本發(fā)明屬于抗菌材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于聚4-乙烯基吡啶-丙烯酸酯類的兩性離子共聚物薄膜材料及其制備方法。

背景技術(shù)：

非特異性蛋白質(zhì)在材料表面的吸附一直以來都是科學界關(guān)注的問題，因為它與許多重要的科學和工業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)。一方面，在海洋涂料領(lǐng)域，船體表面接觸大量的細菌、藻類以及貝殼等海洋微生物、微生物的黏附不僅損耗了能量，更加速了船體的腐蝕，極大地減少了船體保養(yǎng)周期。另一方面，非特異性蛋白吸附會造成生物污染，比如血液在輸液導管上的凝結(jié)以及植入人體材料引起的血栓以及生物垢等問題。如何設計出一種抗生物黏附的涂料成為許多研究人員面臨的重大任務及挑戰(zhàn)。因此，對抗非特異性蛋白吸附材料的研究是生物醫(yī)用材料、生化分析檢測、生物化工、海洋防污等領(lǐng)域的重要課題。

目前，抗非特異性蛋白材料主要是以peg為代表。peg是一種中性的親水高分子，由重復的氧乙烯基(-ch2ch2o-)組成，由于分子本身獨特的結(jié)構(gòu)，能夠與水形成氫鍵，賦予peg鏈高度的親水性和良好的水溶性。圍繞peg鏈的氫鍵可以結(jié)合大量的水分子，同時分子鏈本身的高度流動以及具有很大的空間排斥力，防止了蛋白質(zhì)分子的吸附。但是peg本身也存在一些天熱缺陷，比如peg的蛋白不吸附性對分子排列有一定要求，過于緊密或分子量太大都會失去效果。更為重要的是，peg在氧氣和過渡金屬離子存在的條件下會自然氧化，從而限制了其應用。

目前基于側(cè)鏈含有酯鍵或者酰胺鍵的兩性離子聚合物已成為普遍的一類新型的抗菌防污材料，與同類聚合物peg有所不同，peg是通過氫鍵與水分子結(jié)合，該兩性離子聚合物則是通過離子溶劑化作用與水分子結(jié)合，在材料表層形成致密的水合層，賦予材料抗蛋白質(zhì)非特異性吸附性能。兩性離子聚合物種類繁多，并且有更大的分子設計空間。在工程領(lǐng)域，兩性離子因其具有更好的抗菌防污和抗細胞粘附特性足以取代peg。但是，兩性離子聚合物存在力學性能差，吸水性強，其均聚物不宜直接使用等問題。另一方面，由于兩性離子聚合物側(cè)鏈含有酯鍵或者酰胺鍵等不穩(wěn)定基團，極易得造成其發(fā)生水解，使得功能性基團發(fā)生剝離，從而使得其失去兩性離子聚合物的優(yōu)異屬性。上述存在的問題，很大程度上限制了其在涂層和抗菌膜領(lǐng)域的應用。本領(lǐng)域技術(shù)人員仍需致力于開發(fā)新的具有較佳的抗菌、抗污性能和力學性能且不易水解的兩性離子聚合物，以期應用于涂層和抗菌膜領(lǐng)域。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種具有較佳的抗菌、抗污性能和力學性能且不易降解的兩性離子共聚物薄膜材料，其為聚4-乙烯基吡啶-丙烯酸酯共聚物經(jīng)離子化試劑進行季胺化修飾后的產(chǎn)物，所述的聚4-乙烯基吡啶-丙烯酸酯共聚物為由摩爾比為1:9～6:4的式ⅰ表示的結(jié)構(gòu)單元和式ⅱ表示的結(jié)構(gòu)單元無規(guī)則排列的分子量為50000～200000的共聚物，

式中r1為氫或甲基；

r2為選自c1～c12烷基和c1～c12烷基氨基取代的c1～c12烷基中的一種或多種，具體的，r2優(yōu)選自甲基、乙基、丙基、正丁基、異丁基、十二烷基和二甲氨基乙基中的一種或多種，更優(yōu)選甲基、乙基或二甲氨基乙基。

