郭江娜，史 潔，汪夢(mèng)瑤，冒海蕾，嚴(yán) 鋒*

（1.蘇州大學(xué) 材料與化學(xué)化工學(xué)部，江蘇 蘇州 215123；2.復(fù)旦大學(xué)附屬中山醫(yī)院 麻醉與重癥醫(yī)學(xué)科，上海 200032）

陽(yáng)離子聚合物不僅具有小分子離子化合物的結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性，還同時(shí)兼具了聚合物的優(yōu)良性能，在能源材料、智能響應(yīng)材料及抗菌材料等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1-6]。陽(yáng)離子聚合物中，陽(yáng)離子基團(tuán)與呈電負(fù)性的細(xì)菌細(xì)胞膜之間存在靜電結(jié)合作用，同時(shí)聚合物上的疏水鏈結(jié)構(gòu)可以通過(guò)疏水作用力插入到細(xì)菌細(xì)胞膜的磷脂雙層結(jié)構(gòu)中，并擾動(dòng)破壞細(xì)胞膜，在上述兩種作用力下陽(yáng)離子聚合物可以有效地殺死細(xì)菌（見(jiàn)圖1）[7-10]。陽(yáng)離子聚合物的結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，通過(guò)改變其陽(yáng)離子及陰離子的化學(xué)結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)其親疏水平衡和物理化學(xué)性能的可控調(diào)節(jié)，獲得抗菌性能不同的抗菌材料。由于陽(yáng)離子聚合物的抗菌作用機(jī)制有別于傳統(tǒng)抗生素，因而不易產(chǎn)生細(xì)菌耐藥性，有望用于制備高效低毒、不易產(chǎn)生耐藥性的抗菌材料[11-13]。近年來(lái)，科研人員對(duì)陽(yáng)離子聚合物基抗菌材料進(jìn)行了一系列深入研究，從陽(yáng)離子及陰離子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手，合成制備了具有高效抗菌性、良好生物相容性及特殊功能性的抗菌材料。本文主要論述陽(yáng)離子聚合物抗菌性能影響因素的研究進(jìn)展。

圖1 陽(yáng)離子聚合物抗菌作用機(jī)理[8]Fig.1 Antibacterial mechanism of cationic polymers[8]

1 陽(yáng)離子化學(xué)結(jié)構(gòu)對(duì)抗菌性能的影響

常見(jiàn)的陽(yáng)離子聚合物的陽(yáng)離子通常包括咪唑鹽（imidazolium）、吡咯烷鹽（pyrrolidinium）、吡啶鹽（pyridinium）、季銨鹽（ammonium）、季鏻鹽（phosphonium）及胍鹽等（guanidinium）陽(yáng)離子基團(tuán)（見(jiàn)圖2）[14-19]。不同陽(yáng)離子結(jié)構(gòu)的聚合物具有不同的物理化學(xué)性質(zhì)，同時(shí)其抗菌性也存在顯著差異。Anvari 等[20]設(shè)計(jì)合成了基于咪唑和吡啶鹽的離子液體小分子，并研究了其分子結(jié)構(gòu)與抗菌性能之間的關(guān)系。研究結(jié)果表明，在離子液體取代基鏈長(zhǎng)相同情況下（1-丁基-3-甲基咪唑鎓硝酸鹽，N-丁基吡啶鎓硝酸鹽）下，其抗菌活性受陽(yáng)離子種類的影響。例如，N-丁基吡啶鎓硝酸鹽對(duì)革蘭氏陽(yáng)性菌（金黃色葡萄球菌和枯草芽孢桿菌）的抗菌性顯著高于1-丁基-3-甲基咪唑鎓硝酸鹽；而對(duì)革蘭氏陰性菌（大腸桿菌、肺炎克雷伯菌鼠傷、寒沙門氏菌和銅綠假單胞菌）而言，咪唑鹽離子液體的抗菌性要優(yōu)于吡啶基離子液體。近年來(lái)，蘇州大學(xué)嚴(yán)鋒教授課題組設(shè)計(jì)合成了一系列陽(yáng)離子（包括季銨鹽、咪唑鹽、季鏻鹽、哌啶鹽陽(yáng)離子）小分子化合物和聚合物，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和理論模擬相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究陽(yáng)離子結(jié)構(gòu)對(duì)聚合物抗菌性能的影響（圖3）。研究結(jié)果表明，陽(yáng)離子結(jié)構(gòu)會(huì)顯著影響聚合物與細(xì)菌細(xì)胞膜結(jié)合的靜電作用力和疏水作用力，進(jìn)而影響其抗菌活性?？咕时憩F(xiàn)為：季鏻鹽＞咪唑鹽＞哌啶鹽＞季銨鹽。研究還發(fā)現(xiàn)陽(yáng)離子結(jié)構(gòu)的改變對(duì)聚合物的溶血性能無(wú)明顯影響[21]。

