季铵盐两性离子协同改性聚硅氧烷涂层的制备

谢 慧，钱 涛，吴旭日，詹晓力,3，张庆华,3

（1.浙江大学化学工程与生物工程学院，浙江 杭州 310027；2.杭州吉华高分子材料有限公司，浙江杭州 311234；3.浙江大学衢州研究院，浙江 衢州 324000）

海洋生物污损是指附着在船底、浮标等一切人工设施表面的动、植物和微生物的总称。海洋生物污损给海洋工业带来了巨大的经济损失，也给海洋生态环境带来了严重危害。据统计，每年世界各地由海洋生物污损带来的直接经济损失高达1 500亿美元[1-2]。目前，在船体表面涂覆防污涂层是解决海洋污损最经济、最有效的方法。随着人类对于环境保护的日益重视，无毒、无污染的环境友好型防污涂料成为了新的研究趋势。有机硅型污损脱附型防污涂料是当前最具发展前景的环境友好型防污材料之一，通过在有机硅涂料中引入季铵盐抗菌基团可以有效提高有机硅涂层的防污能力，改性后有机硅涂层表现出较好的抗菌性能，但被杀死的微生物会附着在涂层表面，容易进一步引发污损附着，影响涂层防污效果[3-6]。

两性离子聚合物被认为是继聚乙二醇之后的第2代亲水抗污材料。与通过氢键结合水分子的聚乙二醇相比，两性离子聚合物的静电诱导水合能力更强，其表面可以更牢固地结合水分子，形成水合层，从而获得更优异的抗污损黏附性能[7]。季铵盐基团可赋予有机硅涂层抗菌性能，两性离子可赋予有机硅涂层抗污损黏附性能。因此，本研究通过2步反应合成1种含季铵盐基团和两性离子磺酸甜菜碱的聚合物QS，再利用QS与双羟基封端的聚二甲基硅氧烷（PDMS）共交联反应得到多功能防污涂层，进而对所制备的涂层组成结构以及表面物理化学性能进行表征，研究季铵盐基团与两性离子协同作用对涂层抗污性能的影响。

1 实验部分

1.1 实验原料

3-巯丙基三甲氧基硅烷（KH590）；PDMS，Mn=40×103；甲基丙烯酰氧乙基二甲基十二烷基溴化铵（QDEMA），实验室自制[8]；乙酸丁酯，乙腈，甲基丙烯酸二甲氨基乙酯（DMAEMA），正己烷，偶氮二异丁腈（AIBN）与二乙酸二丁基锡，正硅酸四乙酯（TEOS），乙醚，丙酮和二甲苯，磷酸缓冲盐溶液（PBS），1,3-丙磺酸内酯，分析纯。

人工海水，利用海盐与去离子水以质量比1:30配制而成。

1.2 QS的合成

将一定量的KH590、QDEMA、DMAEMA 与7.5 g 乙酸丁酯、7.5 g 乙腈磁力搅拌均匀后，转移至100 mL 三口圆底烧瓶中，向反应瓶中通入氮气15 min 以除去空气，随后加入80 mg 的AIBN 作为引发剂，在氮气气氛中80 ℃反应12 h 得到粗产品。旋蒸除去多余的溶剂，采用正己烷进行沉淀，50 ℃下真空干燥，得到QS 聚合物前驱体（QD）。

将QD 溶解于18.0 g 三氟乙醇中，加入与DMAEMA 相同摩尔量的1,3-丙磺酸内酯，搅拌溶解后转移至100 mL 三口圆底烧瓶中，在氮气氛围中50 ℃反应24 h。旋蒸除去多余的溶剂，采用乙醚进行沉淀，得到的聚合物在50 ℃下真空干燥，即得季铵盐两性离子聚合物QS。通过控制QS中季铵盐链段与两性离子的摩尔比例，合成了3种季铵盐两性离子聚合物Q5S1、Q4S2 与Q3S3。反应式见图1。

