本發(fā)明屬于新型抗菌劑技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超支化聚乙烯亞胺抗菌劑及其制備方法。
背景技術(shù)：
隨著人們生活水平的提高、安全健康意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)無(wú)毒、環(huán)保、安全衛(wèi)生的抗菌防霉材料和產(chǎn)品的追求也更加迫切。目前，用于抑菌和消滅有害微生物的殺菌劑大多為有機(jī)抗菌劑（季銨鹽類(lèi)、吡啶類(lèi)、胍鹽類(lèi)、鹵代烷類(lèi)等）、天然高分子（殼聚糖及其衍生物）和無(wú)機(jī)抗菌劑（銀系抗菌劑等）。
在產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用中，主要通過(guò)投加小分子殺菌劑抑制異養(yǎng)菌的繁殖生長(zhǎng)，此類(lèi)殺菌劑存在易揮發(fā)、化學(xué)穩(wěn)定性差、毒性和刺激性較大、易起泡等缺點(diǎn)，且在存在大分子陰離子化合物時(shí)其抗菌活性顯著降低。同時(shí)，一些廣泛應(yīng)用的氧化性殺菌劑如Cl2、ClO2等可與環(huán)境中的有機(jī)物反應(yīng)生成氯代烴類(lèi)致癌物，三氯甲烷就是典型的一種毒性副產(chǎn)物，而用臭氧處理后又會(huì)產(chǎn)生醛類(lèi)及溴酸鹽等有毒副產(chǎn)物，使用含銀消毒劑使人體長(zhǎng)期攝入超量銀鹽(1～30g)則可形成銀沉著，使皮膚、眼睛呈黑色。
近年來(lái)，人們已逐漸把目光轉(zhuǎn)向高分子季銨鹽類(lèi)殺菌。Lewis等以烷基化吡啶鹽為抗菌成分合成了高分子季銨鹽殺菌劑聚合物，其對(duì)大腸桿菌、枯草桿菌的殺菌率都在 99%以上；曹承進(jìn)等研制了一種表面接枝的高分子聚季銨鹽型殺菌劑，對(duì)大腸菌、金黃色葡萄球菌及霉菌具有良好的殺菌效果。高分子抗菌劑是在大分子鏈上鍵合有抗菌基團(tuán)(或鍵合有可水解產(chǎn)生抗菌劑的基團(tuán))的聚合物，由于抗菌基團(tuán)濃集在大分子鏈上，菌體通過(guò)強(qiáng)烈的靜電相互作用吸附于抗菌劑表面后，抗菌基團(tuán)進(jìn)一步穿透細(xì)胞壁，破壞細(xì)菌的細(xì)胞內(nèi)膜，使細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)外滲，導(dǎo)致細(xì)菌死亡，從而使高分子抗菌劑具有很強(qiáng)的抗菌能力。尤其是聚陽(yáng)離子抗菌劑(聚季銨鹽或聚季磷鹽)，大分子鏈上高度的正電荷密度與良好的可接近性(親水性)，使其具有優(yōu)良的抗菌活性，全球范圍內(nèi)對(duì)傳染疾病的密切關(guān)注極大地促進(jìn)了高分子抗菌劑的研究與發(fā)展。因此高分子抗菌劑的合成和應(yīng)用正成為當(dāng)今研究和開(kāi)發(fā)的一個(gè)熱點(diǎn)。
現(xiàn)有技術(shù)中，有文獻(xiàn)表明（江山，王立，俞豪杰等.新型有機(jī)高分子抗菌劑[J].高分子通報(bào)），結(jié)構(gòu)中帶長(zhǎng)烷基的高分子季銨鹽類(lèi)殺菌劑的殺菌性能很強(qiáng)，能克服小分子季銨鹽類(lèi)殺菌劑的不足。在中國(guó)專利CN103554491 中公開(kāi)了一種聚乙烯亞胺抗菌功能化聚合物及其制備方法與應(yīng)用，其中該專利是將胍類(lèi)物質(zhì)與聚乙烯亞胺混合反應(yīng)，該聚合物優(yōu)點(diǎn)是殺菌效率高、摻量較低，但存在容易吸附損失，成本較高，且應(yīng)用受限等問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)的不足，提供一種聚乙烯亞胺抗菌劑及其制備方法，其特征在于包括以下步驟：
1. 一種聚乙烯亞胺抗菌劑及其制備方法，其特征在于，所述的聚乙烯亞胺為支化結(jié)構(gòu)，分子量在1萬(wàn)~10萬(wàn)，其中還有大量二級(jí)胺結(jié)構(gòu)。
2. 一種聚乙烯亞胺抗菌劑及其制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟：
1) 配制一定濃度的聚乙烯亞胺溶液，然后緩慢滴加環(huán)氧化合物，維持低溫于攪拌下持續(xù)反應(yīng)一定時(shí)間，反應(yīng)結(jié)束后，將產(chǎn)物混合液升溫旋蒸，除去未反應(yīng)的環(huán)氧化合物，即得PEI叔胺化的產(chǎn)物溶液；