圖2 常見(jiàn)的陽(yáng)離子聚合物Fig.2 Representative cationic polymers

李令東教授課題組研究了基于季銨鹽-N-氯胺和季鏻鹽-N-氯胺的抗菌性能。研究結(jié)果表明，季鏻鹽正電荷的存在有利于化合物更快地殺死細(xì)菌（包括大腸桿菌、金黃色葡萄球菌）[22]。最近，Guo 等[23]還考察了基于咪唑鹽、季銨鹽及三乙烯二胺陽(yáng)離子的陽(yáng)離子聚合物（主鏈型/側(cè)鏈型）的抗菌性能。研究結(jié)果表明，無(wú)論是主鏈型還是側(cè)鏈型陽(yáng)離子聚合物的抗菌活性，均受陽(yáng)離子結(jié)構(gòu)的影響；其中咪唑鹽陽(yáng)離子聚合物的抗菌活性，較含季銨鹽和三乙烯二胺鹽的陽(yáng)離子聚合物有顯著升高。陽(yáng)離子基團(tuán)的化學(xué)結(jié)構(gòu)和空間構(gòu)型極大影響了其抗菌性能。對(duì)咪唑鹽陽(yáng)離子而言，其芳香特性使得正電荷通過(guò)芳族共軛咪唑環(huán)均勻地離域，對(duì)細(xì)菌細(xì)胞壁產(chǎn)生更高吸附能力，表現(xiàn)出相對(duì)較高的抗菌活性。雖然三乙烯二胺陽(yáng)離子電荷密度更高，但陽(yáng)離子基團(tuán)的空間構(gòu)型和空間位阻效應(yīng)，阻止了其與細(xì)菌細(xì)胞膜的接觸，使其抗菌性能無(wú)法匹及其他兩種陽(yáng)離子聚合物。

圖3 不同陽(yáng)離子聚合物的分子結(jié)構(gòu)及其與細(xì)菌細(xì)胞膜結(jié)合的理論模擬效果圖[21]Fig.3 Chemical structure of different cationic polymers and snapshots for the models of lipid bilayer combined with corresponding cationic polymers[21]

2 陰離子結(jié)構(gòu)對(duì)抗菌性能的影響

盡管在陽(yáng)離子聚合物中對(duì)細(xì)菌起主要作用的是陽(yáng)離子官能團(tuán)和疏水鏈段，但作為陽(yáng)離子聚合物的重要組成部分，陰離子官能團(tuán)的化學(xué)結(jié)構(gòu)與組成也能夠影響陽(yáng)離子聚合物的構(gòu)象，或本身具有協(xié)同抗菌作用，從而進(jìn)一步影響陽(yáng)離子聚合物的抗菌活性。2000 年，Chen 等[24]人合成了聚丙烯亞胺樹(shù)枝狀大分子，分別以Br-和Cl-為陰離子，研究陰離子對(duì)其抗菌性能的影響，研究結(jié)果表明，陰離子為Br-的聚丙烯亞胺抗菌性能優(yōu)于以Cl-為陰離子的聚丙烯亞胺，證明了陰離子也會(huì)在一定程度上影響陽(yáng)離子聚合物的抗菌活性。Mokhtarani 課題組進(jìn)一步開(kāi)展了更為系統(tǒng)的研究工作，將陰離子種類擴(kuò)充至N（CN）2-、NO3-、SCN-、I-、Cl-、PF6-、MeOSO3-、HSO4-、BF4-、PTS-和NTf2-。研究結(jié)果表明咪唑鹽陽(yáng)離子聚合物的抗菌性因陰離子而異，當(dāng)陰離子為雙三氟甲磺酸根（NTf2-）時(shí)，其殺菌性能明顯高于含其他陰離子的聚合物，而含對(duì)甲基苯磺酸根陰離子（PTS-）的陽(yáng)離子聚合物的抗菌性能最差[25]。Sardon 課題組針對(duì)酸性陰離子對(duì)聚合物抗菌性能的影響進(jìn)行了深入研究，他們合成一系列陰離子為Cl-、C5H7O5COO-、PhCOO-、CH3COO-、CH3CHOHCOO-及CF3COO-的季銨化的聚碳酸酯，發(fā)現(xiàn)陰離子為CF3COO-和PhCOO-的聚碳酸酯不僅具有很強(qiáng)的抗菌活性，還具有低溶血效應(yīng)[26]。

