简介
2019年冠状病毒病（COVID-19）持续爆发的大流行疫情是人类历史上最危险的流行病之一，已造成数百万人死亡，并改变了人们的生活方式。福米特传播，即严重急性呼吸综合征冠状病毒2（SARS-CoV-2）通过污染表面传播(1)也就是说，福米特表面，一直被认为是社区蔓延的一个原因(2)，进而造成了巨大的经济影响(三)。到2020年底，全球表面消毒剂的销售额达到45亿美元，仅纽约大都会交通管理局（New York Metropolitan Transit Authority）就在COVID-19反应系统上花费了4.84亿美元。SARS-CoV-2的新变种具有高度的致死性和可传播性，这表明该病毒很可能成为对公众健康的持久威胁(4)因此，需要能够抵抗病毒粘附或使病毒失活以获得长期健康和经济效益的材料。
一个关键的挑战，限制了发展长期解决方案的福米特传播是无处不在的潜在福米特(5).任何表面，从医疗器械到公共设施，从工业设备到个人电子产品，在干燥的环境条件下或在潮湿状态下使用（例如，食品加工设施中的传送带），都可能成为浮尘(6)。这种普遍性要求抗病毒材料必须以与基质无关的保形方式施用（例如，涂在塑料制品、织物和多孔膜上），并且在环境或潮湿条件下仍然有效。
此外，到目前为止，很少有研究报告涂层具有抗病毒的功效。然而，已经发现有许多材料在接触时可使病毒失活[例如，基于其毒性和/或产生活性氧物种的能力的金属和无机材料](7–9)，聚电解质(10,11)和光敏剂(12,13)]他们使用的噬菌体或病毒与SARS-COV2病毒的疗效相似(14)因此，由于冠状病毒的独特结构，他们报道的抗病毒效果可能无法推断为SARS-CoV-2(6).显示冠状病毒失活的新兴纳米材料（如铜合金和金属氧化物纳米颗粒）通常需要将病毒与材料一起孵育以达到抗病毒效果，这是在大多数情况下阻止福米特介导传播的先决条件(6).
因此，减少福米特传播所需的长期解决方案需要一种抗病毒材料，该材料（i）能够以独立于底物的方式应用，（ii）证明对冠状病毒有效，（iii）使病毒失活，而无需与培养基孵育[例如，通过证明气溶胶中的病毒失活(12)一种主要的传播媒介(5)]，和（iv）在干燥环境或潮湿条件下仍然有效。在环境条件下，我们证明了咪唑类化合物在湿环境和环境条件下的抗病毒特性。采用全干法制备咪唑基两性离子聚合物，即引发化学气相沉积（iCVD），实现了咪唑基两性离子聚合物的共形合成和应用。
基于两性离子材料与水分子的强静电相互作用，设计了一种两性离子聚合物(15,16)最近的研究进一步强调了两性离子结构与富含芳香族氨基酸如苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸之间的各种分子相互作用(17,18)，通过阳离子-π相互作用或极性相互作用(19)，导致蛋白质（例如，排列在SARS-CoV-2表面的尖峰糖蛋白）在接触两性离子部分时发生变性。棘状糖蛋白是一类病毒融合蛋白，其膜旁结构域富含芳香族氨基酸，在所有冠状病毒中高度保守(20)尽管两性离子材料还没有被用来灭活冠状病毒(21,22)，我们预测咪唑啉基两性离子聚合物具有抗病毒作用，这是因为咪唑啉C2位的碳原子带有相当大的正电荷。尽管咪唑基两性离子部分具有净中性电荷，但其静电势的分布使得咪唑环C2位置的碳带着相当大的正电荷，而氮和附近的其他碳原子则带轻微的负电荷。因此，据报道咪唑啉中与C2碳键合的氢键显示出温和的酸性，这使得它成为一种极好的氢键供体，能够增强与氨基酸的相互作用。
用人类冠状病毒HCoV-OC43证明了咪唑基两性离子聚合物对冠状病毒的接触失活和抗粘附作用。为了证明咪唑基两性离子聚合物的广谱防污效果，我们对其进行了量化铜绿假单胞菌咪唑啉基两性离子聚合物表面生物膜的形成，减少到聚乙烯醇（PVC）表面形成生物膜的15%。此外，咪唑基两性离子聚合物将生物膜中的铁载体（即吡咯烷）的生成量降低到PVC表面的33%，这意味着咪唑基两性离子聚合物上的生物膜具有较低的致病性(23).
