謝 慧，錢(qián) 濤，吳旭日，詹曉力,3，張慶華,3

（1.浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；2.杭州吉華高分子材料有限公司，浙江杭州 311234；3.浙江大學(xué)衢州研究院，浙江 衢州 324000）

海洋生物污損是指附著在船底、浮標(biāo)等一切人工設(shè)施表面的動(dòng)、植物和微生物的總稱。海洋生物污損給海洋工業(yè)帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也給海洋生態(tài)環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重危害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年世界各地由海洋生物污損帶來(lái)的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)1 500億美元[1-2]。目前，在船體表面涂覆防污涂層是解決海洋污損最經(jīng)濟(jì)、最有效的方法。隨著人類對(duì)于環(huán)境保護(hù)的日益重視，無(wú)毒、無(wú)污染的環(huán)境友好型防污涂料成為了新的研究趨勢(shì)。有機(jī)硅型污損脫附型防污涂料是當(dāng)前最具發(fā)展前景的環(huán)境友好型防污材料之一，通過(guò)在有機(jī)硅涂料中引入季銨鹽抗菌基團(tuán)可以有效提高有機(jī)硅涂層的防污能力，改性后有機(jī)硅涂層表現(xiàn)出較好的抗菌性能，但被殺死的微生物會(huì)附著在涂層表面，容易進(jìn)一步引發(fā)污損附著，影響涂層防污效果[3-6]。

兩性離子聚合物被認(rèn)為是繼聚乙二醇之后的第2代親水抗污材料。與通過(guò)氫鍵結(jié)合水分子的聚乙二醇相比，兩性離子聚合物的靜電誘導(dǎo)水合能力更強(qiáng)，其表面可以更牢固地結(jié)合水分子，形成水合層，從而獲得更優(yōu)異的抗污損黏附性能[7]。季銨鹽基團(tuán)可賦予有機(jī)硅涂層抗菌性能，兩性離子可賦予有機(jī)硅涂層抗污損黏附性能。因此，本研究通過(guò)2步反應(yīng)合成1種含季銨鹽基團(tuán)和兩性離子磺酸甜菜堿的聚合物QS，再利用QS與雙羥基封端的聚二甲基硅氧烷（PDMS）共交聯(lián)反應(yīng)得到多功能防污涂層，進(jìn)而對(duì)所制備的涂層組成結(jié)構(gòu)以及表面物理化學(xué)性能進(jìn)行表征，研究季銨鹽基團(tuán)與兩性離子協(xié)同作用對(duì)涂層抗污性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

3-巰丙基三甲氧基硅烷（KH590）；PDMS，Mn=40×103；甲基丙烯酰氧乙基二甲基十二烷基溴化銨（QDEMA），實(shí)驗(yàn)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，偶氮二異丁腈（AIBN）與二乙酸二丁基錫，正硅酸四乙酯（TEOS），乙醚，丙酮和二甲苯，磷酸緩沖鹽溶液（PBS），1,3-丙磺酸內(nèi)酯，分析純。

人工海水，利用海鹽與去離子水以質(zhì)量比1:30配制而成。

1.2 QS的合成

將一定量的KH590、QDEMA、DMAEMA 與7.5 g 乙酸丁酯、7.5 g 乙腈磁力攪拌均勻后，轉(zhuǎn)移至100 mL 三口圓底燒瓶中，向反應(yīng)瓶中通入氮?dú)?5 min 以除去空氣，隨后加入80 mg 的AIBN 作為引發(fā)劑，在氮?dú)鈿夥罩?0 ℃反應(yīng)12 h 得到粗產(chǎn)品。旋蒸除去多余的溶劑，采用正己烷進(jìn)行沉淀，50 ℃下真空干燥，得到QS 聚合物前驅(qū)體（QD）。