此外，基于金屬配位陰離子陽(yáng)離子抗菌聚合物也受到研究人員的關(guān)注。Zheng 等[27]人設(shè)計(jì)合成了陰離子為CuCl2Br-、FeCl3Br-和ZnCl2Br-的咪唑鹽陽(yáng)離子聚合物，并對(duì)其抗菌性能進(jìn)行測(cè)試（見(jiàn)圖4）。研究發(fā)現(xiàn)金屬配位陰離子的引入可以顯著提高陽(yáng)離子聚合物的抗菌性，其中CuCl2Br-的抗菌性能為最佳。金屬配位陰離子可以產(chǎn)生活性氧類物質(zhì)，它的引入增加了協(xié)同抗菌的效果使得陽(yáng)離子聚合物的總體抗菌性能顯著提高。Hice 等[28]人進(jìn)一步研究了陰離子分別為Ni（hfacac）3-和Dy（hfacac）4-的季鏻鹽陽(yáng)離子化合物與細(xì)菌的結(jié)合能力及其抗菌性能。研究結(jié)果表明，當(dāng)陰離子為Ni（hfacac）3-時(shí)，可有效富集7 個(gè)沙門氏菌的代表性亞型和8 種大腸桿菌（O157：H7）菌株，但卻不造成細(xì)菌細(xì)胞損傷；而以Dy（hfacac）4-為陰離子的季鏻鹽陽(yáng)離子化合物在捕獲細(xì)菌的同時(shí)可以有效殺死細(xì)菌。上述研究結(jié)果表明，不同的金屬配位陰離子對(duì)陽(yáng)離子聚合物的抗菌活性具有顯著影響。

3 疏水鏈結(jié)構(gòu)對(duì)抗菌性能的影響

圖4 基于金屬配位陰離子咪唑鹽陽(yáng)離子聚合物及其抗菌效果[29]Fig.4 Chemical structure of metal-containing imidazolium-type cationic polymers and their corresponding antibacterial activities[29]

陽(yáng)離子聚合物的疏水鏈官能團(tuán)對(duì)其抗菌性能的調(diào)控同樣起著至關(guān)重要的作用。近期研究結(jié)果表明，季銨鹽陽(yáng)離子聚合物中的烷基取代基的鏈段長(zhǎng)度顯著影響其抗菌效果。孫樹(shù)林教授課題組合成了一系列疏水鏈長(zhǎng)度不同的季銨鹽陽(yáng)離子小分子化合物和聚合物，并對(duì)其抗菌性能進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，當(dāng)烷基鏈長(zhǎng)度為2，6，7，10，12 時(shí)，季銨鹽小分子可有效抑制大腸桿菌、金黃色葡萄球菌、白色念珠菌和熏蒸曲霉等細(xì)菌，且抗菌性能隨著烷基鏈增加而增強(qiáng)；而對(duì)于季銨鹽聚合物，其抗菌性能隨著聚合物中鏈長(zhǎng)度的增加而減弱，過(guò)長(zhǎng)的烷基鏈會(huì)發(fā)生彎曲/卷曲覆蓋包裹季銨鹽基團(tuán)的正電荷，阻礙其與細(xì)菌間的靜電作用，并導(dǎo)致抗菌活性的逐步下降[29]。張偉教授課題組通過(guò)對(duì)N-烷基咪唑鹽基聚離子液體納米顆粒的抗菌活性進(jìn)行研究，也得到了類似的結(jié)論。研究結(jié)果表明，咪唑鹽聚離子液體納米顆粒的抗菌效率對(duì)烷基鏈長(zhǎng)度有明顯的依賴性（C12＞C16＞C10＞C8），長(zhǎng)的烷基側(cè)鏈對(duì)于提高抗菌效果是必要的，而過(guò)長(zhǎng)的疏水性側(cè)鏈則起相反的作用（見(jiàn)圖5）[30]。

圖5 咪唑鹽聚離子液體納米顆粒及其抗菌作用過(guò)程示意圖[30]Fig.5 Antibacterial mechanism of imidazolium type poly（ionic liquid）s nanoparticles[30]

對(duì)于咪唑鹽陽(yáng)離子聚合物而言，疏水鏈取代基的長(zhǎng)度也會(huì)對(duì)其抗菌活性產(chǎn)生影響。研究發(fā)現(xiàn)，陽(yáng)離子均聚物溶液的抗菌性能隨著N3 取代基烷基鏈長(zhǎng)度的增加而增加。而陽(yáng)離子聚合物膜材料則表現(xiàn)出相反的結(jié)論：隨著烷基鏈長(zhǎng)度的增加，其抗菌性減弱。由于烷基鏈?zhǔn)鞘杷缘?，表面接觸到細(xì)菌溶液時(shí)，烷基鏈端基回插到膜材料內(nèi)部，從而降低了其抗菌性能[31]。類似的結(jié)論也適用于吡咯烷鹽離子液體及其聚合物。研究表明：吡咯烷鹽離子液體小分子和離子液體均聚物的抗菌性能隨著烷基鏈長(zhǎng)度的增加而增強(qiáng)；而在聚合物膜中，抗菌性能隨著烷基鏈長(zhǎng)度的增加反而降低[32]。此外，對(duì)于側(cè)鏈包含酰胺和酯結(jié)構(gòu)的陽(yáng)離子聚合物而言，通過(guò)調(diào)節(jié)側(cè)鏈的疏水性的酰胺和酯結(jié)構(gòu)，可以調(diào)節(jié)其抗菌活性（見(jiàn)圖6）。研究發(fā)現(xiàn)，側(cè)鏈含有酰胺結(jié)構(gòu)的陽(yáng)離子聚合物具有較低疏水性，且具有較好的抗菌活性；而側(cè)鏈含有酯結(jié)構(gòu)的陽(yáng)離子聚合物，需要相對(duì)較長(zhǎng)的疏水烷基鏈才能具有同等抗菌效果。側(cè)鏈含酰胺結(jié)構(gòu)的陽(yáng)離子聚合物與細(xì)菌脂質(zhì)雙層具有很強(qiáng)的氫鍵相互作用，因此，與相同側(cè)鏈長(zhǎng)度的含酯結(jié)構(gòu)的陽(yáng)離子聚合物相比，其疏水性更高，從而具有更好的抗菌性[33]。