所述的兩性離子共聚物薄膜材料可由以下步驟制得：

(a)由單體4-乙烯基吡啶和單體丙烯酸酯通過自由基溶液聚合的方式聚合后分離得到聚4-乙烯基吡啶-丙烯酸酯共聚物，4-乙烯基吡啶和丙烯酸酯的摩爾比為1:9～6:4；

(b)由步驟(a)得到的聚4-乙烯基吡啶-丙烯酸酯共聚物與離子化試劑在乙醇中反應后分離得到兩性離子共聚物薄膜材料，所述的離子化試劑為丙磺內(nèi)酯或溴乙酰水楊酸酯，聚4-乙烯基吡啶-丙烯酸酯共聚物中的吡啶官能團與離子化試劑的摩爾比為1:9～6:4。

步驟(a)中，所述的丙烯酸酯為丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸二甲氨乙酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸異丁酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸月桂酯、甲基丙烯酸烷基酯中的一種或它們的組合，優(yōu)選丙烯酸乙酯或甲基丙烯酸二甲氨乙酯；4-乙烯基吡啶和丙烯酸酯的摩爾比優(yōu)選1:9～5:5，更優(yōu)選2:8～5:5；

較佳的，聚合反應在無水無氧條件下進行，溶劑為乙醇，引發(fā)劑為偶氮二異丁腈，反應溫度為60～80℃，反應時間為12～48h。

步驟(b)中，聚4-乙烯基吡啶-丙烯酸酯共聚物中的吡啶官能團與離子化試劑的摩爾比優(yōu)選1:1；

較佳的，離子化反應溫度為60～65℃，反應時間為12～36h。

本發(fā)明的另一目的在于提供所述的兩性離子共聚物薄膜材料的制備方法，包括步驟：

(a)聚4-乙烯基吡啶-丙烯酸酯共聚物的制備

由單體4-乙烯基吡啶和單體丙烯酸酯通過自由基溶液聚合的方式聚合后分離得到聚4-乙烯基吡啶-丙烯酸酯共聚物，所述的丙烯酸酯為丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸二甲氨乙酯、丙烯酸甲酯、丙烯酸正丁酯、丙烯酸異丁酯、甲基丙烯酸正丁酯、甲基丙烯酸月桂酯、甲基丙烯酸烷基酯中的一種或它們的組合，4-乙烯基吡啶和丙烯酸酯的摩爾比為1:9～6:4；

(b)聚4-乙烯基吡啶-丙烯酸酯共聚物的離子化修飾

由步驟(a)制得的聚4-乙烯基吡啶-丙烯酸酯共聚物與離子化試劑在乙醇中反應后分離得到兩性離子共聚物薄膜材料，所述的離子化試劑為丙磺內(nèi)酯或溴乙酰水楊酸酯，聚4-乙烯基吡啶-丙烯酸酯共聚物中的吡啶官能團與離子化試劑的摩爾比為1:9～6:4。

優(yōu)選的，步驟(a)中，所述的丙烯酸酯為丙烯酸乙酯或甲基丙烯酸二甲氨乙酯；聚合反應在無水無氧條件下進行，溶劑為乙醇，引發(fā)劑為偶氮二異丁腈，引發(fā)劑質(zhì)量為單體總投料質(zhì)量的0.01％～0.2％，反應溫度為60～80℃，反應時間為12～48h。

優(yōu)選的，步驟(b)中，所述的離子化試劑為丙磺內(nèi)酯或溴乙酰水楊酸酯；離子化反應溫度為60～65℃，反應時間為12～36h。

本發(fā)明的制備方法的一些較佳實施例中，

步驟(a)具體為：在無水無氧條件下，向摩爾比為1:9～4:6的4-乙烯基吡啶和丙烯酸乙酯的乙醇溶液中，加入偶氮二異丁腈的乙醇溶液，于60～80℃反應12～36h，然后加入乙醚和/或正己烷產(chǎn)生沉淀，沉淀物經(jīng)分離干燥得到聚4-乙烯基吡啶-丙烯酸乙酯共聚物；其中乙醇質(zhì)量與4-乙烯基吡啶和丙烯酸乙酯質(zhì)量之和的比為20～30:1優(yōu)選25:1，偶氮二異丁腈的質(zhì)量為4-乙烯基吡啶和丙烯酸乙酯質(zhì)量之和的0.01％～0.1％；

