聚苯乙烯磺酸钠与季鏻盐表面活性剂复合物的结构调控及其抗菌性能

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230341

摘要/Abstract

摘要：

发展非抗生素抗菌策略在减少医疗器械相关的细菌感染并降低对抗生素的过度依赖方面具有重大意义。对医疗器械表面进行功能化，赋予其抗菌性能是非抗生素抗菌所采用的常用方式。聚电解质-表面活性剂复合物的醇溶、水不溶的特点使其在构建抗菌涂层方面具有操作简单、不受器械结构限制的优点，有望应用于各种医疗器械的表面功能化。本文通过构建不同烷基链长季鏻盐表面活性剂与聚苯乙烯磺酸钠聚阴离子复合物，系统研究了复合物在水溶液中的组装行为以及所制备复合物涂层的抗菌性能与表面活性剂组分疏水碳链长度之间的内在关联。通过浊度、等温滴定量热法等测试手段对聚苯乙烯磺酸钠与3种三丁基烷基季鏻盐表面活性剂在水中的组装过程进行了分析，结果表明增加表面活性剂烷基链长将促进聚电解质-表面活性剂复合物形成。通过在常用医疗器械材料表面构建复合物涂层，对比了3种复合物对两种模型菌种的抗菌性能。对于以金黄色葡萄球菌为代表的革兰氏阳性菌，所制备的3种复合物涂层的杀菌率分别为42.9%、99.97%和99.99%，随着表面活性剂烷基链越长而提高；对于大肠杆菌为代表的革兰氏阴性菌，随着表面活性剂烷基链长度增加，单独季鏻盐表面活性剂的抗菌性能增强，而其对应复合物涂层的抗菌性能有所下降，杀菌率分别为99.3%、92.3%和64.8%。以上结果表明，通过优化结构，此类聚电解质-表面活性剂复合物涂层有望用于减少医疗器械相关感染。

关键词: 聚电解质-表面活性剂复合物, 聚苯乙烯磺酸钠, 季鏻盐表面活性剂, 涂层, 杀菌

Abstract:

Development of non-antibiotic antibacterial strategies in reducing medical apparatus and instruments related to bacterial infection and reducing the over reliance of antibiotics is of great significance. Surface functionalization of medical apparatus， which gives it antibacterial properties is adopted by way of commonly used in non-antibiotics antibacterial strategies. Polyelectrolyte complexes have the advantages in the simple construction of antibacterial coating， considering it could be soluble in ethanol and insoluble in water， not limited by the instrument structure. It is expected to be applied to all kinds of surface functionalization of medical apparatus and instruments. We report comprehensive analysis on the interaction of polyelectrolyte-surfactant complexes （PSCX） that consist of sodium polystyrenesulfonate （PSS） and different alkyl tributylphosphonium （3BuCX， with chain lengths ranging from 8 to 16） based cationic surfactants， using several techniques with turbidimetry， isothermal titration calorimetry （ITC） and so on. System assembly behavior of compound in aqueous solution was studied， as well as the intrinsic connection between the antibacterial properties of the preparation of compound coating with surfactant component and the hydrophobic carbon chain lengths. The results indicate that increasing the alkyl chain length of surfactant promotes the formation process of PSCX. By constructing complex coatings， we compared the antibacterial properties of PSCX with different alkyl chain lengths. For S.?aureus， the antibacterial properties of PSCX corresponding three coatings were also improved with the antibacterial rates of 42.9%， 99.97% and 99.99%， respectively， which increased with the alkyl chain of the surfactant. For E.coli， with the increase of surfactant alkyl chain length， the better the antibacterial activity of the surfactant alone was achieved， while the antibacterial activity of the PSCX coating were decreased， with the bactericidal rates were 99.3%， 92.3% and 64.8%， respectively. These results indicate that the PSCX coating can be used to reduce the infection of medical devices by optimizing its structure.

Key words: Poly （sodium-p-styrene sulfonate） complex, Sodium polystyrenesulfonate, Quaternary phosphonium surfactant, Coating, Antimicrobial

中图分类号:

O631

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图/表 7

图1 PSS和3BuCX （X=6、8、12、16）结构式

Fig.1 Molecular structure of PSS and 3BuCX （X=6， 8， 12， 16）

图2 不同DN值PSCX体系的透过率变化（X=6、8、12、16）

Fig.2 The transmittance of PSCX （X=6， 8， 12， 16） systems with different DN values

图3 298 K下，将3BuC8 （A，12.65 mmol/L）和3BuC16 （B，9.85 mmol/L）滴定到PSS溶液（1.46 mmol/L磺酸根）中的量热曲线；（上）CFB-t曲线；（下）DN值的积分焓变曲线

Fig.3 Calorimetric titration of 3BuC8 （A， 12.65 mmol/L）和3BuC16 （B， 9.85 mmol/L） into PSS solution （1.46 mmol/L sulfonic acid groups） at 298 K；（top panel） CFB curves versus time；（bottom panel） differential enthalpy curves versus DN value

图4 3BuCX滴定PSS的结合等温线与稀释曲线

Fig.4 Binding isotherms obtained from titrating 3BuCX in PSS， plotted together with the dilution curves

表1 T=298 K时PSS溶液中3BuCX的结合和胶束化的热力学参数

Table 1 Thermodynamic parameters for binding and micellization of 3BuCX in PSS solution at reference temperature T=298 K

$Δ G e l e$ /

（kJ·mol^-1）

$Δ H e l e /$

（kJ·mol^-1）

$Δ S e l e$ /

（J·mol^-1·K^-1）

$Δ G h y d r o /$

（kJ·mol^-1）

$Δ H h y d r o /$

（kJ·mol^-1）

$Δ S h y d r o /$

（J·mol^-1 ·K^-1）

表1 T=298 K时PSS溶液中3BuCX的结合和胶束化的热力学参数

Table 1 Thermodynamic parameters for binding and micellization of 3BuCX in PSS solution at reference temperature T=298 K

$Δ G e l e$ /

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$Δ G h y d r o /$

（kJ·mol^-1）

$Δ H h y d r o /$

（kJ·mol^-1）

$Δ S h y d r o /$

（J·mol^-1 ·K^-1）

PSC8

-38.05

34.31

242.70

-26.12

5.97

107.6

PSC16

-29.20

11.01

134.87

-51.14

14.81

221.2

表2 3种不同烷基链长的季鏻盐表面活性剂对S. aureus和E. coli的MIC

Table 2 The MIC of quaternary phosphonium surfactants with different alkyl chain length against S. aureus and E. coli

	3BuC8	3BuC12	3BuC16
S. aureus	20 μg/mL （50.0 μmol/L）	1.5 μg/mL （3.3 μmol/L）	1.5 μg/mL （2.9 μmol/L）
E. coli	3 mg/mL （7.6 mmol/L）	20 μg/mL （44.3 μmol/L）	5 μg/mL （9.8 μmol/L）

图5 在TPU表面上形成PSCX涂层前后的金黄色葡萄球菌（A）和大肠杆菌（B）的菌落形成单位（CFU）对比不同烷基链长的季鏻盐复合物涂层的抗菌性能，其中误差条代表3个独立测量数据的标准偏差。 *： P＜0.05， **： P＜0.01， ***： P＜0.001

Fig.5 Number of colony forming units （CFU） of S.?aureus （A） and E.coli （B） before （TPU） and after coating PSCX on the TPU plane. Antibacterial activity of TPU-PSCX toward S.aureus and E.?coli， where error bars represent standard deviations of data for three separate measurements. *： P＜0.05， **： P＜0.01， ***： P＜0.001

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