將QD 溶解于18.0 g 三氟乙醇中，加入與DMAEMA 相同摩爾量的1,3-丙磺酸內(nèi)酯，攪拌溶解后轉(zhuǎn)移至100 mL 三口圓底燒瓶中，在氮?dú)夥諊?0 ℃反應(yīng)24 h。旋蒸除去多余的溶劑，采用乙醚進(jìn)行沉淀，得到的聚合物在50 ℃下真空干燥，即得季銨鹽兩性離子聚合物QS。通過(guò)控制QS中季銨鹽鏈段與兩性離子的摩爾比例，合成了3種季銨鹽兩性離子聚合物Q5S1、Q4S2 與Q3S3。反應(yīng)式見(jiàn)圖1。

圖1 QS的合成Fig 1 Synthesis of QS

另外，將一定量的KH590、QDEMA 與7.5 g乙酸丁酯、7.5 g 乙腈磁力攪拌均勻后，轉(zhuǎn)移至100 mL 三口圓底燒瓶中，向反應(yīng)瓶中通入氮?dú)?5 min 以除去空氣，隨后加入80 mg 的AIBN 作為引發(fā)劑，在氮?dú)鈿夥罩?0 ℃反應(yīng)12 h 得到粗產(chǎn)品。旋蒸除去多余的溶劑，采用正己烷進(jìn)行沉淀，50 ℃下真空干燥，得到不含兩性離子的季銨鹽聚合物Q6。

聚合物制備原料組成見(jiàn)表1。

表1 Q6、Q5S1、Q4S2與Q3S3制備原料組成Tab 1 Composition of Q6,Q5S1,Q4S2 and Q3S3

1.3 涂層制備

將0.35 g QS、2.50 g雙羥基封端聚二甲基硅氧烷與5.3 g 二甲苯混合，磁力攪拌均勻后加入0.15 g TEOS 與少量二乙酸二丁基錫，充分混合后取0.8 mL 涂覆到載玻片上，室溫下干燥固化，將得到的涂層命名為PQ5S1、PQ4S2、PQ3S3。采用同樣的方法制備出Q6 改性的聚硅氧烷涂層PQ6。同時(shí)制備了未改性的聚硅氧烷涂層PDMS 用于對(duì)照。涂層制備見(jiàn)圖2。

圖2 改性涂層的制備Fig 2 Preparation of the modified coatings

1.4 表征與測(cè)試

表征。紅外光譜采用美國(guó)Nicolet 5700 傅立葉紅外光譜儀（FT IR）測(cè)得。核磁共振氫譜是將QS溶解在氘代二甲基亞砜中，采用布魯克400M核磁共振儀測(cè)得。涂層表面水接觸角采用CAM 200 表面張力儀于室溫下測(cè)定，測(cè)試液滴體積為5 μL。采用TR200/210表面粗糙度儀測(cè)試了涂層表面的粗糙度Ra。

抗蛋白吸附測(cè)試。參考文獻(xiàn)的方法，利用牛血清蛋白（BSA）來(lái)研究涂層表面的抗蛋白質(zhì)吸附性能[9]。

抗細(xì)菌黏附測(cè)試。參考文獻(xiàn)的方法，選擇革蘭氏陰性菌大腸桿菌（E.coli）作為測(cè)試菌種，研究了各涂層的抗細(xì)菌黏附性能[10]。

抗菌測(cè)試。采用平板菌落計(jì)數(shù)法，選擇革蘭氏陰性菌E.coli作為測(cè)試菌種，對(duì)實(shí)驗(yàn)涂層進(jìn)行抗菌測(cè)試。以PDMS 涂層為對(duì)照，計(jì)算出各涂層抗菌率[8]。

2 結(jié)果與討論

2.1 QS合成與表征

QS的FT IR光譜如圖3所示。

由圖3 可知，波數(shù)1 466 cm-1處的吸收峰對(duì)應(yīng)C－N+伸縮振動(dòng)峰，波數(shù)1 037 cm-1處為Si－O 鍵的特征峰，－SO3基團(tuán)的特征吸收峰在波數(shù)605、524 cm-1處出現(xiàn)。Q5S1、Q4S2和Q3S3均出現(xiàn)了－SO3基團(tuán)的特征吸收峰，而在Q6 并未出現(xiàn)。表明已經(jīng)成功合成出了季銨鹽兩性離子聚合物QS。

