ3S3涂層上細菌黏附情況有了明顯改善，細菌黏附數(shù)量減少且黏附的細菌較分散。并且隨著涂層中兩性離子含量增加，涂層抗細菌黏附效果越好，PQ3S3 表現(xiàn)出了最佳的抗細菌黏附效果。此外， PDMS、PQ5S1、PQ4S2 與PQ3S3 涂層表面較光滑，而PQ6 表面凹凸不平且出現(xiàn)了大量的孔洞，這些孔洞提供了更多的表面積，細菌可在這些孔洞內部黏附[14-16]。

圖6得到的涂層表面情況與粗糙度測試中得到的結果一致。涂層表面兩性離子可通過結合水形成水合層，水合層與光滑的表面共同對抗細菌黏附起作用。

2.6 抗菌性能

選擇大腸桿菌作為測試菌種，研究了各涂層的抗菌性能。以PDMS 對照涂層為對照，計算出其他涂層的抗菌率。圖7為涂層抗大腸桿菌測試平板計數(shù)，表5為抗菌率。

圖7 涂層樣品的抗大腸桿菌測試平板計數(shù)Fig 7 Anti-Escherichia coli test plate count of coating samples

表5 涂層樣品的抗菌率Tab 5 Antibacterial rate of coating samples

由圖7可知，抗菌測試中，PDMS涂層對應的LB培養(yǎng)板上出現(xiàn)了大量的大腸桿菌菌落，相對于PDMS，其他涂層對應的LB培養(yǎng)板上菌落均有減少。

由表5可知，結合抗細菌黏附結果可知，PQ6涂層表面黏附了大量細菌，但抗菌率仍可達45.90%，說明該涂層表面的季銨鹽基團可在細菌接觸涂層時將細菌殺滅，并且被殺滅的細菌依舊黏附在了涂層表面，容易進一步引發(fā)污染。其他涂層抗菌率均高于PQ6，說明季銨鹽抗菌與磺酸甜菜堿兩性離子抗細菌黏附協(xié)同作用，賦予了涂層更優(yōu)異的抗菌性能，并且光滑的表面也間接削弱了細菌在涂層表面的附著。PQ5S1 涂層的抗菌率最高，但抗細菌黏附效果不如PQ4S2與PQ3S3。

以上結果說明QS改性后的聚硅氧烷涂層具有優(yōu)異的抗菌性能，有望應用于生物醫(yī)療等相關領域。

3 結 論

通過自由基調聚反應和丙磺酸內酯開環(huán)反應成功合成了含季銨鹽基團與磺酸甜菜堿兩性離子的聚合物QS，利用QS對雙羥基聚硅氧烷進行改性制備了可實現(xiàn)季銨鹽抗菌和兩性離子抗污損黏附協(xié)同作用防污的聚硅氧烷涂層QS。QS涂層表面粗糙度僅為0.35～0.37 μm。PQS 涂層表現(xiàn)出了良好的抗黏附性能，涂層表面的BSA 吸附量僅為9.63～19.38 μg/cm2，與 未 改 性 的PDMS 涂 層 相比，細菌黏附量減少。所有QS涂層對大腸桿菌的抗菌率可達60.66%以上。

綜合來看，當QS中季銨鹽鏈段與兩性離子摩爾比為1/1 時，涂層（PQ3S3）表現(xiàn)出了最佳的防污效果。該涂層在微生物試驗中表現(xiàn)出了良好的抗生物黏附性能和抗菌性能，有望應用于海洋防污領域。