2) 將叔胺化產(chǎn)物溶液，加入一定量的季銨化試劑，恒溫?cái)嚢璺磻?yīng)一定時(shí)間，結(jié)束反應(yīng)后用乙醚萃取兩次，以除去殘留在水中微量的季銨化試劑，最后真空干燥4h~48h，即得聚乙烯亞胺抗菌劑。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟（1）中所述環(huán)氧化合物為環(huán)氧丙烷、環(huán)氧氯丙烷、水性雙酚環(huán)氧樹(shù)脂中的一種。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟（1）中低溫反應(yīng)溫度為-5℃~10℃，反應(yīng)時(shí)間為10h~48h，旋蒸溫度為20℃~60℃。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟（2）所述季銨化試劑為戊基氯、戊基溴、己基氯、己基溴、芐基氯中的一種。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟（2）中恒溫?cái)嚢铚囟葹?5℃~35℃，反應(yīng)時(shí)間為10h~48h，真空干燥溫度為35℃~95℃。
本發(fā)明的原理：帶正電的季銨化聚乙烯亞胺首先被吸附到菌體表面，穿透細(xì)胞壁，與細(xì)胞膜的類(lèi)脂層和蛋白質(zhì)層結(jié)合，阻礙細(xì)菌對(duì)外界的正常離子交換和物質(zhì)交換，并破壞控制細(xì)胞滲透作用的原生質(zhì)膜，使細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)外滲，致使細(xì)菌死亡。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）聚乙烯亞胺是一種水溶性聚胺，其分子鏈中擁有大量的胺基N原子，高支鏈分子中大約有1:2:1的伯、仲、叔胺基，其分子量在幾百到十萬(wàn)之間。結(jié)構(gòu)中的伯胺基和仲胺基均具有非常高的反應(yīng)活性，因此可在適當(dāng)條件下進(jìn)行多種化學(xué)改性；
（2）本發(fā)明通過(guò)叔胺化與季銨化兩步高分子反應(yīng)制備了季銨化的聚乙烯亞胺，從而提供了一種高效率、水溶性、環(huán)境友好型的新型抗菌劑；
（3）與其他高效殺菌劑相比(如高分子吡啶季銨鹽等)，季銨化的聚乙烯亞胺不僅具有更強(qiáng)的殺菌性能，而且原料價(jià)廉易得，應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中也可大大降低生產(chǎn)成本，開(kāi)發(fā)應(yīng)用極具有發(fā)展前景。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：
實(shí)施例一：
取2.3g聚乙烯亞胺溶液（分子量為7W，50%水溶液），然后緩慢滴加2g環(huán)氧丙烷，維持4℃于攪拌下持續(xù)反應(yīng)15h。反應(yīng)結(jié)束后，將產(chǎn)物混合液升溫到35℃旋蒸，除去未反應(yīng)的環(huán)氧丙烷，即得PEI叔胺化的產(chǎn)物溶液（TPEI）。將叔胺化產(chǎn)物溶液，加入30g氯化芐，50℃(油浴)攪拌反應(yīng)30h，結(jié)束反應(yīng)后用20ml乙醚萃取兩次，以除去殘留在水中氯化芐，最后80℃真空干燥12h，即得聚乙烯亞胺抗菌劑（QPEI）。反應(yīng)原理如下。
實(shí)施例二：
在250ml的三口瓶中移入5g聚乙烯亞胺溶液（分子量為5W，50%水溶液），再用滴液漏斗緩慢滴加3g水性雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂，維持10℃于攪拌下持續(xù)反應(yīng)12h。反應(yīng)結(jié)束后，將產(chǎn)物混合液升溫到50℃旋蒸，除去未反應(yīng)的雙酚A型環(huán)氧樹(shù)脂，即得PEI叔胺化的產(chǎn)物溶液（TPEI）。稱取3g氯己烷溶于30ml四氫呋喃中，將叔胺化產(chǎn)物溶液緩慢滴加到氯己烷溶液中，50℃(油浴)攪拌反應(yīng)12h，結(jié)束反應(yīng)后60℃旋蒸20分鐘，除去四氫呋喃，后用乙醚萃取，最后80℃真空干燥12h，即得聚乙烯亞胺抗菌劑（QPEI）。