步驟(b)具體為：向步驟(a)制得的聚4-乙烯基吡啶-丙烯酸乙酯共聚物的乙醇溶液中滴加丙磺內(nèi)酯或溴乙酰水楊酸酯的乙醇溶液，于60～65℃反應12～36h，反應后的溶液滴到乙醚和/或正己烷中產(chǎn)生沉淀，沉淀經(jīng)分離干燥得到兩性離子共聚物薄膜材料；其中乙醇質(zhì)量與聚4-乙烯基吡啶-丙烯酸乙酯共聚物質(zhì)量的比為20～30:1優(yōu)選25:1。

本發(fā)明的制備方法的另一些較佳實施例中，

步驟(a)具體為：在無水無氧條件下，向摩爾比為2:8～5:5的4-乙烯基吡啶和甲基丙烯酸二甲氨乙酯的乙醇溶液中，加入偶氮二異丁腈的乙醇溶液，于60～80℃反應24～48h，然后加入乙醚和/或正己烷產(chǎn)生沉淀，沉淀物經(jīng)分離干燥得到聚4-乙烯基吡啶-甲基丙烯酸二甲氨乙酯共聚物；其中乙醇質(zhì)量與4-乙烯基吡啶和甲基丙烯酸二甲氨乙酯質(zhì)量之和的比為5～15:1優(yōu)選8:1，偶氮二異丁腈的質(zhì)量為4-乙烯基吡啶和甲基丙烯酸二甲氨乙酯質(zhì)量之和的0.01％～0.2％；

步驟(b)具體為：向步驟(a)制得的聚4-乙烯基吡啶-甲基丙烯酸二甲氨乙酯共聚物的乙醇溶液中滴加丙磺內(nèi)酯或溴乙酰水楊酸酯的乙醇溶液，于60～65℃反應12～36h，反應后的溶液滴到乙醚和/或正己烷中產(chǎn)生沉淀，沉淀經(jīng)分離干燥得到兩性離子共聚物薄膜材料，其中乙醇質(zhì)量與聚4-乙烯基吡啶-甲基丙烯酸二甲氨乙酯共聚物質(zhì)量的比為20～30:1優(yōu)選25:1。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果如下：

本發(fā)明在制備基于聚4-乙烯基吡啶-丙烯酸酯的兩性離子共聚物薄膜材料時，一方面，引入丙烯酸酯類作為共聚物單體，用于改善聚合物的成膜性能、力學性能、機械性能、耐水性能；另一方面，引入4-乙烯基吡啶作為共聚物單體，其不含有酯鍵或者酰胺鍵，與丙烯酸酯聚合后通過丙磺內(nèi)酯或溴乙酰水楊酸酯修飾可形成不易降解的兩性離子聚合物共聚物功能薄膜。該薄膜具有優(yōu)異的抗菌、抗污性能，而且穩(wěn)定性高，不易降解，可大大延長使用周期，作為新型抗菌防污材料，在生物、環(huán)保、化學工業(yè)等領(lǐng)域具有良好的應用前景。

附圖說明

圖1為p4vp-co-ea，p4vp/sa-co-ea和p4vp/so3^--co-ea的紅外譜圖；

圖2為p4vp-co-dmaema和p4vp/so3^--co-dmaema/so3^-的紅外譜圖；

圖3為p4vp-co-ea、p4vp-co-dmaema、p4vp/so3^--co-dmaema/so3^-、p4vp/so3^--co-ea和p4vp/sa-co-ea的應力應變曲線；

圖4為p4vp-co-ea、p4vp-co-dmaema、p4vp/so3^--co-dmaema/so3^-、p4vp/so3^--co-ea和p4vp/sa-co-ea的熱失重曲線；