圖3 Q6、Q5S1、Q4S2與Q3S3的FT IR光譜Fig 3 FTIR spectra of Q6,Q5S1,Q4S2 and Q3S3

為了進(jìn)一步驗(yàn)證產(chǎn)物的化學(xué)結(jié)構(gòu)，對(duì)Q5S1、Q4S2與Q3S3進(jìn)行核磁共振氫譜分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 Q5S1、Q4S2與Q3S3核磁共振氫譜Fig 41H-NMR spectra of Q5S1,Q4S2 and Q3S3

由圖4 可知，化學(xué)位移3.15 處的峰對(duì)應(yīng)季銨鹽單體QDEMA側(cè)鏈中連接在N原子上的－CH3氫原子吸收峰，化學(xué)位移1.34 處的峰對(duì)應(yīng)季銨鹽單體QDEMA 側(cè)鏈中－(CH2)10－中氫原子吸收峰，化學(xué)位移0.94處的峰對(duì)應(yīng)季銨鹽單體QDEMA側(cè)鏈中末端的－CH3中氫原子吸收峰?；瘜W(xué)位移3.92 處的峰處對(duì)應(yīng)兩性離子側(cè)鏈中連接在N原子上的－CH3氫原子吸收峰?；瘜W(xué)位移3.45處的峰對(duì)應(yīng)的是KH590中－O－CH3上氫原子的吸收峰。以上結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了季銨鹽兩性離子聚合物QS的成功合成。

2.2 表面潤(rùn)濕性能

化學(xué)組成和表面形貌是影響固體材料表面潤(rùn)濕性能的2大關(guān)鍵因素。通過(guò)測(cè)定各涂層浸泡水前后的靜態(tài)水接觸角來(lái)研究涂層的潤(rùn)濕性能。各涂層浸泡水前后的水接觸角見(jiàn)表2。

兩性離子單元具有豐富的帶電基團(tuán)，可通過(guò)氫鍵和強(qiáng)靜電作用束縛水分子[7]。由表2 可知，浸泡前PDMS 水接觸角最高，其余涂層水接觸角有了略微下降，但仍舊大于106°，說(shuō)明由于聚硅氧烷的低表面能特性，在成膜過(guò)程中PDMS 鏈段會(huì)往涂層表面遷移，各涂層表面大部分被PDMS 鏈段所覆蓋，依舊保持著疏水性能。

表2 涂層樣品的浸泡前后水接觸角Tab.2 Water contact angle of coating samples before and after immersion

浸泡后PDMS 涂層水接觸角基本無(wú)明顯變化，而涂層PQ6、PQ5S1、PQ4S2與PQ3S3在浸泡后水接觸角出現(xiàn)了顯著下降，說(shuō)明在水環(huán)境中，QS 中親水性季銨鹽鏈段與磺酸甜菜堿兩性離子在水的誘導(dǎo)下開(kāi)始向表面伸展，疏水性的PDMS 鏈段開(kāi)始向涂層本體中延伸或彎曲，涂層親水性增強(qiáng)。從涂層PQ6、PQ5S1、PQ4S2 到PQ3S3，涂層水接觸角下降程度越來(lái)越大，說(shuō)明隨著涂層中兩性離子磺酸甜菜堿含量增多，涂層親水性越強(qiáng)。涂層親水性增強(qiáng)，有利于水合層的形成，從而賦予涂層良好的抗蛋白吸附性能。

2.3 表面粗糙度

對(duì)制備的所有涂層進(jìn)行了表面粗糙度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 涂層樣品的表面粗糙度Tab.3 Surface roughness of coating samples