使用硝酸銀滴定法測(cè)定季銨化度：準(zhǔn)確稱取 1g聚乙烯亞胺抗菌劑，置于 250mL錐形瓶中，加入 25mL去離子水與 1mL濃度為 5%的鉻酸鉀指示劑，在不斷搖動(dòng)下用 0.1N硝酸銀標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定，至溶液呈現(xiàn)磚紅色為終點(diǎn)，依據(jù)以下計(jì)算季銨化后使聚乙烯亞胺大分子鏈中叔胺N原子發(fā)生季銨化的百分?jǐn)?shù)，即季銨化度。
式中C2 (mol/L)為硝酸銀標(biāo)準(zhǔn)溶液的摩爾濃度，V2 (mL)為滴定中消耗的硝酸銀標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，G1(g)為季銨化反應(yīng)后秤取的產(chǎn)物試液(QPEI溶液)質(zhì)量，x2(mol/g)為每克產(chǎn)物試液中季銨氮的物質(zhì)的量；m(g)為季銨化反應(yīng)前原料溶液(TPEI溶液)質(zhì)量，m2(g) 為季銨化反應(yīng)后產(chǎn)物溶液(QPEI溶液)的總質(zhì)量x1(mol/g)為已測(cè)得的每克TPEI溶液中叔胺氮的物質(zhì)的量。
實(shí)施例三：
取5g聚乙烯亞胺溶液（分子量為2.5W，25%水溶液），然后緩慢滴加3g環(huán)氧丙烷，維持4℃于攪拌下持續(xù)反應(yīng)6h。反應(yīng)結(jié)束后，將產(chǎn)物混合液升溫到50℃旋蒸，除去未反應(yīng)的環(huán)氧丙烷，即得PEI叔胺化的產(chǎn)物溶液（TPEI）。稱取5g溴己烷溶于30ml水小紅，將叔胺化產(chǎn)物溶液緩慢滴加到溴己烷溶液中，80℃(油浴)攪拌反應(yīng)24h，結(jié)束反應(yīng)后用50ml乙醚萃取兩次最后80℃真空干燥12h，即得聚乙烯亞胺抗菌劑（QPEI）。
將上述水溶性的聚乙烯亞胺抗菌劑溶于水配制成1mg/ml的溶液進(jìn)行殺菌實(shí)驗(yàn)：
（1）取凍干菌種管，在無(wú)菌操作下打開(kāi)，以毛細(xì)吸管加入適量營(yíng)養(yǎng)肉湯，輕柔吹吸數(shù)次，使菌種融化分散。取菌種第3代～14代的營(yíng)養(yǎng)瓊脂培養(yǎng)基斜面新鮮培養(yǎng)物（18h～24h），用5.0ml吸管吸取3.0 ml～5.0ml稀釋液加入斜面試管內(nèi)，反復(fù)吹吸，洗下菌苔。隨后，用5.0ml吸管將洗液移至另一無(wú)菌試管中，在手掌上振敲80次，以使細(xì)菌懸浮均勻。測(cè)其含菌濃度，然后稀釋至1×108cfu/ml～5×108cfu/ml。
（2）取消毒試驗(yàn)用無(wú)菌大試管，先加入0.5ml試驗(yàn)用菌懸液，再加入0.5ml有機(jī)干擾物質(zhì)，混勻，置 20℃±1℃水浴中 5min后，用無(wú)菌吸管吸取上述濃度殺菌劑 4.0 ml 注入其中，迅速混勻并立即記時(shí)。
（3）待試驗(yàn)菌與消毒劑相互作用至各預(yù)定時(shí)間，分別吸取0.5ml試驗(yàn)菌與殺菌劑混合液加于 4.5ml 經(jīng)滅菌的中和劑中，混勻。
（4）各管試驗(yàn)菌與消毒劑混合液經(jīng)加中和劑作用 10min 后，分別吸取 1.0ml樣液，按活菌培養(yǎng)計(jì)數(shù)方法測(cè)定存活菌數(shù)，每管樣液接種 2 個(gè)平皿即可。如平板上生長(zhǎng)的菌落數(shù)較多時(shí)，可進(jìn)行系列10倍稀釋后，再進(jìn)行活菌培養(yǎng)計(jì)數(shù)。同時(shí)用稀釋液代替殺菌劑，進(jìn)行平行試驗(yàn)，作為陽(yáng)性對(duì)照。
（5）所有試驗(yàn)樣本均在 37℃溫箱中培養(yǎng)，對(duì)細(xì)菌繁殖體培養(yǎng)48h 觀察最終結(jié)果。
（6）試驗(yàn)重復(fù)3次，計(jì)算各組的活菌濃度（cfu/ml），并換算為對(duì)數(shù)值（N），然后按下式計(jì)算殺滅對(duì)數(shù)值：
殺滅對(duì)數(shù)值 (KL)＝對(duì)照組平均活菌濃度的對(duì)數(shù)值（No）－試驗(yàn)組活菌濃度對(duì)數(shù)值（Nx）
計(jì)算殺滅對(duì)數(shù)值時(shí)，取小數(shù)點(diǎn)后兩位值，可以進(jìn)行數(shù)字修約。如果消毒試驗(yàn)組消毒處理后平均生產(chǎn)菌落數(shù)，小于等于1時(shí)，其殺滅對(duì)數(shù)值，即大于等于試驗(yàn)前對(duì)照組平均活菌濃度的對(duì)數(shù)值。
結(jié)果見(jiàn)表1。
表1：抗菌劑對(duì)銅綠假單胞菌、白色念珠菌、金黃色葡萄球菌、大腸桿菌的殺菌實(shí)驗(yàn)結(jié)果