圖5為p4vp/sa-co-ea(a)，p4vp/so3^--co-ea(b)，空白樣品(c)和p4vp/so3^--co-dmaema/so3^-(d)的抗大腸桿菌效果照片；

圖6為空白樣品(a)，p4vp/so3^--co-ea(b)，p4vp/sa-co-ea(c)和p4vp/so3^--co-dmaema/so3^-(d)抗大腸桿菌黏附效果的顯微鏡照片。

具體實施方式

以下結(jié)合具體實施例，對本發(fā)明作進一步說明。應理解，以下實施例僅用于說明本發(fā)明而非用于限定本發(fā)明的范圍。

實施例1a1～1d1和1a2～1d2

(1)聚4-乙烯基吡啶-丙烯酸乙酯共聚物(p4vp-co-ea)的制備

分別按照表1-1所示實施例1a1～1d1和1a2～1d2的投料量和反應參數(shù)，在無水無氧條件下，向4-乙烯基吡啶(4vp)和丙烯酸乙酯(ea)的乙醇溶液(25ml)中，加入偶氮二異丁腈(aibn)的乙醇溶液(10ml)，于t1溫度下反應，反應時間為t1，然后加入乙醚進行沉淀并形成絮狀物，過濾得到絮狀物；然后將過濾得到的絮狀物再用乙醇溶解，加入乙醚使其析出再過濾，如此重復操作2～4次，于20～30℃真空干燥得到聚4-乙烯基吡啶-丙烯酸乙酯共聚物，共聚物中兩種單體單元的摩爾比如表1-1所示。

表1-1實施例1a1～1d1和1a2～1d2聚合反應的投料量及反應參數(shù)

(2)基于聚4-乙烯基吡啶-丙烯酸乙酯共聚物的磺酸型薄膜材料(p4vp/so3^--co-ea)的制備

分別按照表1-2所示實施例1a1～1d1的投料量和反應參數(shù)，將步驟(1)制備的聚4-乙烯基吡啶-丙烯酸乙酯共聚物溶于乙醇(30ml)中得到共聚物溶液，將丙磺內(nèi)酯的乙醇溶液(10ml)逐滴加到共聚物溶液中，控制反應溫度為t2，反應時間為t2。將反應后的溶液滴到乙醚中，逐漸生成沉淀并形成絮狀物，過濾得到絮狀物；然后將過濾得到的絮狀物再用乙醇溶解，加入乙醚使其析出再過濾，如此重復操作2～4次，于20～30℃真空干燥得到基于聚4-乙烯基吡啶-丙烯酸乙酯共聚物的磺酸型薄膜材料。

表1-2實施例1～4離子化反應的投料量及反應參數(shù)

(3)基于聚4-乙烯基吡啶-丙烯酸乙酯共聚物的羧酸型薄膜材料(p4vp/sa-co-ea)的制備

分別按照表1-3所示實施例1a2～1d2的投料量和反應參數(shù)，將步驟(1)制備的聚4-乙烯基吡啶-丙烯酸乙酯共聚物溶于乙醇(25ml)中得到共聚物溶液，將溴乙酰水楊酸酯的乙醇溶液(10ml)逐滴加到共聚物溶液中，控制反應溫度為t2，反應時間為t2。將反應后的溶液滴到乙醚中，逐漸生成沉淀并形成絮狀物，過濾得到絮狀物；然后將過濾得到的絮狀物再用乙醇溶解，加入乙醚使其析出再過濾，如此重復操作2～4次，于20～30℃真空干燥得到基于聚4-乙烯基吡啶-丙烯酸乙酯共聚物的磺酸型薄膜材料。

