浙大朱蔚璞副教授《Chem. Eng. J.》：无催化剂抗菌聚酯的大规模合成
聚酯是一类最具循环利用潜力的高分子材料，其总产量仅次于聚烯烃。细菌感染是人类健康的主要威胁之一，聚酯被广泛用于生产服装、饮料瓶、包装袋、医疗器械等与人体密切接触的产品，研发具有抗菌功能的聚酯，有助于阻断细菌的传播，降低细菌感染的风险，减少抗生素的使用，提高人民健康水平，具有十分重要的意义。目前抗菌聚酯主要通过物理共混纳米银、纳米氧化锌等无机抗菌剂制备，但是这类抗菌聚酯的抗菌性能来源于抗菌剂的扩散释放，其抗菌性能随着抗菌剂的释放完毕而失去，不具备长效抗菌能力。同时，无机抗菌剂都具有较大的生物毒性，应用范围受到限制。目前大规模合成商用聚酯最常用的方法是二元羧酸与二元醇的熔融缩合聚合，将有机抗菌剂通过共缩聚的方式共价结合于聚酯的主链上，不仅能够赋予聚酯持久的抗菌性能，还能够有效降低抗菌剂的生物毒性，是抗菌聚酯的发展方向。然而由于熔融缩聚反应温度很高，有机抗菌剂的热稳定普遍较差，目前尚未有适用于熔融缩聚的耐高温有机抗菌单体的报道和应用。
针对上述问题，浙江大学高分子科学与工程学系朱蔚璞副教授团队提出了一种提高有机抗菌剂热稳定性的新思路，首次设计合成了具有双芳环结构的可聚合抗菌单体，其热分解温度最高可达361 ℃，能够在熔融缩聚的高温条件下长时间保持稳定。以该耐高温有机抗菌剂作为共聚单体，运用该课题组最近报道的无催化剂熔融缩聚合成聚酯的新机理（Mater. Today, 2021, 51, 155），规模化地合成了完全无催化剂残留、具有持久抗菌性能的聚丁二酸乙二醇酯（Figure 1）。目前此成果以Large scale production of catalyst-free poly(ethylene succinate) with intrinsic antibacterial property through the design of hyperthermostable quaternary ammonium monomers发表在最近一期的Chemical Engineering Journal上。
Figure 1. In-reactor engineering of antibacterial polyesters.
季铵盐具有广谱抗菌活性和较低的毒性，是应用最为广泛的有机抗菌剂。然而大部分季铵盐热稳定性较差，高温易分解。咪唑类、吡啶类等含芳香结构的季铵盐具有相对较高的热稳定性，但仍然不能满足熔融缩聚的温度要求。该论文首次设计合成了阴阳离子均具有芳香性的新型双芳环可聚合季铵盐，具有超级热稳定性，将季铵盐的热分解温度提升至熔融缩聚温度以上。采用间苯二甲酸-5-磺酸钠（NaSIPA）和长烷基链季铵盐在水中进行离子交换反应，可聚合抗菌单体因不溶于水而快速沉淀析出，该合成方法绿色环保，无需有机溶剂，且产率高，适合大规模制备。通过该方法合成了一系列双芳环可聚合季铵盐（Figure 2），其中 [Hmimz][SIPA]（1a）具有最高的热稳定性（热分解温度361℃）和抗菌活性（MIC, MBC<5 μg/mL）。
Figure 2. Synthesis and characterization of the antibacterial monomers.