图1 QS的合成Fig 1 Synthesis of QS

另外，将一定量的KH590、QDEMA 与7.5 g乙酸丁酯、7.5 g 乙腈磁力搅拌均匀后，转移至100 mL 三口圆底烧瓶中，向反应瓶中通入氮气15 min 以除去空气，随后加入80 mg 的AIBN 作为引发剂，在氮气气氛中80 ℃反应12 h 得到粗产品。旋蒸除去多余的溶剂，采用正己烷进行沉淀，50 ℃下真空干燥，得到不含两性离子的季铵盐聚合物Q6。

聚合物制备原料组成见表1。

表1 Q6、Q5S1、Q4S2与Q3S3制备原料组成Tab 1 Composition of Q6,Q5S1,Q4S2 and Q3S3

1.3 涂层制备

将0.35 g QS、2.50 g双羟基封端聚二甲基硅氧烷与5.3 g 二甲苯混合，磁力搅拌均匀后加入0.15 g TEOS 与少量二乙酸二丁基锡，充分混合后取0.8 mL 涂覆到载玻片上，室温下干燥固化，将得到的涂层命名为PQ5S1、PQ4S2、PQ3S3。采用同样的方法制备出Q6 改性的聚硅氧烷涂层PQ6。同时制备了未改性的聚硅氧烷涂层PDMS 用于对照。涂层制备见图2。

图2 改性涂层的制备Fig 2 Preparation of the modified coatings

1.4 表征与测试

表征。红外光谱采用美国Nicolet 5700 傅立叶红外光谱仪（FT IR）测得。核磁共振氢谱是将QS溶解在氘代二甲基亚砜中，采用布鲁克400M核磁共振仪测得。涂层表面水接触角采用CAM 200 表面张力仪于室温下测定，测试液滴体积为5 μL。采用TR200/210表面粗糙度仪测试了涂层表面的粗糙度Ra。

抗蛋白吸附测试。参考文献的方法，利用牛血清蛋白（BSA）来研究涂层表面的抗蛋白质吸附性能[9]。

抗细菌黏附测试。参考文献的方法，选择革兰氏阴性菌大肠杆菌（E.coli）作为测试菌种，研究了各涂层的抗细菌黏附性能[10]。

抗菌测试。采用平板菌落计数法，选择革兰氏阴性菌E.coli作为测试菌种，对实验涂层进行抗菌测试。以PDMS 涂层为对照，计算出各涂层抗菌率[8]。

2 结果与讨论

2.1 QS合成与表征

QS的FT IR光谱如图3所示。

由图3 可知，波数1 466 cm-1处的吸收峰对应C－N+伸缩振动峰，波数1 037 cm-1处为Si－O 键的特征峰，－SO3基团的特征吸收峰在波数605、524 cm-1处出现。Q5S1、Q4S2和Q3S3均出现了－SO3基团的特征吸收峰，而在Q6 并未出现。表明已经成功合成出了季铵盐两性离子聚合物QS。

图3 Q6、Q5S1、Q4S2与Q3S3的FT IR光谱Fig 3 FTIR spectra of Q6,Q5S1,Q4S2 and Q3S3

为了进一步验证产物的化学结构，对Q5S1、Q4S2与Q3S3进行核磁共振氢谱分析，结果如图4所示。

图4 Q5S1、Q4S2与Q3S3核磁共振氢谱Fig 41H-NMR spectra of Q5S1,Q4S2 and Q3S3

由图4 可知，化学位移3.15 处的峰对应季铵盐单体QDEMA侧链中连接在N原子上的－CH3氢原子吸收峰，化学位移1.34 处的峰对应季铵盐单体QDEMA 侧链中－(CH2)10－中氢原子吸收峰，化学位移0.94处的峰对应季铵盐单体QDEMA侧链中末端的－CH3中氢原子吸收峰。化学位移3.92 处的峰处对应两性离子侧链中连接在N原子上的－CH3氢原子吸收峰。化学位移3.45处的峰对应的是KH590中－O－CH3上氢原子的吸收峰。以上结果进一步验证了季铵盐两性离子聚合物QS的成功合成。

