【前沿背景】
大多數接觸活性物質在水中的溶脹度不高。但是，許多生物材料應用都需要使用水凝膠。後者具有獨特的特質，例如減震，低滑動分數和對刺激敏感的腫脹/溶脹，因此在醫學等多個領域都很重要，例如組織工程，衛生應用，人造軟骨，軟骨再生，植入進入皮下組織，角膜修復材料，傷口和手術密封劑，藥物遞送庫，傷口護理材料，人造肌肉和組織修復。在Ng等人(DOI: 10.1016/j.addr.2014.10.028)和Malmsten (DOI: 10.1039/c1sm05809f)的評論中討論了抗微生物活性水凝膠的重要性。
已知殺死其表面上的微生物的水凝膠的幾個例子。Liu等人(DOI: 10.1002/adma.201202225)發表了一種原位形成的抗菌和防汙水凝膠，該凝膠可以應用在植入物（如導管）上作為塗層，由含有季銨基團的聚碳酸酯和聚乙二醇製成，該塗層在14天內有效，並且沒有抑制作用瓊脂平板測定中的區域。Salick等人(DOI: 10.1002/adma.200900189)設計了β-髮夾肽水凝膠。可以抑制清潔表面上的潛在感染，也可以將其運送到受感染的位置，在此處細菌細胞可以被殺死。Giano等人(DOI: 10.1038/ncomms5095)通過混合聚葡聚糖醛和支鏈聚乙烯亞胺溶液，報導了一種固有的，可注射器注射的，生物相容性的抗菌水凝膠。這種用於傷口填充的粘合劑可節省人類紅細胞並殺死革蘭氏陽性和革蘭氏陰性細菌。在所有情況下，抗菌基團都是凝膠功能結構的一部分，並定義了其特性。
【科研摘要】
早前，多特蒙德工業大學Joerg C. Tiller教授團隊通過反式1,4-二溴-2-丁烯與N，N，N'，N'-四甲基-1,3-丙二胺的加聚反應得到的血液相容性抗菌3,4-en-紫羅烯（PBI）通過它的溴端基使用三（2-氨基乙基）胺（TREN）形成快速膨脹的抗菌超吸水劑。相關論文Cross-Linking of a Hydrophilic, Antimicrobial Polycation toward a Fast-Swelling, Antimicrobial Superabsorber and Interpenetrating Hydrogel Networks with Long Lasting Antimicrobial Properties發表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。這種超級吸水劑在60 s內承擔了其重量的30倍，而粒狀材料承擔了其重量的96倍，形成了水凝膠。它完全可以防止金黃色葡萄球菌的生長。用丙烯酸2-羥乙酯和二甲基丙烯酸甘油酯溶脹PBI網絡，然後光聚合以形成互穿的水凝膠（IPH），PBI含量在2.0至7.8重量％的範圍內變化。其中一種負責材料性能的聚合物網孔，另一種負責抗菌性能的聚合物網孔。通過原子力顯微鏡和透射電子顯微鏡確認了IPH的納米相結構。即使在最低的PBI濃度下，醫院內的金黃色葡萄球菌，大腸桿菌和銅綠假單胞菌的細菌細胞也會被殺死。洗滌水凝膠長達4周後，抗菌活性得以保留。使用一種新的定量檢測溶液中PBI的方法，IPH會顯示出PBI的少量浸出，遠低於其抗菌活性濃度。該浸出不足以形成抑制區並殺死IPH周圍的細菌細胞。
這項工作的目的是製備具有最小含量的抗菌功能和可調節性能的接觸活性持久的抗菌水凝膠。實現這一目標的概念是製備互穿性水凝膠（IPH），該互穿性水凝膠由血液相容性，親水性抗菌聚陽離子PBI的高度膨脹的聚合物網絡組成，並由基於水凝膠的聚合物網絡互穿，從而形成丙烯酸2-羥乙酯（HEA）（示意圖1）。
示意圖1.抗菌IPH的製備
首先，通過交聯先前報導的聚合物PBI製備聚合物網絡。通過用各種雙鍵（例如苯乙烯，丙烯酸酯和肉桂酸酯）修飾聚合物，然後進行紫外線輻射，可以實現紫羅烯的交聯。在該項工作中，決定對端基進行化學交聯，以實現最大程度的溶脹度，這是獲得最大可能吸水量所必需的。為此，通過反式1,4-二溴-2-丁烯（DBB）和N，N，N'，N'-四甲基-1,3-丙二胺（TMPDA）的加聚反應製備了三種不同的聚合物，隨後 最後一步用DBB處理，以確保聚合物所有末端的溴基團。使用1 H NMR，光散射（LS）和尺寸排阻色譜（SEC）對聚合物進行表徵，以確定分子量，分子量分布和端基修飾（表1）。