不僅疏水鏈長(zhǎng)度對(duì)陽(yáng)離子聚合物抗菌性能具有顯著的影響，而且陽(yáng)離子中心和疏水鏈段的拓?fù)湮恢米兓矔?huì)影響聚合物的抗菌活性。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在季銨鹽均聚物中，連接到電荷中心的烷基鏈長(zhǎng)度增加（從甲基到丁基），有利于聚合物與細(xì)菌表面之間的附著，進(jìn)而顯著提高陽(yáng)離子聚合物抗菌活性[34]。Sambhy 等[35]人合成了兩親性吡啶鎓-甲基丙烯酸酯共聚物，根據(jù)烷基鏈與陽(yáng)離子基團(tuán)是否在一個(gè)重復(fù)單元上，將其分為A（獨(dú)立中心）和B（不同中心）兩類（見(jiàn)圖7）。研究發(fā)現(xiàn)，聚合物B 類的最低抑菌濃度（MIC）值比A 類聚合物更低，B 類聚合物的電荷和烷基鏈置空間上分開(kāi)的結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致高的細(xì)胞膜破壞能力，使其擁有更好的殺菌效果。

圖6 側(cè)鏈包含酰胺和酯結(jié)構(gòu)的陽(yáng)離子-兩親聚合物結(jié)構(gòu)及抗菌性與疏水性關(guān)系示意圖[33]Fig.6 Chemical structure of amide-and ester-containing cationic-amphiphilic polymers with varying hydrophobicity and antibacterial properties[33]

圖7 不同空間位置吡啶鎓-甲基丙烯酸酯共聚物的化學(xué)結(jié)構(gòu)及其抗菌活性[35]Fig.7 Pyridinium-methacrylate copolymers differing in the spatial positioning of the charge and tail as well as the length of the alkyl tail.Antibacterial activity（MIC）of pyridinium-methacrylate copolymers towards gram-negative E.coli and gram-positive B.subtilis[35]

此外，季銨鹽陽(yáng)離子聚合物側(cè)鏈的環(huán)化和不飽和也對(duì)其抗菌性具有顯著影響。Uppu 等[36]人研究發(fā)現(xiàn)，就兩親性季銨鹽陽(yáng)離子聚合物的選擇性抗菌活性而言，側(cè)鏈的環(huán)化和不飽和度對(duì)抗菌活性的影響要優(yōu)于側(cè)鏈異構(gòu)化（見(jiàn)圖8）。對(duì)側(cè)鏈烷基取代基長(zhǎng)度相同的聚合物而言，含有環(huán)化側(cè)鏈的陽(yáng)離子聚合物的抗菌活性顯著高于直鏈取代基的陽(yáng)離子聚合物；而具有不飽和側(cè)鏈的陽(yáng)離子聚合物的抗菌活性則相反，低于直鏈取代基的陽(yáng)離子聚合物。

圖8 具有環(huán)化、直鏈和不飽和側(cè)鏈的季銨鹽陽(yáng)離子聚合物及其抗菌活性[36]Fig.8 Cationic-amphiphilic polymers with variations in the side chain architecture，including cyclization，isomerization and unsaturation that resulted in different antibacterial activity[36]

抗菌肽是一類具有抗菌活性的堿性多肽物質(zhì)，因其具有良好的廣譜抗菌活性而備受關(guān)注[37-39]。為解決抗菌肽存在的易失活、成本高等問(wèn)題，近年來(lái)研究人員在人工合成陽(yáng)離子抗菌肽領(lǐng)域做了大量的工作并研究了側(cè)鏈結(jié)構(gòu)疏水性對(duì)其抗菌性的影響[40-42]。Thaker 等[43]合成了一系列具有不同疏水性芳族基團(tuán)的抗菌肽，含有酰胺鍵的分裂（disrupted）狀寡聚抗菌肽（DA）和無(wú)酰胺鍵的面狀（facially）寡聚抗菌肽（FA），并研究不同疏水芳族基團(tuán)對(duì)其抗菌性能的影響。研究結(jié)果表明，甲苯基取代的FA 具有顯著的抗金黃色葡萄球菌活性；吲哚取代的FA 對(duì)金黃色葡萄球菌的選擇性最高；而對(duì)叔丁基苯基和雙（三氟甲基）苯基取代的FA 而言，盡管抗菌肽疏水性進(jìn)一步增加但并沒(méi)有提高其抗微生物活性。此外，極性酰胺鍵的引入增加了DA 的親水性，使得含有相同取代基的DA 抗菌性低于對(duì)應(yīng)的FA。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)抗菌肽的疏水性超過(guò)特定閾值時(shí)，其抗微生物活性不會(huì)進(jìn)一步提高。Zhang 等[44]的研究也得到了類似的結(jié)論。他們合成了疏水烷基側(cè)鏈（分別為醚鍵、酯鍵）與主鏈陽(yáng)離子連接的兩親性抗菌肽模擬物，系統(tǒng)研究了烷烴鏈的疏水性對(duì)材料抗菌性能的影響。研究結(jié)果表明，所合成的抗菌肽模擬物均可在水中自組裝，且抗菌活性依賴于疏水鏈的長(zhǎng)度（C8＞C6＞C12）。此外，相同烷烴鏈長(zhǎng)條件下，含醚鍵的聚合物比含酯鍵聚合物顯示出更高的抗菌活性。

