季銨鹽類化合物抗菌劑制備與性能測試及抗菌材料的應(yīng)用影響*

袁力　李治

摘 要：鑒于材料表面容易出現(xiàn)各類有害菌，導(dǎo)致材料被腐蝕，而且這些有害菌大量繁殖還會進一步威脅環(huán)境安全與人們的身心健康。研究借助于諸多反應(yīng)完成基于季銨化聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯接枝的瓊脂糖（Agr-g-QPDMAEMA）抗菌劑制備，并對其抗菌性加以分析。借助于四苯乙烯（TPE）與抗菌多肽衍生物共同進行“硫醇-烯烴”加成反應(yīng)，從而完成TPE-AMP抗菌劑制備。這種抗菌劑能夠?qū)崿F(xiàn)聚集誘導(dǎo)發(fā)光效應(yīng)，在接觸細菌之后，熒光信號就會產(chǎn)生改變，這樣就能從微觀層面展現(xiàn)該抗菌劑與細菌膜的作用，從而對其抗菌效果進行分析。

關(guān)鍵詞：季銨鹽；化合物；抗菌劑；制備；抗菌性能

中圖分類號：TQ460.31 文獻標志碼：A文章編號：1001-5922（2023）06-0123-04

Preparation and test of antimicrobial properties of quaternary ammonium and the application effect of antibacterial

YUAN Li，LI Zhi

（1.Hanzhong Vocational and Technical College，Hanzhong 723000，Shaanxi China;2.Medical College University of Chinese Medicine，Xianyang? 712046，Shaanxi China）

Abstract：There are many kinds of harmful bacteria on the surface of materials，which not only cause the materials to be corroded or defaced，but also threaten the environment security and people's physical and mental health.In this study，quaternary ammonium salts were used as models to prepare agarose （AGR-g-QPDMAEMA） ，which was grafted with Quaternary polydimethylaminoethyl methacrylate （DMMA） by many reactions，and the antimicrobial activity was analyzed.Then the antibacterial agent TPE-AMP was prepared by“Mercaptan-olefin” addition reaction of tetrastyrene （TPE） and antibacterial polypeptide derivatives.The antibacterial agent can achieve the aggregation-induced luminescence （AIE） effect，and after contact with bacteria，the fluorescence signal will be changed，so that from the micro-level the effect of the antibacterial agent and the bacterial can be shown，and the antibacterial effect can be analyzed.

Key words：quaternary ammonium salt;compound;antibacterial agent;preparation;antibacterial property

有害菌長期共存于我們生活的諸多角落，不僅容易導(dǎo)致食物變質(zhì)，也會使得棉纖維、醫(yī)療設(shè)備等遭受污染，這必然給人們的生活帶來很多危害。為此，對這類危害進行解決就顯得頗為關(guān)鍵。抗菌劑的問世在解決這類危害方面無疑是重要的舉措。

如今，很多國家都積極推動抗菌劑開發(fā)，并且投入很多人財物力。我國雖然在此領(lǐng)域的研究開展的較晚，但是進度快，有著頗高的開發(fā)潛力。

1 抗菌劑分類與作用機理

如今在市場中出現(xiàn)了多種不同的抗菌劑，它們的作用、性能和結(jié)構(gòu)存在著顯著不同，按照差異性分類方法，抗菌劑能夠細分為基于抗菌劑的釋放速度與量的差異，可以將其細分成溶出性與非溶出性抗菌劑。一般而言，主要基于抗菌劑化學(xué)成分的差異，將其分成無機、有機、復(fù)合抗菌劑［1］。

1.1 抗菌劑分類

1.1.1 無機抗菌劑

無機抗菌劑主要是通過銀、銅、鋅等金屬離子的抗菌能力，利用物理吸附或離子交換等方式在某些載體上進行改良，進而達到預(yù)防疾病的活性。其中，載體包括活性炭、磷酸鹽、粘土、SiO2以及沸石?？咕鷻C理存在較大的差異，無機消毒劑通常含有光催化消毒劑以及金屬離子消毒劑。

1.1.2 有機抗菌劑

有機抗菌劑在我們的日常生活中隨處可見，比如實驗室或藥房的甲醛殺菌，自來水廠經(jīng)常使用的氯氣消毒殺菌等。有機抗菌劑開發(fā)成熟，起步早，種類多殺菌效果較為優(yōu)秀，在抗菌劑市場處于領(lǐng)先地位。合成抗菌劑以及天然抗菌劑2大類為目前的有機抗菌劑。