根據這些數據，所有聚合物均顯示出加聚反應典型的分子量分布。 通過1 H NMR和SEC確定的Mn值的比較表明，後者值較高，因為1 H NMR僅能高估分子量，原因是它涉及到溴端基。此外，所用的用於校正SEC的支鏈澱粉標準品與色譜柱材料的相互作用可能較少，這將導致分子量被高估。1H NMR和LS分子量值更接近，表明大多數PBI端基確實被溴基修飾。因此，所有合成的PBI應該是可交聯的。然後使聚合物與三（2-氨基乙基）胺（TREN）以不同的NH2/溴端基摩爾比反應（參見表S1）。
表S1.同製備的PBIN的詳細組成及其計算的三種不同PBI的NH2 /溴（Br）端基的摩爾比。在所有情況下，使用的PBI儲備液的體積（40 wt％，ρ= 1.12 g/mL）均為500 L。為了交聯，對於PBI5700和PBI7000使用5重量％的TREN溶液（ρ＝0.98g/mL），對於PBI3100使用10重量％的TREN溶液（δ＝0.98g/mL）。
理想情況下，當以1：1的NH2/溴比例添加交聯劑TREN時，其效果最好，因為所有端基都可以反應。然後，這將導致水中最低的溶脹度（S）。如圖1所示，S隨PBI分子量的增加而增加。1：1的比例沒有達到最小的溶脹，但是NH2基團過多。
圖1. TBI交聯的PBI3100，PBI5700和PBI7000的PBI網絡在雙蒸餾水中的溶脹度（S）對NH2 /溴（Br）端基摩爾比的依賴性。網絡在室溫下膨脹2小時。
交聯實驗還表明，NH2/溴的比率和PBI分子量的變化可用於控制溶脹度在20到170之間。這些網絡作為快速溶脹，抗菌劑非常有趣超級吸水劑。為了進一步探索這種潛力，在交聯的PBI5700的實例上研究了切片PBIN以及通過切割乾燥網絡製備的顆粒狀材料的吸水率。如圖2a所示，在室溫下僅需一分鐘即可完全吸收30倍於PBIN重量的水滴（NH2/溴端基的摩爾比為1.50）。在同一時間段內，PBIN顆粒（NH2/溴端基的摩爾比為1.74）佔其重量的48倍，形成水凝膠（圖2b）。這種凝膠仍可以在兩分鐘內吸收相同量的水。PBIN在水中快速溶脹的原因可能是高電荷PBI的強親水性，這導致了理想的聚合物與水的相互作用。
圖2.a）和b）PBIN膜（NH2/溴端基的摩爾比為1.50）（a）和粒狀PBIN（NH2/溴端基的摩爾比為1.74）（b）在水裡的快速溶脹照片。c）裝有4 mL生長培養基的15 mL獵鷹管的照片：（左）接種2.5×104S。金黃色葡萄球菌細胞/ mL並在37°C下孵育過夜，（中）在不添加細菌細胞的情況下在37°C孵育過夜，（右）6 mg PBIN（NH2/溴比1.50，用水洗滌五次）用10處理 將μL金黃色葡萄球菌在生長培養基中的懸浮液（107細胞/mL）放置10分鐘，添加到生長培養基中，並在37°C下孵育過夜。這些照片是在37°C孵育16小時並用TTC染色後拍攝的。
另外，聚合物網絡阻止了醫院內細菌金黃色葡萄球菌（金黃色葡萄球菌）的生長。 通過用金黃色葡萄球菌懸浮液處理PBIN 10分鐘並將此水凝膠在細菌生長培養基中於37°C孵育過夜，可以證明這一點。在這段時間之後，沒有觀察到細菌生長（圖2c）。
選擇分別使用1.74（PBIN1.74）和1.50（PBIN1.50）的摩爾比製備的PBI5700網絡用於以下所有實驗。通過在HEA（49 wt％），交聯劑（0.5 wt％），光引發劑（0.45 wt％）和水的混合物中將相應的PBIN溶脹過夜，將互溶的PBIN進行合成，從而完成互穿水凝膠（IPH）的合成並用紫外線輻射。在用紫外線輻射之前，終止每個PBI網絡的溶脹度（S）。由於混合物的複雜性，溶脹程度顯示出比水中更大的變化。確定所有準備好的PBIN1.74（1）（S = 57-100）和PBIN1.50（1）（S = 25-36）的溶脹度。基於個體的溶脹度，計算最終乾燥網絡中的PBI含量。所得互穿水凝膠分別命名為IPH1.50（1）和IPH1.74（1）。計算出IPH1.74（1）的PBI含量在2.0-3.5 wt％的範圍內，而IPH1.50（1）的PBI含量在5.5-7.8 wt％的範圍內。