2.2 表面润湿性能

化学组成和表面形貌是影响固体材料表面润湿性能的2大关键因素。通过测定各涂层浸泡水前后的静态水接触角来研究涂层的润湿性能。各涂层浸泡水前后的水接触角见表2。

两性离子单元具有丰富的带电基团，可通过氢键和强静电作用束缚水分子[7]。由表2 可知，浸泡前PDMS 水接触角最高，其余涂层水接触角有了略微下降，但仍旧大于106°，说明由于聚硅氧烷的低表面能特性，在成膜过程中PDMS 链段会往涂层表面迁移，各涂层表面大部分被PDMS 链段所覆盖，依旧保持着疏水性能。

表2 涂层样品的浸泡前后水接触角Tab.2 Water contact angle of coating samples before and after immersion

浸泡后PDMS 涂层水接触角基本无明显变化，而涂层PQ6、PQ5S1、PQ4S2与PQ3S3在浸泡后水接触角出现了显著下降，说明在水环境中，QS 中亲水性季铵盐链段与磺酸甜菜碱两性离子在水的诱导下开始向表面伸展，疏水性的PDMS 链段开始向涂层本体中延伸或弯曲，涂层亲水性增强。从涂层PQ6、PQ5S1、PQ4S2 到PQ3S3，涂层水接触角下降程度越来越大，说明随着涂层中两性离子磺酸甜菜碱含量增多，涂层亲水性越强。涂层亲水性增强，有利于水合层的形成，从而赋予涂层良好的抗蛋白吸附性能。

2.3 表面粗糙度

对制备的所有涂层进行了表面粗糙度测试，测试结果见表3。

表3 涂层样品的表面粗糙度Tab.3 Surface roughness of coating samples

由表3 可知，PDMS 显示出了最低的表面粗糙度。在聚硅氧烷材料中添加Q6 改性后，涂层表面粗糙度显著增大，特别是PQ6，说明聚硅氧烷涂层中Q6的引入改变了涂层形貌，涂层出现了明显的相分离。与PQ6 涂层相比，Q5S1、Q4S2 与Q3S3 改性后的PDMS 涂层粗糙度较小，仅为0.35～0.37 μm，推测这是Q5S1、Q4S2 与Q3S3 中存在着两性离子，两性离子的存在可增强QS 与PDMS 之间的作用力，QS 与PDMS 的相容性变好，共混涂层表面变光滑。将两性离子聚合物掺入到聚己内酯、含氟聚合物基体中时，涂层表面粗糙度均有减小，这也在其他文献中得到了验证[10-13]。PQ5S1、PQ4S2与PQ3S3涂层表面较小的粗糙度对后续研究中涂层抗蛋白、细菌黏附性能会产生一定的影响。

2.4 抗蛋白吸附性能

据报道，当清洁表面浸泡在海水中时，海洋生物污损形成的第1阶段是蛋白质等大分子吸附在表面形成基膜（1 min），随后是细菌和藻类在表面黏附形成生物膜(1～24 h)，所以涂层优异抗蛋白吸附性能对于防污至关重要。本研究中，采用BSA作为模型污染物来进行抗蛋白吸附实验，并根据图5 的BSA 标准吸附曲线计算得到各涂层表面BSA吸附，结果见表4。

图5 BSA吸附标准曲线Fig 5 Standard curves of BSA adsorption

表4 涂层样品的BSA蛋白吸附量Tab.4 BSA protein adsorption capacity of coating samples

据报道，1 个两性离子在水环境中可以结合7～8个水分子[11]。由表4可知，PQ6涂层蛋白吸附量最高，原因是PQ6 涂层表面粗糙度较大，蛋白质容易吸附在其表面上。PQ5S1、PQ4S2与PQ3S3涂层的蛋白黏附效果均有所改善。并且，随着涂层中两性离子含量增加，涂层的BSA 吸附量减少。涂层表面的两性离子可以结合水分子，形成水合层，从而有效抵抗蛋白吸附。此外，PQ5S1、PQ4S2 与PQ3S3 涂层表面粗糙度较小，也对蛋白质吸附起了一定的抵抗作用。PQ4S2 与PQ3S3 表现出了优异的抗蛋白吸附性能，吸附量很小。由此说明，QS 的引入可以提高聚硅氧烷材料的抗蛋白吸附能力。