1.1.3 復(fù)合抗菌劑

無機與有機抗菌劑基于自身特點能夠應(yīng)用于不同領(lǐng)域，不過它們的優(yōu)勢發(fā)揮依然有著較多局限性，這使之抗菌活性受到一定的負面影響。為此，不少學(xué)者試圖將這2種抗菌劑進行綜合，實現(xiàn)優(yōu)勢互補，從而切實有效的提升抗菌效果。日本在1993年就出現(xiàn)了酚醛復(fù)合抗菌劑，其中帶有金屬離子［1］。這種復(fù)合抗菌劑就是將有機與無機抗菌劑借助于理化反應(yīng)獲得全新的抗菌劑，使之性能得到極大改善，而且在應(yīng)用范圍上實現(xiàn)了顯著擴大，耐熱性與持久性顯著改善。這種復(fù)合抗菌劑的制作模式主要為：

（1）以無機載體為基礎(chǔ)，摻入有機抗菌劑，從而完成復(fù)合；

（2）將有機抗菌劑作為基礎(chǔ)，摻入無機抗菌劑，從而完成復(fù)合；

（3）將其他抗菌劑與稀土離子共同產(chǎn)生配合物，從而完成復(fù)合。

此時需要對2種抗菌劑實現(xiàn)機制、反應(yīng)度、復(fù)合難易度等進行綜合分析，要進行針對性復(fù)合［2-3］。雖然復(fù)合抗菌劑對應(yīng)的機理目前沒有全面清楚，不過它兼有其他2種抗菌劑的優(yōu)勢，而且還能為環(huán)境友好型提供良好支持。為此，這種復(fù)合抗菌劑需要積極推動發(fā)展，使之朝著產(chǎn)業(yè)化方向轉(zhuǎn)變。

1.2 抗菌劑的作用機理

抗生素的抗菌作用是擾亂和破壞與微生物疾病有關(guān)的組織、代謝活動以及生化反應(yīng)，進而殺死或抑制細菌的生長發(fā)育。各個抗菌劑其抗菌機理也具有較大差異，同一種抗生素也可能存在于不同產(chǎn)品的不同抗生素中。應(yīng)用于抗菌材料的抗菌劑的作用機理主要包括以下幾種。

（1）催化活化機理。有幾種金屬可以充當催化劑，例如銀、鈦和鋅?；钚晕稽c可以從環(huán)境中吸收能量，如紫外線、空氣或水中的氧氣，產(chǎn)生活性羥基自由基和氧離子。它能氧化或與細胞內(nèi)的蛋白質(zhì)、不飽和脂肪酸和糖苷類發(fā)生反應(yīng)，破壞它們的正常結(jié)構(gòu)，從而使它們死亡或失去繁殖能力；

（2）金屬離子接觸反應(yīng)。由于金屬離子帶正電荷，當大量金屬離子與細菌細胞膜接觸時，與細胞膜發(fā)生負向庫侖引力，促使二者之間發(fā)生反應(yīng)，金屬離子進入細胞膜并進入生物，氨基與其他基團發(fā)生反應(yīng)。細胞蛋白質(zhì)活性位點的結(jié)構(gòu)被破壞，導(dǎo)致細菌死亡或失去分裂和生長的能力；

（3）陽離子固定機理?？股禺a(chǎn)品的陽離子（如季銨鹽基團）會吸引負菌，束縛細菌的活性，抑制其呼吸作用，根據(jù)電場的吸引順序，發(fā)生死亡現(xiàn)象。細胞壁和細胞膜上的細胞內(nèi)負電荷失衡導(dǎo)致變形，細胞中的水和蛋白質(zhì)可以從體內(nèi)逸出，導(dǎo)致腐爛和死亡。