由表3 可知，PDMS 顯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，涂層表面粗糙度顯著增大，特別是PQ6，說(shuō)明聚硅氧烷涂層中Q6的引入改變了涂層形貌，涂層出現(xiàn)了明顯的相分離。與PQ6 涂層相比，Q5S1、Q4S2 與Q3S3 改性后的PDMS 涂層粗糙度較小，僅為0.35～0.37 μm，推測(cè)這是Q5S1、Q4S2 與Q3S3 中存在著兩性離子，兩性離子的存在可增強(qiáng)QS 與PDMS 之間的作用力，QS 與PDMS 的相容性變好，共混涂層表面變光滑。將兩性離子聚合物摻入到聚己內(nèi)酯、含氟聚合物基體中時(shí)，涂層表面粗糙度均有減小，這也在其他文獻(xiàn)中得到了驗(yàn)證[10-13]。PQ5S1、PQ4S2與PQ3S3涂層表面較小的粗糙度對(duì)后續(xù)研究中涂層抗蛋白、細(xì)菌黏附性能會(huì)產(chǎn)生一定的影響。

2.4 抗蛋白吸附性能

據(jù)報(bào)道，當(dāng)清潔表面浸泡在海水中時(shí)，海洋生物污損形成的第1階段是蛋白質(zhì)等大分子吸附在表面形成基膜（1 min），隨后是細(xì)菌和藻類在表面黏附形成生物膜(1～24 h)，所以涂層優(yōu)異抗蛋白吸附性能對(duì)于防污至關(guān)重要。本研究中，采用BSA作為模型污染物來(lái)進(jìn)行抗蛋白吸附實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)圖5 的BSA 標(biāo)準(zhǔn)吸附曲線計(jì)算得到各涂層表面BSA吸附，結(jié)果見(jiàn)表4。

圖5 BSA吸附標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig 5 Standard curves of BSA adsorption

表4 涂層樣品的BSA蛋白吸附量Tab.4 BSA protein adsorption capacity of coating samples

據(jù)報(bào)道，1 個(gè)兩性離子在水環(huán)境中可以結(jié)合7～8個(gè)水分子[11]。由表4可知，PQ6涂層蛋白吸附量最高，原因是PQ6 涂層表面粗糙度較大，蛋白質(zhì)容易吸附在其表面上。PQ5S1、PQ4S2與PQ3S3涂層的蛋白黏附效果均有所改善。并且，隨著涂層中兩性離子含量增加，涂層的BSA 吸附量減少。涂層表面的兩性離子可以結(jié)合水分子，形成水合層，從而有效抵抗蛋白吸附。此外，PQ5S1、PQ4S2 與PQ3S3 涂層表面粗糙度較小，也對(duì)蛋白質(zhì)吸附起了一定的抵抗作用。PQ4S2 與PQ3S3 表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗蛋白吸附性能，吸附量很小。由此說(shuō)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 抗細(xì)菌黏附性能

生物膜形成的第1階段通常是細(xì)菌吸附到基材表面，隨后合成一種不溶型胞外多糖把自身包裹，形成保護(hù)層，保護(hù)自身不被去除。隨著基材表面附著的細(xì)菌不斷繁殖，胞外多糖在基材表面不斷積累，生物膜開(kāi)始形成。通常生物膜中的細(xì)菌都不是單個(gè)細(xì)菌細(xì)胞，而是牢固的菌落，生物膜一旦形成就很難去除。因此，抑制或減少細(xì)菌最初的黏附，是防止生物膜形成的關(guān)鍵[7]。具有抗蛋白吸附性能的材料表面同樣可以抵抗細(xì)菌黏附。

對(duì)所有涂層進(jìn)行了抗細(xì)菌黏附測(cè)試。圖6為大腸桿菌在涂層表面的黏附情況。

圖6 涂層樣品的表面大腸桿菌黏附情況Fig 6 Adhesion of Escherichia coli on the surface of coating samples

由圖6可知，PDMS涂層與PQ6涂層上黏附了大量的細(xì)菌，并且出現(xiàn)了細(xì)菌聚集成簇的現(xiàn)象。PQ5S1、PQ4S2與PQ3S3涂層上細(xì)菌黏附情況有了明顯改善，細(xì)菌黏附數(shù)量減少且黏附的細(xì)菌較分散。并且隨著涂層中兩性離子含量增加，涂層抗細(xì)菌黏附效果越好，PQ3S3 表現(xiàn)出了最佳的抗細(xì)菌黏附效果。此外， PDMS、PQ5S1、PQ4S2 與PQ3S3 涂層表面較光滑，而PQ6 表面凹凸不平且出現(xiàn)了大量的孔洞，這些孔洞提供了更多的表面積，細(xì)菌可在這些孔洞內(nèi)部黏附[14-16]。