陽(yáng)離子聚合物主鏈結(jié)構(gòu)不僅會(huì)影響其與細(xì)菌間的疏水作用力，部分共軛陽(yáng)離子聚合物的共軛主鏈會(huì)產(chǎn)生不同量的活性氧，進(jìn)而引起抗菌性能的差異。唐艷麗教授課題組研究了共軛陽(yáng)離子聚合物的主鏈結(jié)構(gòu)與抗菌性能的關(guān)系（見(jiàn)圖9）[45]。他們?cè)O(shè)計(jì)合成了4 種共軛陽(yáng)離子聚合物：1 種聚（氟苯）衍生物（PFP）和3 種聚（氟-聯(lián)苯乙炔）衍生物（PFE-1、PFE-CN-2 和PFE-NP-3）。PFP 和PFE-1 的側(cè)鏈結(jié)構(gòu)相同而主鏈結(jié)構(gòu)不同，PFE-CN-2 和PFE-NP-3分別被修飾了供電子和吸電子基團(tuán)。主鏈結(jié)構(gòu)的不同使得4 種聚合物的光誘導(dǎo)抗菌活性不同，即：PFE-CN-2 ＞PFE-1?PFE-NP-3≈PFP。在抗菌過(guò)程中PFE-1、PFE-CN-2 和PFE-NP-3 產(chǎn)生活性氧的速度比PFP 更快，其抗菌活性優(yōu)于PFP。

4 電荷密度對(duì)抗菌性能的影響

陽(yáng)離子和電負(fù)性細(xì)菌細(xì)胞膜間的靜電吸引是陽(yáng)離子聚合物抗菌作用過(guò)程的首要環(huán)節(jié)，電荷密度的差異會(huì)顯著影響靜電相互作用，進(jìn)而影響陽(yáng)離子聚合物的抗菌性能。研究表明聚合物的電荷密度通常與聚合物的抗菌性成正相關(guān)。例如在季銨鹽陽(yáng)離子聚合物中，隨著電荷密度增加，季銨鹽陽(yáng)離子與電負(fù)性細(xì)菌細(xì)胞膜間的靜電作用改變，導(dǎo)致細(xì)菌膜中K+、Na+、Ca2+和Mg2+等離子失衡，蛋白質(zhì)活性減弱或者失活，進(jìn)而引起細(xì)菌的死亡；此外，電荷密度的增加對(duì)細(xì)菌的早期黏附定植也有影響，能夠阻礙生物膜的形成[46]。李義和教授課題組利用硫醇-烯反應(yīng)制備了高效抗菌的陽(yáng)離子聚合物膜，并研究了電荷密度對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌抗菌活性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所制備的陽(yáng)離子聚合物膜與細(xì)菌接觸60 min 即可有效殺死細(xì)菌，且隨著電荷密度的增加，聚合物膜的抗菌活性得到改善[8]。王金本教授課題組合成了單鏈或雙鏈?zhǔn)杷捕耍ㄐ粱蚱S基）的陽(yáng)離子型表面活性劑及其相應(yīng)的均聚物，并系統(tǒng)研究了陽(yáng)離子電荷密度和疏水性對(duì)抗菌和溶血活性的影響（見(jiàn)圖10）[47]。研究發(fā)現(xiàn)，具有更高電荷密度和更強(qiáng)疏水性的兩親均聚物比其相應(yīng)的單體具有更強(qiáng)的抗菌性能。雙鏈均聚物具有更高的正電密度，因此其抗菌活性高于單鏈均聚物；而對(duì)于長(zhǎng)烷基鏈（辛基）化合物，其疏水性較芐基化合物強(qiáng)，更容易聚集在細(xì)菌膜的脂質(zhì)雙分子層并破壞細(xì)胞膜，因此具有更高的抗菌活性。

圖9 共軛陽(yáng)離子聚合物的結(jié)構(gòu)及其抗菌活性[45]Fig.9 Chemical structure of cationic conjugated polymers and their corresponding antibacterial activities[45]

圖10 雙鏈均聚物抗菌機(jī)制示意圖[47]Fig.10 Schematic representation of the antibacterial mechanism of geminized homopolymers[47]