2.5 抗细菌黏附性能

生物膜形成的第1阶段通常是细菌吸附到基材表面，随后合成一种不溶型胞外多糖把自身包裹，形成保护层，保护自身不被去除。随着基材表面附着的细菌不断繁殖，胞外多糖在基材表面不断积累，生物膜开始形成。通常生物膜中的细菌都不是单个细菌细胞，而是牢固的菌落，生物膜一旦形成就很难去除。因此，抑制或减少细菌最初的黏附，是防止生物膜形成的关键[7]。具有抗蛋白吸附性能的材料表面同样可以抵抗细菌黏附。

对所有涂层进行了抗细菌黏附测试。图6为大肠杆菌在涂层表面的黏附情况。

图6 涂层样品的表面大肠杆菌黏附情况Fig 6 Adhesion of Escherichia coli on the surface of coating samples

由图6可知，PDMS涂层与PQ6涂层上黏附了大量的细菌，并且出现了细菌聚集成簇的现象。PQ5S1、PQ4S2与PQ3S3涂层上细菌黏附情况有了明显改善，细菌黏附数量减少且黏附的细菌较分散。并且随着涂层中两性离子含量增加，涂层抗细菌黏附效果越好，PQ3S3 表现出了最佳的抗细菌黏附效果。此外， PDMS、PQ5S1、PQ4S2 与PQ3S3 涂层表面较光滑，而PQ6 表面凹凸不平且出现了大量的孔洞，这些孔洞提供了更多的表面积，细菌可在这些孔洞内部黏附[14-16]。

图6得到的涂层表面情况与粗糙度测试中得到的结果一致。涂层表面两性离子可通过结合水形成水合层，水合层与光滑的表面共同对抗细菌黏附起作用。

2.6 抗菌性能

选择大肠杆菌作为测试菌种，研究了各涂层的抗菌性能。以PDMS 对照涂层为对照，计算出其他涂层的抗菌率。图7为涂层抗大肠杆菌测试平板计数，表5为抗菌率。

图7 涂层样品的抗大肠杆菌测试平板计数Fig 7 Anti-Escherichia coli test plate count of coating samples

表5 涂层样品的抗菌率Tab 5 Antibacterial rate of coating samples

由图7可知，抗菌测试中，PDMS涂层对应的LB培养板上出现了大量的大肠杆菌菌落，相对于PDMS，其他涂层对应的LB培养板上菌落均有减少。

由表5可知，结合抗细菌黏附结果可知，PQ6涂层表面黏附了大量细菌，但抗菌率仍可达45.90%，说明该涂层表面的季铵盐基团可在细菌接触涂层时将细菌杀灭，并且被杀灭的细菌依旧黏附在了涂层表面，容易进一步引发污染。其他涂层抗菌率均高于PQ6，说明季铵盐抗菌与磺酸甜菜碱两性离子抗细菌黏附协同作用，赋予了涂层更优异的抗菌性能，并且光滑的表面也间接削弱了细菌在涂层表面的附着。PQ5S1 涂层的抗菌率最高，但抗细菌黏附效果不如PQ4S2与PQ3S3。

以上结果说明QS改性后的聚硅氧烷涂层具有优异的抗菌性能，有望应用于生物医疗等相关领域。

3 结 论

通过自由基调聚反应和丙磺酸内酯开环反应成功合成了含季铵盐基团与磺酸甜菜碱两性离子的聚合物QS，利用QS对双羟基聚硅氧烷进行改性制备了可实现季铵盐抗菌和两性离子抗污损黏附协同作用防污的聚硅氧烷涂层QS。QS涂层表面粗糙度仅为0.35～0.37 μm。PQS 涂层表现出了良好的抗黏附性能，涂层表面的BSA 吸附量仅为9.63～19.38 μg/cm2，与 未 改 性 的PDMS 涂 层 相比，细菌黏附量减少。所有QS涂层对大肠杆菌的抗菌率可达60.66%以上。

综合来看，当QS中季铵盐链段与两性离子摩尔比为1/1 时，涂层（PQ3S3）表现出了最佳的防污效果。该涂层在微生物试验中表现出了良好的抗生物黏附性能和抗菌性能，有望应用于海洋防污领域。