圖6得到的涂層表面情況與粗糙度測(cè)試中得到的結(jié)果一致。涂層表面兩性離子可通過(guò)結(jié)合水形成水合層，水合層與光滑的表面共同對(duì)抗細(xì)菌黏附起作用。

2.6 抗菌性能

選擇大腸桿菌作為測(cè)試菌種，研究了各涂層的抗菌性能。以PDMS 對(duì)照涂層為對(duì)照，計(jì)算出其他涂層的抗菌率。圖7為涂層抗大腸桿菌測(cè)試平板計(jì)數(shù)，表5為抗菌率。

圖7 涂層樣品的抗大腸桿菌測(cè)試平板計(jì)數(shù)Fig 7 Anti-Escherichia coli test plate count of coating samples

表5 涂層樣品的抗菌率Tab 5 Antibacterial rate of coating samples

由圖7可知，抗菌測(cè)試中，PDMS涂層對(duì)應(yīng)的LB培養(yǎng)板上出現(xiàn)了大量的大腸桿菌菌落，相對(duì)于PDMS，其他涂層對(duì)應(yīng)的LB培養(yǎng)板上菌落均有減少。

由表5可知，結(jié)合抗細(xì)菌黏附結(jié)果可知，PQ6涂層表面黏附了大量細(xì)菌，但抗菌率仍可達(dá)45.90%，說(shuō)明該涂層表面的季銨鹽基團(tuán)可在細(xì)菌接觸涂層時(shí)將細(xì)菌殺滅，并且被殺滅的細(xì)菌依舊黏附在了涂層表面，容易進(jìn)一步引發(fā)污染。其他涂層抗菌率均高于PQ6，說(shuō)明季銨鹽抗菌與磺酸甜菜堿兩性離子抗細(xì)菌黏附協(xié)同作用，賦予了涂層更優(yōu)異的抗菌性能，并且光滑的表面也間接削弱了細(xì)菌在涂層表面的附著。PQ5S1 涂層的抗菌率最高，但抗細(xì)菌黏附效果不如PQ4S2與PQ3S3。

以上結(jié)果說(shuō)明QS改性后的聚硅氧烷涂層具有優(yōu)異的抗菌性能，有望應(yīng)用于生物醫(yī)療等相關(guān)領(lǐng)域。

3 結(jié) 論

通過(guò)自由基調(diào)聚反應(yīng)和丙磺酸內(nèi)酯開(kāi)環(huán)反應(yīng)成功合成了含季銨鹽基團(tuán)與磺酸甜菜堿兩性離子的聚合物QS，利用QS對(duì)雙羥基聚硅氧烷進(jìn)行改性制備了可實(shí)現(xiàn)季銨鹽抗菌和兩性離子抗污損黏附協(xié)同作用防污的聚硅氧烷涂層QS。QS涂層表面粗糙度僅為0.35～0.37 μm。PQS 涂層表現(xiàn)出了良好的抗黏附性能，涂層表面的BSA 吸附量?jī)H為9.63～19.38 μg/cm2，與 未 改 性 的PDMS 涂 層 相比，細(xì)菌黏附量減少。所有QS涂層對(duì)大腸桿菌的抗菌率可達(dá)60.66%以上。

綜合來(lái)看，當(dāng)QS中季銨鹽鏈段與兩性離子摩爾比為1/1 時(shí)，涂層（PQ3S3）表現(xiàn)出了最佳的防污效果。該涂層在微生物試驗(yàn)中表現(xiàn)出了良好的抗生物黏附性能和抗菌性能，有望應(yīng)用于海洋防污領(lǐng)域。