Al-Badri 等[48]人通過(guò)測(cè)試一系列聚降冰片烯的抗菌性研究電荷密度對(duì)聚合物抗菌效果的影響（見(jiàn)圖11）。通過(guò)調(diào)控聚合物重復(fù)單元的胺基單元數(shù)目改變聚合物電荷密度（從l 增加到3）。隨著電荷密度的增加，PolyA1-3對(duì)金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的抗菌活性基本保持不變。造成上述現(xiàn)象的原因是聚合物主鏈含有異丁烯基功能，增加了聚合物的整體疏水性。而對(duì)于沒(méi)有疏水基團(tuán)的PolyB1-3，隨著電荷密度的增加，其對(duì)金黃色葡萄球菌的MIC90值顯著降低，表明正電荷越高抗菌活性越大。

圖11 聚降冰片烯的電荷密度對(duì)抗菌活性的影響[48]Fig.11 Chemical structure of polynorbornene derivatives with differentcharge density and their antibacterial activity（MIC90）againstgram-negative bacteria E.coli andgram-positive bacteria S.aureus[48]

Tew 課題組合成了一種聚氧雜冰片烯抗菌肽模擬物（SMAMPs），研究了電荷密度對(duì)SMAMPs 的生物特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，所合成的SMAMPs 在一定的電荷閾值下才能獲得最優(yōu)的最低抑菌濃度（MIC90）和溶血活性（HC50）；高于該閾值時(shí)，SMAMPs的生物學(xué)特性不會(huì)進(jìn)一步受電荷增加的影響[49]。

5 功能性基團(tuán)對(duì)抗菌性能的影響

針對(duì)部分陽(yáng)離子聚合物存在抗菌性低、生物相容性差、功能單一等問(wèn)題，研究人員在陽(yáng)離子聚合物結(jié)構(gòu)中引入了功能性基團(tuán)改善上述問(wèn)題[50]。氨基酸是具有生物活性的功能基團(tuán)，在陽(yáng)離子聚合物結(jié)構(gòu)中引入氨基酸基團(tuán)可以改善材料的抗菌性能。例如，在陽(yáng)離子聚合物結(jié)構(gòu)中通過(guò)共價(jià)鍵引入氨基酸結(jié)構(gòu)（L/D-脯氨酸、L/D-色氨酸），可以顯著提高陽(yáng)離子聚合物的抗菌性及生物相容性[51]。研究人員通過(guò)在陽(yáng)離子聚合物結(jié)構(gòu)單元中引入不同的氨基酸，來(lái)調(diào)節(jié)疏水性獲得具有可調(diào)抗菌活性的氨基酸共軛聚合物（見(jiàn)圖12）。隨著引入氨基酸側(cè)鏈?zhǔn)杷缘脑龆啵?yáng)離子聚合物的光譜抗菌活性和毒性均增大[52]。

圖12 具有可調(diào)抗菌活性的氨基酸共軛聚合物[52]Fig.12 Amino acid conjugated polymers with tunable antibacterial activity[52]

此外，協(xié)同抗菌策略是提高陽(yáng)離子聚合物抗菌性能的有效途徑，研究人員將磁熱作用、光動(dòng)力療法及光熱療法與陽(yáng)離子聚合物結(jié)合，實(shí)現(xiàn)協(xié)同抗菌效果[53]。段宏偉教授課題組通過(guò)將陽(yáng)離子聚碳酸酯接枝到超順磁性納米粒子上，制備了具有協(xié)同抗菌性的納米顆粒[54]。與聚合物鏈相比，納米顆粒上的刷狀陽(yáng)離子聚碳酸酯具有更高的電荷密度，使得其與細(xì)菌表面的作用力更強(qiáng)；同時(shí)復(fù)合納米顆粒中“軟”聚碳酸酯殼和“硬”超順磁性核的結(jié)構(gòu)整合，使陽(yáng)離子殼對(duì)細(xì)菌細(xì)胞膜的破壞作用和超順磁性核的磁熱效果相互協(xié)同共同抗菌。新加坡國(guó)立大學(xué)劉斌教授課題組設(shè)計(jì)合成了可作為光敏劑的陽(yáng)離子化合物并進(jìn)行了抗菌性能研究（見(jiàn)圖13）。他們制備的季銨鹽陽(yáng)離子化合物不僅具有聚集誘導(dǎo)熒光效應(yīng)（AIE）效應(yīng)，而且在光照條件下高效生成1O2，顯著提高抗菌活性，有效地殺滅包括耐藥菌在內(nèi)的細(xì)菌[55]。此外，吳紅教授課題組也采用類似策略設(shè)計(jì)合成了一種溶解性好、穩(wěn)定性佳的離子液體光敏劑[10]。由于陰離子二氫卟吩e6（Ce6）在光照條件下釋放1O2可以殺滅細(xì)菌，通過(guò)陽(yáng)離子和陰離子的雙重抑菌作用，該離子液體光敏劑與單獨(dú)的Ce6 相比較，對(duì)革蘭氏陰性和革蘭氏陽(yáng)性菌更具有廣譜抗菌能力。近年來(lái)，雙重光療與陽(yáng)離子聚合物的協(xié)同抗菌策略，逐漸引起人們的重視。研究人員合成了有近紅外光觸發(fā)活性的帶正電的共軛聚合物（PTDBD）并用于抗菌[56]。PTDBD 側(cè)鏈中的季銨基團(tuán)可與細(xì)菌帶負(fù)電的膜相互作用并誘導(dǎo)細(xì)菌聚集。同時(shí)，近紅外光照射下，聚合物PTDBD 可同時(shí)產(chǎn)生活性氧（ROS）和熱量，實(shí)現(xiàn)雙重光療效果。PTDBD 在低處理濃度（40 μg·mL-1）和低光密度（1.0 W·cm-2）條件下即可有效地殺死的細(xì)菌。