產品是透明，有彈性和水溶脹性的材料。這表明兩個網絡（PHEA和IPH）在微米級別上沒有相位分離。為了除去所有副產物，在進一步分析之前，將IPH在蒸餾水中洗滌7天，因為無法部分破壞PBI起始網絡，而無法對其進行洗滌。發現凝膠含量為86-88％，表明有效的交聯。在IPH1.50（1）的示例中，通過掃描電子顯微鏡（SEM）結合能量色散X射線（EDX），透射電子顯微鏡（TEM）和原子力顯微鏡（AFM）研究了所得材料的結構。其中應包含從起始原料計算得出的7.8 wt％PBI（圖3）。如圖3a所示，與PBI結合的溴作為季銨鹽功能的抗衡離子很好地分布在基質中。IPH截面的TEM和AFM顯示出這種網絡典型的獨特納米結構。AFM中的暗相歸因於PBI。分離後一相併將其包埋在該組合物典型的滲透PHEA相中（8/92 wt/wt）。PBI相的大小約為3.6 nm。兩種方法均未觀察到較大的相分離。
圖3. a–c）在37°C下清洗7天後的IPH1.50（1）的掃描電子顯微鏡（SEM），透射電子顯微鏡（TEM），原子力顯微鏡（AFM，c）圖像 在水裡。a）插入的方框標出了一個典型區域，在該區域中累積了通過SEM-EDX分析標準元素的計數。d）該表顯示了在水中洗滌7天後通過SEM-EDX測定的IPH1.50（1）和IPH1.74（1）中的溴含量以及從這些值計算得出的IPH中相應的PBI含量。e）分別處於乾燥狀態的典型PHEA（1），IPH1.50（1）和IPH1.74 /（1）網絡的照片。
製備了一系列在PHEA相中具有不同交聯劑含量的系列，以研究網絡水溶脹的可控性。如圖4所示，IPH的可溶脹性受PHEA相中交聯劑的量控制。PBI含量較低的IPH1.74網絡與相應的交聯PHEA膨脹程度相同。與PHEA網絡相比，IPH1.50中較高的PBI含量導致較高的溶脹，表明PBI相開始在該含量下影響水凝膠的性能。但是，對於IPH，未發現PBIN的高溶脹速率，而IPH需要24小時才能達到平衡溶脹。
圖4.經過PHEA，IPH1.50和IPH1.74網絡（分別為1 wt％（灰色），3 wt％（灰色）或5 wt％（白色））的PHEA，IPH1.50和IPH1.74網絡72小時後，在雙蒸水中的溶脹度 相對於HEA的使用量，GDMA作為交聯劑。
通過使細菌細胞與PBS緩衝液中的表面接觸3小時來測試水凝膠的抗菌性能。然後通過超聲去除粘附的細胞，並在瓊脂平板上計數菌落形成單位（CFU）。將發現的CFU數量等於存活細菌細胞的數量，與在沒有PBI的相應PHEA水凝膠上發現的CFU數量進行比較。結果顯示兩種IPH的金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的log 5減少（見圖5a）。如圖5b所示，已生長的細菌菌落到達水凝膠表面，但不在水凝膠上生長，即存在沒有可見的抑制區，表明抑菌劑有毒濃度的浸出。另外，將水凝膠IPH1.50（1）在生長培養基中孵育3小時，其量用於在37°C下測試抗菌活性（50 mg水凝膠/1 mL生長培養基）。
圖5.a）孵育後，經過水洗的網絡IPH1.74（1）（在37°C時為12天）和IPH1.50（1）（在37°C時為27天）表面的細菌細胞減少 在PBS中3小時的時間。b）將金黃色葡萄球菌菌落噴灑在帶有嵌入式IPH1.50（1）網絡的瓊脂平板上（用水洗滌7天），在37°C孵育過夜並用TTC染色後形成的圖像。
參考文獻：
doi.org/10.1021/acsami.7b10049
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