表1-3實施例1a2～1d2離子化反應的投料量及反應參數(shù)

p4vp-co-ea、p4vp/so3^--co-ea和p4vp/sa-co-ea的紅外譜圖如圖1所示，p4vp-co-ea上的吡啶環(huán)在1598cm^-1很強烈的吸收峰，且在1730cm^-1出現(xiàn)了丙烯酸乙酯結(jié)構(gòu)單元的酯鍵c＝o吸收峰。隨著吡啶環(huán)在丙磺內(nèi)酯或溴乙酰水楊酸酯發(fā)生如下所示的季胺化反應以后，p4vp/so3^--co-ea和p4vp/sa-co-ea中的吡啶環(huán)吸收峰1598cm^-1徹底消失，隨之c-n⁺吡啶鹽吸收峰開始出現(xiàn)在1643cm^-1。

實施例2a～2d

(1)聚4-乙烯基吡啶-甲基丙烯酸二甲氨乙酯共聚物(p4vp-co-dmaema)的制備

分別按照表2-1所示實施例2a～2d的投料量和反應參數(shù)，在無水無氧條件下，向4-乙烯基吡啶和甲基丙烯酸二甲氨乙酯的乙醇溶液(30ml)中，加入偶氮二異丁腈的乙醇溶液(10ml)，于65℃條件下反應48h得到粘稠的微黃色透明液體。然后加入正己烷進行沉降，過濾得到白色固體，于20真空干燥得到聚4-乙烯基吡啶-甲基丙烯酸二甲氨乙酯共聚物。

表2-1實施例2a～2d聚合反應的投料量及反應參數(shù)

(2)基于聚4-乙烯基吡啶-甲基丙烯酸二甲氨乙酯共聚物磺酸型膜材料(p4vp/so3^--co-dmaema/so3^-)的制備

將步驟(1)制備的聚4-乙烯基吡啶-甲基丙烯酸二甲氨乙酯共聚物溶于乙醇中得到共聚物溶液，將丙磺內(nèi)酯的乙醇溶液逐滴加到共聚物溶液中，于60℃反應12h。實施例2a～2d分別控制丙磺內(nèi)酯摩爾量占總單體摩爾量的20％、30％、40％、50％，可生成不同電荷修飾度的共聚物。將反應后的溶液滴到乙醚中，共聚物會在乙醚中沉淀并形成絮狀物，過濾得到絮狀物；然后將過濾得到的絮狀物再用乙醇溶解，加入乙醚使其析出再過濾，如此重復操作2～4次，于20℃真空干燥得到基于聚4-乙烯基吡啶-甲基丙烯酸二甲氨乙酯共聚物磺酸型膜材料。

p4vp-co-dmaema和p4vp/so3^--co-dmaemaso3^-的紅外譜圖如圖2所示，p4vp-co-dmaema上的吡啶環(huán)吸收峰在1589cm^-1很強烈，隨著吡啶環(huán)在丙磺內(nèi)酯發(fā)生季胺化反應以后，p4vp/so3^--co-dmaema中的吡啶環(huán)吸收峰1589cm^-1徹底消失，隨之c-n+吡啶鹽吸收峰開始出現(xiàn)在1644cm^-1。同時1033cm^-1處產(chǎn)生了新的磺酸基團吸收峰。而甲基丙烯酸二甲氨乙酯單元的n也發(fā)生如下所示的季胺化反應。

測試上述實施例制備的p4vp-co-ea、p4vp-co-dmaema、p4vp/so3^--co-dmaema/so3^-、p4vp/so3^--co-ea和p4vp/sa-co-ea的力學性能，應力應變曲線如圖3所示，可知未離子化的p4vp-co-ea、p4vp-co-dmaema韌性良好，而季胺化之后的p4vp/so3^--co-dmaema/so3^-、p4vp/so3^--co-ea和p4vp/sa-co-ea的韌性有所降低，不過相比于較脆的均聚物p4vp/so3^-(韌性低且吸水性較強)成膜性能大大提高。

p4vp-co-ea、p4vp-co-dmaema、p4vp/so3^--co-dmaema/so3^-、p4vp/so3^--co-ea和p4vp/sa-co-ea的熱重分析結(jié)果如圖4所示，250℃時仍能保持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，可見具有較高的穩(wěn)定性。