2 季銨化聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯接枝的瓊脂糖抗菌劑的制備

2.1 Agr-Br大分子引發(fā)劑的制備

選用圓底燒瓶（容量為250 mL），然后在其中分別摻入N，N-二甲基乙酰胺（DMAC）和瓊脂糖（Agr），前者為150 mL，后者為6 g，然后將其置入120 ℃環(huán)境，用時4 h，直到溶液為透明無色狀態(tài)，并直至室溫。量取DMAC與三乙胺（TEA），分別為10、3.87 mL，將其混合，并在冰水浴下，將其慢速滴入此溶液，隨后將DMAC（10 mL）和2-溴異丁酰溴（BIBB，3.43 mL）混合液滴入此溶液。在室溫環(huán)境中等待24 h，將反應(yīng)液轉(zhuǎn)移至過量乙醇，將沉淀進行洗滌、抽濾等，并在50 ℃真空環(huán)境中進行12 h干燥，就能獲得Agr-Br大分子引發(fā)劑，它呈現(xiàn)出白色絮狀固體［4］。

2.2 Agr-g-PDMAEMA的制備

選用圓底燒瓶（容量為100 mL），向其中分別增添DMF（N，N-二甲基甲酰胺）與上述大分子引發(fā)劑，前者使用30 mL，后者為2 g，然后在60 mL環(huán)境下進行攪拌，直至透明無色，然后靜置至室溫。接著量取CuBr，將其置入此溶液，其量為0.3 g，攪拌數(shù)分鐘，隨后再量取DMF和DMAEMA（甲基丙烯酸二甲氨乙酯）混合液，分別為12、8.89 mL，將其慢速轉(zhuǎn)移至此反應(yīng)液，直至變成綠色［5］。隨后向此溶液通入20 min的氬氣，并將聯(lián)吡啶0.65 g置入此反應(yīng)液，在油浴且60 ℃環(huán)境中，溶液逐步轉(zhuǎn)變成褐色粘稠態(tài)。接著通過蒸餾水與EDTA水溶液加以透析，然后再進行冷凍干燥，就能得到Agr-g-PDMAEMA1，呈現(xiàn)出棕褐色固態(tài)［6］。當然，另外一組則借助于不同單體比例實驗，分別摻入DMF和DMAEMA混合液，分別為15、13.33 mL，按照上述方法完成Agr-g-PDMAEMA2的制備。

2.3 Agr-g-QPDMAEMA抗菌劑的制備

選擇圓底燒瓶，容量為100 mL，然后向其中加入DMF和Agr-g-PDMAEMA，分別為40 mL和3 g，然后在油浴環(huán)境中，基于60 ℃，對其進行攪拌，直至透明黃色狀，接著靜置至室溫。接著慢速滴入DMF與溴代正丁烷混合液，它們分別為2.57、2.05 mL。在60 ℃下進行5 h反應(yīng)，隨后將反應(yīng)液置入過量乙醇，獲得沉淀通過離心、洗滌等處理，并進行干燥（50 ℃），就能獲得Agr-g-QPDMAEMA（白色固體），圖1所示為反應(yīng)步驟。

3 抗菌性能測試

3.1 Agr-g-QPDMAEMA抗菌性能測試

為了分析革蘭氏陽性、陰性菌受到Agr-g-QPDMAEMA的抗菌效應(yīng)，本次實驗利用微量肉湯稀釋法，對金黃色葡萄球菌、大腸桿菌展開最低抑菌濃度實驗（MIC）。此次實驗，因為Agr-g-PDMAEMA不能溶于水，為此，最終選擇Agr-g-QPDMAEMA展開此次實驗［7］。對于大腸桿菌進行MIC實驗，Agr-g-QPDMAEMA1/2得到的值皆為64 μg/mL，對金黃色葡萄球菌的MIC值，則依次為128、64 μg/mL。對MIC值進行對比能夠得出，該聚合物對這兩種有害菌的生長都有抑制作用，而且在抗菌效果上也能媲美其他季銨鹽類抗菌劑。此外，該聚合物對大腸桿菌的MIC值更小，這意味著它在抑制此菌方面的效果更優(yōu)［8］。