圖13 具有AIE 效應(yīng)的季銨鹽陽(yáng)離子聚合物發(fā)揮光敏劑及抗菌作用的過(guò)程[55]Fig.13 Chemical structure and schematic illustration of the bacteria membrane penetration mechanisms for membrane-anchoring photosensitizer with aggregation-induced emission characteristics[55]

單一的抗菌性能已不能滿足目前抗菌材料的需求，開(kāi)發(fā)兼具其他功能(細(xì)菌熒光識(shí)別、選擇性殺菌、響應(yīng)性殺菌、材料的可降解性能等）的抗菌材料成為發(fā)展的新趨勢(shì)。兼具殺菌及細(xì)菌熒光識(shí)別功能的抗菌材料在殺死細(xì)菌的同時(shí)能夠更直觀地監(jiān)測(cè)細(xì)菌的死亡。Shi 等[57]將具有聚集誘導(dǎo)熒光（AIE）性能的基團(tuán)引入到陽(yáng)離子化合物結(jié)構(gòu)中，也獲得了兼具殺菌、死細(xì)菌熒光識(shí)別效果的陽(yáng)離子化合物。該化合物中的咪唑陽(yáng)離子基團(tuán)可以有效地與細(xì)菌結(jié)合并殺死細(xì)菌；同時(shí)隨著化合物靶向錨固于死細(xì)菌，還可通過(guò)AIE 效應(yīng)對(duì)死細(xì)菌進(jìn)行熒光成像，而對(duì)活細(xì)菌則無(wú)此效應(yīng)。

近年來(lái)，關(guān)于選擇性抗菌材料的研發(fā)日益受到關(guān)注，這有助于鎖定目標(biāo)致病菌，避免潛在耐藥菌的出現(xiàn)。唐本忠教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)合成了具有革蘭氏陽(yáng)性菌選擇性作用的陽(yáng)離子型光敏劑（TTPV），該光敏劑含有的吡啶陽(yáng)離子及季銨鹽陽(yáng)離子可以有效地與細(xì)菌產(chǎn)生靜電吸附作用，尤其對(duì)細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)更為疏松的革蘭氏陽(yáng)性菌，其作用力更為明顯有利于捕獲并殺死革蘭氏陽(yáng)性菌；同時(shí)作為光敏劑，在紅外光照下會(huì)產(chǎn)生活性氧進(jìn)一步增強(qiáng)殺菌效果，最終獲得具有選擇性殺菌效果的高效抗菌材料[58]。對(duì)于抗革蘭氏陰性菌的陽(yáng)離子聚合物的研究方興未艾，Barman 等[59]人合成了分別包含伯胺基或仲胺基的兩親性聚氨酯PU-1 和PU-2（見(jiàn)圖14）。在酸性溶液中，PU-1 和PU-2 可組裝形成具有高度正表面電荷的納米膠囊，并選擇性地通過(guò)靜電和疏水作用與細(xì)菌細(xì)胞模擬脂質(zhì)體相互作用，而與哺乳動(dòng)物細(xì)胞模擬脂質(zhì)體無(wú)明顯相互作用，表現(xiàn)出良好的殺菌選擇性。PU-1 和PU-2 對(duì)大腸桿菌的最低抑菌濃度（MIC）分別低至7.8 和15.6 μg·mL-1，而其對(duì)金黃色葡萄球菌的有效抑制濃度高達(dá)500 μg·mL-1，表明PU-1 和PU-2 具有良好的選擇性殺死革蘭氏陰性菌的能力。

圖14 兩親性聚氨酯選擇性殺死革蘭氏陰性菌[59]Fig.14 Amphiphilic polyurethane with selective antimicrobial activity against gram-negative E.coli[59]

