徐福建:基于开环反应构建功能性抗菌材料研究方面取得系列进展

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据世界卫生组织统计资料，因感染而死亡的人数占全部死亡人数的第二位，而在全球感染死亡人数中，发展中国家几乎占到了50%，其中细菌性感染尤为常见。开发新型抗菌材料已经受到了广泛关注。近期，北京化工大学徐福建教授和俞丙然副教授利用氨基和环氧的开环反应，在同一个聚合物上引入多种抗菌基团构建了一系列协同抗菌抗生物膜材料。

通过氨基糖苷类抗生素（如庆大霉素、妥布霉素等）与含有二硫键的双环氧类化合物进行开环反应，构建了可降解的支化聚合物（图1）。此类超支化聚合物含有丰富的羟基与正电荷，具有良好的血液相容性与基因转染性能。此类支化聚合物中含有的二硫键在还原性环境中可被打断，释放出原本的抗生素，从而具备优异的抗菌能力。此类聚合物可用于肿瘤的基因治疗以及与肿瘤部位相关的感染治疗。

图1 具有抗菌性能的支化阳离子基因载体（Biomaterials,2016,106: 134）

钛合金由于比重小、强度高、耐腐蚀已经生物相容性优良，近年来已经发展成为了较为理想的外科植入材料。因此，利用抗菌抗污材料实现钛金属的表面修饰，具有重要的理论意义和潜在的临床应用价值。在上述工作的基础上，选用庆大霉素作为氨基试剂，选用据乙二醇二缩水甘油醚为环氧试剂，通过开环反应和多巴胺聚合反应成功构建了一系列具有抗菌抗生物膜功能的聚合物接枝钛材料，动物体内抗感染实验证明了支化聚合修饰的钛材料具有良好的生物相容性和抗感染性能。

图2 抗菌抗生物膜性能支化聚合修饰的钛材料（Biomacromolecules2018,DOI:10.1021/acs.biomac.8b00399）

通过原子转移自由基聚合，合成了星型的聚甲基丙烯酸缩水甘油酯（PGMA），采用乙二胺（ED）、N,N-二甲基乙二胺（DED）等氨基化合物PGMA上的环氧基进行开环，再通过后续的季铵化、银离子掺杂等方法对此类聚合物进行后续修饰，从而构建了一系列含有季铵盐/银的星形聚合物（图3）。此类聚合物在溶液中显现出良好的广谱抗菌性能，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、肺炎克雷伯氏菌、绿脓杆菌等多种细菌均有很强的杀伤效果。另外，由于聚合物刷含有丰富的氨基，通过多巴胺的氧化自聚反应将此类聚合物涂覆于基体表面，对不同种类的基体进行表面抗菌功能化，也可以使表面具有良好的抗菌性能，有望用于医疗器械的表面修饰。

图3 季铵化/银掺杂抗菌星形聚合物（Polymer Chemistry, 2016,7: 5709）

针对发生皮肤缺损时，创口容易发生感染的问题，通过酸性红、Boc-乙二胺与双环氧基化合物进行开环反应，合成了含有酸性红和氨基的聚合物，再采用碘甲烷或溴己烷对其进行季铵化，构建了具有季铵盐/光动力抗菌功能的聚合物，通过多巴胺的氧化自聚反应，可以将聚合物涂覆于无纺布表面，制备了一种具有良好抗菌能力的医用敷料（图4）。将这种敷料用于皮肤损伤部位的感染治疗，取得了良好的效果，可在14天的时间内完全避免感染发生，有助于损伤部位的修复。

图4 基于酸性红的季铵盐/光动力抗菌敷料（Advanced FunctionalMaterials, 2018, 28: 1706709）

    综上所述，徐福建教授团队利用开环反应灵活的构建了多种具有丰富羟基的协同抗菌抗生物膜材料，这些材料可以通过多巴胺的氧化聚合物反应涂覆在多种材料表面，为不同医疗器械表面构建抗菌抗污涂层打开了新的思路。