3.2 Agr-g-QPDMAEMA血液相容性測試

為了對抗菌劑的血液相容性進行分析，可以選擇新鮮兔血，將Agr-g-QPDMAEMA摻入其中，然后對溶血率進行觀察。通常，溶血活性能夠通過HC50定義，具體就是對兔血紅細胞破壞50.0%時對應(yīng)的聚合物濃度。本次實驗的抗菌劑在PBS緩沖液中有著一般性的溶解度，最大值為2.5 mg/mL。不同質(zhì)量濃度的此抗菌劑與兔血進行1 h作用，后者溶血率都小于20.0%。這意味著質(zhì)量濃度達到極大值時，該溶血率也相對較低，這意味著此抗菌劑的毒性較低，具有較佳的血溶性?？咕鷦毦倪x擇性可以借助于HC50／MIC比值來進行表示，此值越高，意味著細菌選擇性越高［9-11］。通過計算，Agr-g-QPDMAEMA1/2在選擇大腸桿菌時，比值超過39，而金黃色葡萄球菌對應(yīng)的比值則分別為19、39。該值與其他陽離子型聚合物值有著較高的一致性。

3.3 Agr-g-QPDMAEMA凝膠抑制空氣中細菌附著測試

瓊脂糖具有物理交聯(lián)，可以產(chǎn)生熱敏性凝膠。在此屬性下，會讓Agr-g-QPDMAEMA固化，進而產(chǎn)生抗菌凝膠。這是傷口填充劑、敷料所垂青的生物材料，得到了極大矚目。本次實驗將Agr-g-QPDMAEMA2依次溶解至營養(yǎng)肉湯與胰蛋白大豆肉湯，分別使用NB和TSB表示，然后趁熱將其置入培養(yǎng)皿，待凝固之后，就能制備相應(yīng)凝膠。接著通過噴壺將細菌溶液噴灑至凝膠表面，進而分析該凝膠對空氣中細菌附著力的抑制效應(yīng)，該細菌溶液通過PBS配制，為1×105 cells/mL。該抗菌劑凝膠與未改性瓊脂糖凝膠統(tǒng)一置于37 ℃培養(yǎng)箱之中，等待18 h，后者表面的2種有害菌出現(xiàn)了菌落［12］；而前者基本上看到這2種有害菌。由此可見，前者凝膠對空氣中的細菌有著較高的抑制效果。

3.4 Agr-g-QPDMAEMA凝膠敷料預(yù)防細菌感染測試

鈦及其合金存在著頗高的生物相容性，同時還具有頗高的耐腐蝕與機械性能等。為此，在生物醫(yī)藥移植領(lǐng)域得到頗廣運用。然而鈦系合金也有自身局限性，容易被細菌感染進而難以移植。為此遭受感染的鈦片就能衡量出凝膠敷料的抑菌效應(yīng)。本次研究將鈦片首先置于細菌懸浮液之中（1×107 cells/mL），耗時4 h，該懸浮液PBS配置。接著利用PBS完成3次清洗，將附著差的細菌進行去除，隨后將被細菌感染的鈦片分別置于Agr-g-QPDMAEMA2凝膠敷料與未改性瓊脂糖之上［13］。然后利用涂板計數(shù)法對存活的細菌數(shù)量進行定量檢測。在4 h作用后，表面存活的2大有害菌在數(shù)量上基本相近，大腸桿菌與金黃色葡萄球菌分別為5.5×105、4.8×105 cells/cm2。該鈦片載荷后者瓊脂糖作用24 h，環(huán)境為37 ℃時，鈦片2種有害菌顯著增長，對應(yīng)密度進一步增長至1.2×107 cells/cm2和4.4×106 cells/cm2。然而和前者凝膠敷料作用相同時間與溫度，這2種有害菌密度分別減少至5.4×103、2.3×104 cells/cm2，相較于開始的鈦片，其細菌數(shù)量分別下降9.9、9.5。這意味著該凝膠敷料有著頗高的抑菌效果，同時還能對表面附著的細菌進行殺死。

4 抗菌材料的應(yīng)用影響

4.1 水處理影響

水溶性消毒劑與氯在處理水時，將會存在著一定的殘留，這必然對人們的健康、環(huán)境帶來負面作用。另外，游離氯離子以及相關(guān)化合物還會與水中的有機物進行反映，進而生成三鹵甲烷，這具有頗強的致癌性。為此，這類水處理劑需要被嚴禁使用。對這些問題進行解決的方法就是制備抗菌材料，且具有不溶性，將接觸的微生物殺死，抗菌物質(zhì)不會被遷移。應(yīng)用于水處理的抗菌材料具有多元性，主要為抗菌纖維與涂層。其優(yōu)勢就是加工簡單，而且與水不相溶。在PP無紡布上通過接枝工藝將4-乙烯基吡咯烷酮（4-VP）轉(zhuǎn)接至前者表面，接著通過鹵代烷將其季銨化，由此就能制作相關(guān)改性PP無紡布。結(jié)果顯示，這種無紡布可以對水體細菌進行高效捕捉，其中通過溴化芐季銨化的PP無紡布，有著最廣的捕捉范圍。大腸桿菌從形貌角度來看，與活菌并無明顯不同，這意味著該無紡布雖然不能殺菌，但是可以很好抑制細菌繁殖。