聚丁二酸乙二醇酯（PES）是一种化学合成的可生物降解型聚酯，具有良好的柔顺性和热稳定性。同时，PES力学性能与聚烯烃接近，其在塑料薄膜、食品包装、生物材料等方面有着巨大的发展前景。该论文以[Hmimz][SIPA]为第三单体，与乙二醇和丁二酸通过无催化剂熔融缩聚路线合成了一系列抗菌剂含量不同的PES，分子量高达4万以上（Figure 3a）。PES预聚物的MALDI-TOF-MS谱图由两个系列的分子离子峰构成（Figure 3b），其中最大峰归属于两端均为羧基以及分子主链含有[Hmimz][SIPA]的聚酯链（a1），其邻近的小峰是一端为羧基一端为羟基以及分子主链含有[Hmimz][SIPA]的聚酯链（a2），表明共聚酯分子主链成功引入[Hmimz][SIPA]，也进一步说明[Hmimz][SIPA]在聚合过程中没有热分解。该论文还研究了 [Hmimz][SIPA]对无催化剂缩聚聚合动力学的影响（Figure 3c）。在无催化剂熔融缩聚合成聚酯的体系中，羟基消耗速率(-d[COOH]/dt)与羧基浓度([COOH])是一种混合级数关系，产物的分子量与反应时间的关系为：Mt = C(ekt-1)+M0 (C、k为常数)，因而分子量增长呈现出独特的“加速”模式。可以看出[Hmimz][SIPA]的加入对动力学曲线几乎没有影响，保持着相同的“加速”模式进行增长。作者还对抗菌单体力学性能进行了研究，纯PES具有较高的拉伸强度(48.7 ± 3.1 MPa)和较好的断裂伸长率(523.6 ± 47.2%)。少量的第三单体[Hmimz][SIPA]对PES的力学性能影响很小，其中当共聚单体含量为1 wt%时，拉伸强度为41.5± 1.9 MPa，断裂伸长率为529.9 ± 38.7%；当共聚单体含量为2 wt%时，拉伸强度为40.3 ± 1.3 MPa，断裂伸长率为543.8 ± 21.2 %。
该工作使用典型的革兰氏阴性菌（大肠杆菌，E. coli）与革兰氏阳性菌（金黄色葡萄球菌，S. aureus）进行抗菌实验，实验结果表明所合成的抗菌PES在[Hmimz][SIPA]含量只有1 wt%时已经对两种细菌展现出100%杀菌活性，进一步说明[Hmimz][SIPA]的高抗菌活性以及高耐热性。通过扫描电镜观察材料上的细菌发现，纯的PES表面细菌生长情况良好，而在抗菌PES表面能明显观察到细菌被吸附，且细胞膜被破坏，说明材料是通过接触抑菌而非释放抑菌（Figure 4）。
抗菌剂阴离子部分通过酯键共价结合在PES分子链上，而季铵盐阳离子部分是通过离子键的形式结合，如果季铵盐阳离子释放或通过离子交换到水中，不仅使材料逐渐失去抗菌性能，而且释放的季铵盐也会对水质产生污染。该论文探究了抗菌PES的持久抗菌能力，将抗菌PES在去离子水或磷酸缓冲溶液中浸泡28天后进行测试表征（Figure 5），使用共混季铵盐抗菌剂的纯PES做为对照组。定期对去离子水或磷酸缓冲溶液进行季铵盐含量测试发现，共混组的浸泡液中检测到了季铵盐的析出，且随着浸泡时间延长而浓度变大，而抗菌PES组的浸泡液中始终没有检测出季铵盐。通过滴板法进一步对PES的持久抗菌性能进行了表征，浸泡28天后的抗菌PES仍具有100%杀菌活性；同时，抗菌PES洗涤100次后仍然保持100%抗菌活性。抗菌结果实验表明该论文合成的抗菌PES具有很高且持久的抗菌活性，具有很好的应用前景。
该论文提出了设计合成双芳环耐高温抗菌单体的新策略，运用无催化剂熔融缩聚新机理实现了完全无催化剂残留、具有长效抗菌性能的PES的公斤级合成，拓展了无催化剂熔融缩聚合成聚酯的单体适用范围，显示了良好的工业转化潜力。该论文的第一作者为浙江大学高分子系博士生张洪杰，浙江大学高分子系朱蔚璞副教授为该论文的通讯作者，浙江大学高分子系博士生方天祥，浙江大学材料学院姚旭霞博士以及浙江理工大学化学系熊玉兵教授为该论文的共同作者。该项研究获得了浙江省杰出青年基金（LR18B040001），国家自然科学基金（22071216, 21875209）以及浙江省高分子材料表界面科学重点实验室开放基金（SIS-2020-04）的资助。
论文信息：Hongjie Zhang, Tianxiang Fang, Xuxia Yao, Yubing Xiong, Weipu Zhu*. Large scale production of catalyst-free poly(ethylene succinate) with intrinsic antibacterial property through the design of hyperthermostable quaternary ammonium monomers. Chem. Eng. J., 2022, 440, 135949
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.135949
相关进展
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