部分抗菌物質(zhì)在殺菌的同時(shí)也存在環(huán)境積累問(wèn)題，其長(zhǎng)期存在于環(huán)境中可以誘導(dǎo)產(chǎn)生耐藥菌，引起更高的安全風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)在陽(yáng)離子聚合物結(jié)構(gòu)中引入可降解基團(tuán)，可降低其在環(huán)境中的殘留，進(jìn)而減少細(xì)菌耐藥發(fā)生的可能性。例如研究人員合成了可降解的抗菌硫代咪唑鎓聚離子液體。研究發(fā)現(xiàn)，硫代咪唑鎓聚離子液體是一種有效的抗菌劑，在非常低的濃度下即可導(dǎo)致細(xì)胞死亡，且其在室溫下的水中經(jīng)過(guò)3 周時(shí)間可以降解，在氫氧化鈉中僅需數(shù)小時(shí)即可穩(wěn)定降解[60]。此外，酯鍵作為可降解基團(tuán)，也被引入到陽(yáng)離子聚合物制備可降解的抗菌聚合物中[61]。如圖15 所示，通過(guò)鏈增長(zhǎng)和同步增長(zhǎng)自由基聚合合成了側(cè)鏈包含胺基團(tuán)和主鏈包含可降解酯鍵的陽(yáng)離子無(wú)規(guī)共聚物[62]。在側(cè)鏈中具有伯胺基團(tuán)的聚合物可通過(guò)側(cè)鏈中的伯胺基團(tuán)分子內(nèi)親核加成到主鏈酯鍵上，隨后酰胺化和斷裂，在水溶液中降解為低分子量低聚物。隨著共聚物降解為低聚物，所合成聚合物對(duì)大腸桿菌的抗菌活性和溶血活性均降低。該陽(yáng)離子無(wú)規(guī)共聚物的自降解及其隨后的失活特性，不僅避免了其毒性在環(huán)境中的積累，也實(shí)現(xiàn)了對(duì)抗菌材料抗菌壽命的可控調(diào)節(jié)。

圖15 側(cè)鏈包含胺基團(tuán)和主鏈包含可降解酯鍵的陽(yáng)離子無(wú)規(guī)共聚物[62]Fig.15 Degradable amphiphilic copolymers contain ester linkages in the main chains and primary amine groups in the side chains[62]

細(xì)菌響應(yīng)性抗菌材料是指在無(wú)細(xì)菌環(huán)境下沒(méi)有抗菌性，而在接觸細(xì)菌后轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂锌咕钚缘囊活惒牧?。例如部分pH 響應(yīng)性抗菌聚合物，其在生理pH 下為兩性或中性離子，而在酸性環(huán)境下可以轉(zhuǎn)變?yōu)殛?yáng)離子，進(jìn)而產(chǎn)生抗菌性。Liu 等[63]通過(guò)可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合反應(yīng)，制備聚（2-（3-氨基丙基-N，N-二甲基銨）甲基丙烯酸乙酯）（P（APDMAEMA）），然后利用檸康酸酐改性得到兩性離子聚合物（N′-香豆基-2-（3-氨基丙基-N，N-二甲基銨）甲基丙烯酸乙酯）（P（CitAPDMAEMA））。P（CitAPDMAEMA）在生理pH 下為兩性離子，具有較低的血液毒性和良好的生物相容性。但是，在細(xì)菌感染部位的酸性條件下，檸康酰胺水解，P（CitAPDMAEMA）從中性變?yōu)殛?yáng)離子，抑制大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的生長(zhǎng)。

6 總結(jié)與展望

隨著抗生素的廣泛使用，細(xì)菌耐藥問(wèn)題日益嚴(yán)峻。陽(yáng)離子聚合物因其抗菌機(jī)制有別于傳統(tǒng)抗生素，因而不易產(chǎn)生細(xì)菌耐藥性，近年來(lái)已成為生物醫(yī)用材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

陽(yáng)離子聚合物的抗菌性能受多種因素的影響。本文主要總結(jié)了陰/陽(yáng)離子的種類、疏水鏈結(jié)構(gòu)、電荷密度及功能性基團(tuán)等對(duì)陽(yáng)離子聚合物抗菌性能的影響，通過(guò)調(diào)節(jié)陽(yáng)離子聚合物的結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)其抗菌性能的可控調(diào)節(jié)。抗菌性能是陽(yáng)離子聚合物能否實(shí)用化的關(guān)鍵參數(shù)，因此，深入研究陽(yáng)離子聚合物抗菌性能的影響因素和調(diào)控方法對(duì)于指導(dǎo)合成新型抗菌材料至關(guān)重要。

目前，陽(yáng)離子聚合物仍存在著許多尚待解決的問(wèn)題：1）陽(yáng)離子聚合物的結(jié)構(gòu)與抗菌性能之間的關(guān)系有待于進(jìn)一步探索；2）功能單一的陽(yáng)離子聚合物已無(wú)法滿足抗菌材料發(fā)展的需求，如何獲得具有復(fù)合多種功能的抗菌陽(yáng)離子聚合物？3）理想的陽(yáng)離子抗菌聚合物需要具有高效的抗菌性、良好的生物相容性等性能，如何平衡抗菌性和生物相容性之間的關(guān)系？

隨著陽(yáng)離子聚合物抗菌理論的深入研究，可以實(shí)現(xiàn)聚合物抗菌產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和性能需求的設(shè)計(jì)，合成更多兼具優(yōu)異抗菌性及特殊功能的新型陽(yáng)離子聚合物抗菌材料，并推動(dòng)其在抗菌領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。