4.2 生物醫(yī)療影響

很多藥理學(xué)試劑為典型的小分子，它能夠很好的滲透至細胞，然而，很快就能從人體外排，為了達成治療效果，就需要使用相應(yīng)的小分子試劑。然而，這些試劑的藥理學(xué)特性相對有限，同時還會產(chǎn)生毒副作用。為此，將這類抗菌試劑負載至聚合物主體之上，就能減慢在人體中的代謝速率，進而對其治療的有效時間進行延長。最為高效的方法就是將對應(yīng)化學(xué)鍵對接至生物相容性較佳的聚合物分子鏈之上。在聚乳酸等聚合物上負載鹽酸四環(huán)素，就能成功制作靜電紡絲纖維，而這種材料就能用作創(chuàng)口貼。

4.3 食品包裝和傳送影響

細菌繁殖、感染對食品的保險期限有所降低，使得食物導(dǎo)致的疾病概率有所提升。少量加工與處理之后，更容易儲藏，全球化貿(mào)易以及人們對食品新鮮度的需求，給食品的質(zhì)量與安全帶來更多挑戰(zhàn)，使得抗菌食品包裝受到極大的關(guān)注。陳舊的保護食品免受細菌侵害的方法包括熱處理、冷藏、脫水和添加一些抗生素，但此類辦法不適用于鮮肉和即食食品?？咕a(chǎn)品所攜帶的抗生素基團可以與食品接觸，從而抑制細菌的生長，減少加工食品回收利用的可能性，促進更好地生產(chǎn)自抗菌食品，從而方便食品的儲存時間。由于聚氨酯易于清潔且具有良好的性能，因此在食品輸送機上使用它可以減少飲用水并節(jié)省環(huán)境清潔成本。 N-鹵胺聚氨酯抗菌產(chǎn)品對大腸桿菌和表皮葡萄球菌具有良好的抗菌性能，灌裝20次后仍保持抗菌性能，細菌存活時間非常長，一般為4周。此改性方法對力學(xué)性能并沒有產(chǎn)生影響，以后可以直接用于接觸食品的領(lǐng)域，比如食品傳送帶。

5 結(jié)語

抗菌多肽（AMPs）和季銨鹽類化合物都具有低毒、不容易出現(xiàn)耐藥性等優(yōu)勢。在研究中，將季銨鹽類化合物作為核心模型，借助于諸多化學(xué)反應(yīng)，制備獲得Agr-g-QPDMAEMA，進而對它的抗菌性能展開分析。若是將Agr-Br和DMAEMA按照1∶26.1比例進行配比，那么該抗菌劑的季銨化水平會達到75.8%，在抗菌方面的效果達到最優(yōu)。它對2種有害菌的MIC值，皆為64 mg/mL，而且對血紅細胞也有頗高的血溶性。其中HC50超過2.5 mg/mL。對于TPE-AMP來說，屬于典型的低毒抗菌劑，在溶液之中有著較弱的熒光，在于細菌進行作用之際，熒光信號就會顯著強化。而且它與革蘭氏陽性菌有著更高的作用信號，這和低MIC值存在著較高的呼應(yīng)關(guān)系。為此，基于微光角度的熒光技術(shù)就能對TPE-AMP抗菌效果進行判定。根據(jù)該熒光信號的改變，就能為了解細菌膜與TPE-AMP的有關(guān)作用提供了便捷、快速之法，而且還能為抗菌效果分析提供良好支持。

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收稿日期：2023-02-16；修回日期：2023-05-10

作者簡介：袁 力（1970-），女，副教授，研究方向：生理學(xué)、微生物免疫學(xué);E-mail：3280579909@qq.com。

引文格式：袁 力，李 治.季銨鹽類化合物抗菌劑制備與性能測試及抗菌材料的應(yīng)用影響[J].粘接，2023，50（6）：123-126.