江南大学任学宏教授CEJ：疏水性N-卤胺基POSS嵌段共聚物多孔膜的设计及抗菌和抗细菌吸附性能研究

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细菌一旦接触伤口，在适宜的温湿度环境中能够迅速滋生并繁殖，导致病人伤口溃烂引发内部感染；此外，生物被膜的产生还会对材料和医疗器械的功能造成不良影响进而缩短其使用寿命。因此，研发新型抗菌材料并优化其理化性能，有效防止细菌粘附及生物被膜的形成，在临床医疗与健康护理领域具有十分重要的意义，也是目前研究的热点。

具有超疏水性能的蜂窝状有序多孔膜材料能够降低细菌与固体表面的附着力，使细菌在表面形成生物膜之前就能被轻易除去，在自清洁领域具有广泛应用。但是，由于多孔膜不具备抗菌性能，可能造成部分微生物长期存活，继而形成细菌膜。因此，开发具有高效抗菌性能以及抗细菌粘附双重性能的多孔膜材料是目前亟待解决的关键问题和挑战。

基于此，江南大学纺织科学与工程学院任学宏教授团队设计了一种兼具抗菌及抗细菌粘附功能的N-卤胺基POSS多孔材料。该工作首次将抗菌剂卤胺化合物与POSS基嵌段共聚物多孔膜结合，以含氟POSS嵌段共聚物为成膜基材，通过呼吸图案法制备表面形貌可控的有序多孔薄膜；继而通过滴加与喷涂的技术，将卤胺化合物修饰到多孔膜上，得到具有微针垫结构的N-卤胺基POSS嵌段共聚物多孔膜，制备流程如图1所示。

图1 POSS-(PTFEMA)8剥离膜的细菌吸附及HQS-Cl滴加和喷涂针形膜抗菌过程示意图

Fig. 1 Schematic illustration of the bacterial adsorption of the POSS-(PTFEMA)8 pincushion structure films and the antibacterial process of HQS-Cl adding and spraying pincushion films

通过剥离技术处理多孔膜，目的是进一步提高多孔表面的粗糙度，得到微针垫多孔表面结构的超疏水膜，在自清洁领域具有广泛的应用价值。研究发现，制备得到的多孔膜及剥离膜的接触角分别为119.2°和163.5°，并具有优异的耐酸耐碱性、耐高温性以及力学性能良好。POSS嵌段共聚物多孔膜对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌具有良好的抗细菌粘附性能，如图2和图3所示。

图2.金黄色葡萄球菌细胞在不同膜上的吸附的SEM图像 (a)平面膜，(b)多孔膜，(c)剥离膜；插图是相应膜对水的接触角；(d)-(f)是相应的(a)-(c)的细菌吸附模型。

Fig. 2 SEM images of S. aureus cells adsorption on the different films. (a) flat film, (b) porous film, (c) pincushion film. The inset images were the water contact angles on the corresponding films. (d)-(f) were bacterial adsorption models of the corresponding (a)-(c)

图3 大肠杆菌在不同膜上的吸附的SEM图像 (a)平面膜, (b)多孔膜,(c)剥离膜

Fig. 3 SEM images of E. coli O157:H7 adsorption on the different films. (a) flat film, (b) porous film, (c) pincushion film.

N-卤胺基POSS嵌段共聚物膜的杀菌性能优异，经滴加的方法得到的疏水抗菌膜与细菌接触30min后能够使所有接种的金黄色葡萄球菌和大肠杆菌失活；经喷涂的方法得到的疏水抗菌膜与细菌接触30min后能够杀死100%的大肠杆菌，如图4所示。

图4 改性多孔膜对(a)金黄色葡萄球菌和(b)大肠杆菌O157:H7的抗菌活性

Fig. 4 Biocidal activities of the modified pincushion films against (a) S. aureus and (b) E. coli O157:H7

研究者还展示出了材料的多种表征及性能。如图5所示，剥离膜的AFM表面具有尖锐的峰，而多孔膜的表面为钝角。多孔膜的粗糙度为69.7 nm，剥离膜的粗糙度为299.0 nm。通过纳米压痕技术表征了多孔膜和剥离膜的力学性能，其负荷深度的曲线如图6(a)和(b)所示，多孔膜和针形多孔膜的模量分别为4.0220 GPa和3.6421 GPa，硬度分别为0.0436 GPa和0.0304 GPa。

图5(a)多孔膜，(b)剥离膜的AFM图像

Fig.5 The AFM images of the (a) porous film and (b) pincushion film

图6载荷深度曲线 (a)多孔膜，(b)剥离膜

Fig. 6 Curves of load-depth (a) porous film, (b) pincushion film

该研究的最大意义在开发出具有高效抗菌以及抗细菌粘附双重功能的新型多孔膜材料，解决了材料因长期使用过程中粘附少量细菌导致细菌膜的形成而造成二次污染的问题，为自清洁膜材料的结构设计及应用开辟新思路。

研究成果以“Hydrophobic N-halamine based POSS block copolymer porous films with antibacterial and resistance of bacterial adsorption performances”为题近日发表在Chemical Engineering Journal（2021, 410, 128407）上。通讯作者是江南大学纺织科学与工程学院任学宏教授，第一作者是江南大学纺织科学与工程学院2017级博士研究生孔雀。

上述研究得到了轻工技术与工程一流学科(LITE2018-21)、江苏省自然科学基金青年项目（BK20180588）、江苏省研究生科研与实践创新计划项目（KYCX19_1853）等基金的支持。

原文链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894721000061

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