效果實施例1

分別取實施例1a1-1d1制備的基于聚4-乙烯基吡啶-丙烯酸乙酯共聚物的磺酸型薄膜材料(p4vp/so3^--co-ea)、實施例1a2-1d2制備的基于聚4-乙烯基吡啶-丙烯酸乙酯共聚物的羧酸型薄膜材料(p4vp/sa-co-ea)和實施例2a-2d制備的基于聚4-乙烯基吡啶-甲基丙烯酸二甲氨乙酯共聚物磺酸型薄膜材料(p4vp/so3^--co-dmaema/so3^-)各50mg，加入到od＝2.5的25ml大腸桿菌菌液中(其中，大腸桿菌的配制方法為將4ml菌種加入到250ml營養(yǎng)液中，37℃環(huán)境下培養(yǎng)4h，大腸桿菌的來源于市售)，恒溫震蕩時間4h。同時平行地進行空白對比例試驗。然后，將培養(yǎng)好的菌液通過無菌的0.85％nacl溶液稀釋至10-7倍。最后，少許稀釋后的菌液涂敷在瓊脂培養(yǎng)基上，培養(yǎng)條件為溫度37℃，時間12-16h。圖5為實施例1c1，1c2，2c制備的薄膜經(jīng)過上述步驟處理過的平板以及空白對照處理的平板。通過平板計數(shù)法觀察活菌數(shù)，得到原菌液的濃度，計算實施例1-4的抗菌粒子的抗菌率，結(jié)果如表3-1所示，抗菌率的計算公式為：

抗菌率＝(起始大腸桿菌數(shù)-大腸桿菌存活數(shù))/起始大腸桿菌數(shù)×100％。

表3-1各實施例制備的薄膜抗菌率

效果實施例2

首先，分別取實施例1c1制備的基于聚4-乙烯基吡啶-丙烯酸乙酯共聚物的磺酸型薄膜材料(p4vp/so3^--co-ea)、實施例1c2制備的基于聚4-乙烯基吡啶-丙烯酸乙酯共聚物的羧酸型薄膜材料(p4vp/sa-co-ea)和實施例2c制備的基于聚4-乙烯基吡啶-甲基丙烯酸二甲氨乙酯共聚物磺酸型薄膜材料(p4vp/so3^--co-dmaema/so3^-)，配制成0.025g/ml的溶液，在載玻片表面滴加5滴左右已經(jīng)配制好的0.025g/ml的上述三種聚合物溶液，增加一組滴加去離子水的載玻片作為空白對照，置于干燥箱內(nèi)烘干。用菌齡為4h(od600nm＝2.5)的大腸桿菌菌液浸潤空白載玻片、載玻片表面涂覆(p4vp/so3^--co-ea)以及表面涂覆(p4vp/sa-co-ea)和(p4vp/so3^--co-dmaema/so3^-)的載玻片，維持60秒左右，然后進行去離子水清洗，烘干載玻片，利用美藍染色法對四種載玻片進行染色，最后在倒置光學顯微鏡(ccdcameramountedonanikoneclipsetiseriesmicroscopewitha40×lens)條件下觀察大腸桿菌在四種載玻片上的粘附程度。結(jié)果如圖6所示，可知本發(fā)明的p4vp/so3^--co-ea、p4vp/sa-co-ea和p4vp/so3^--co-dmaema/so3^-具有優(yōu)異的抗細菌粘附效果。

綜上，本發(fā)明在制備兩性離子聚合物共聚物薄膜時，一方面，引入丙烯酸酯類作為共聚物單體，用于改善聚合物的成膜性能、力學性能、機械性能。另一方面，引入4-乙烯基吡啶作為共聚物單體，其不含有酯鍵或者酰胺鍵，與丙烯酸酯聚合后通過丙磺內(nèi)酯或溴乙酰水楊酸酯修飾可形成不可降解的兩性離子聚合物共聚物功能薄膜。效果實施例的結(jié)果顯示該薄膜具有優(yōu)異的抗菌效果和抗細菌粘附效果，而且穩(wěn)定性高，使用周期可大大延長，作為新型抗菌防污材料，在生物、環(huán)保、化學工業(yè)等領(lǐng)域具有良好的應用前景。