为了证明本文所述的合成方法与衬底无关且共形的性质，我们将咪唑基两性离子聚合物应用于一系列弯曲（即，微板）或具有复杂三维（3D）微观结构（即纺织品）的衬底上，或具有高纵横比纳米孔（即过滤膜）(24)咪唑基两性离子聚合物在纳米/微结构上具有可重复性、基底无关性和保形性。这种合成方法的多功能性是由iCVD实现的，它可以沉积具有精确控制厚度的保形和可重复的聚合物涂层(25)虽然咪唑啉基两性离子聚合物尚未使用全干法合成，但该方法的可扩展性和鲁棒性(6)它有望在材料开发的发现到部署的过程中迅速发展，从而降低了病毒传播的风险，并减少了通过咪唑啉基两性离子聚合物控制COVID-19的传播的经济损失。
结果
iCVD法制备前驱体共聚物
采用两步蒸汽处理法合成了咪唑基两性离子聚合物(图1)第一步，进行乙烯基咪唑（VI；单体）和二乙烯基苯（DVB；交联剂）的iCVD沉积。随后在第二步中使用1,3-丙炔酮蒸汽对共聚物的涂层进行处理，以获得咪唑基两性离子聚合物(26,27).包括交联剂DVB，是因为两性离子聚合物的强水合作用常常使其在水环境中可溶。在各种基材上引入DVB使耐用涂层，已证明可降低聚合物溶解度并提高iCVD聚合物涂层的机械强度(28)iCVD技术由于其全干特性，使得交联剂易于加入，使用该技术可获得不溶性和超耐久性的薄膜(25).
共聚物组成的优化
我们系统地改变共聚物膜的组成，以同时优化（i）抗病毒/抗菌性能，这需要更高的VI含量；（ii）膜的耐久性，这需要更高的DVB含量(29)通过调节VI和DVB的流量来控制共聚物的组成(图1)，这又决定了一个关键的合成参数，P米/P坐即单体分压与其在级温下的饱和压力之比。P米/P坐根据Brunauer-Emmett-Teller等温线，表示底物表面（即发生聚合的地方）上单体的浓度(30)P米/P坐对于所有沉积，VI和DVB的值保持恒定在~0.5，以保持~5 nm·min的沉积速率?1以及防止单体的冷凝（这可能导致薄膜缺陷）(31)此外，在iCVD反应器中，采用了一个氩气片流来保持总气体流速恒定，以确保在不同的沉积过程中，iCVD反应器内的停留时间不变。
采用x射线光电子能谱（XPS）和傅立叶变换红外光谱（FTIR）对共聚物膜的组成进行了定量分析。XPS测量扫描证实了沉积聚合物膜中O、N和C的基本成分（图S1，表S1）。注意，在XPS测量扫描中检测到可观的氧浓度，这是由于不定有机物和引发剂自由基引起的，第三者-丁氧化物。在所用灯丝温度下（即230°C），第三者-丁氧化物被认为是主要的起始物种(32)此外，氧气的加入第三者-由于六氧化二丁酯的低反应性，其作为终止物种的作用可能进一步增强。聚（1-乙烯基咪唑）（PVI）、聚（二乙烯基苯）（PDVB）和共聚物膜的FTIR光谱证实了它们的化学结构(图1C).在3105、1512和664厘米处的吸收带?1，分别归因于C–H，C=N的伸缩振动和咪唑环的振动，表明VI成功地被引入到聚合物薄膜中(33).吸附量2871cm?1乙烯基键的存在来自DVB。两个山峰分别在1228和1284厘米处?1其特征是Ⅵ中的咪唑环，峰值在2871cm?1由于它们不与其它峰重叠，表现出很强的吸附性，因此用DVB法计算共聚物中VI单元的含量。
使用Beer-Lambert方程(34)假设在这里合成的所有聚合物的键振子强度相同，则在1228和1284厘米处的双吸收峰下面积?1（咪唑环）和2871厘米处的吸收?1分别计算未反应的乙烯基和乙烯基共聚物的浓度。以前也有类似的方法用于计算DVB和4-乙烯基吡啶共聚物的组成（详见补充材料）(35).
结果总结如下图1B共聚物中的VI含量在17%到55%之间，这是由于VI的低反应性。根据以前的报告，这些薄膜中的高交联度被认为可以提高机械强度，从而提高耐久性(35).用XPS测量扫描计算的元素组成如表S1所示，其中VI的含量略低于FTIR计算的含量。我们选择FTIR作为组分分析的基础，因为XPS结果对动态表面链重取向具有已知的敏感性(36)以及污染。共聚物按其VI组成命名。例如，根据基于FTIR的计算，含有55%VI和45%DVB的共聚物在下文中被标记为“CP55”。
对共聚物进行衍生以获得两性离子部分
用1,3-丙砜蒸汽处理共聚物膜24小时，使咪唑基转变为咪唑基两性离子部分。衍生化反应的温度是可变的，以在较高的温度下获得高转化率和良好的反应条件之间取得平衡，以确保该方法适用于广泛的底物，其中一些底物可能具有有限的热稳定性。例如，普通医用塑料（如PVC或聚苯乙烯）的软化点（如通过热变形试验确定的软化点）为~70°C(37).
对在步骤1中获得的具有最大VI含量（即CP55）的共聚物进行一系列衍生反应，以使两性离子部分的可实现成分最大化，从而达到抗菌效果。使用40℃、60℃和100℃的衍生化温度，并将100℃作为对照组，其中预期完全转化。为了反映不同的衍生化温度，处理后的共聚物样品用其VI含量表示，然后用衍生化温度表示。例如，含有55%VI和45%DVB并在40℃下衍生的共聚物在下文中标记为“CP55-40”。
红外光谱证实了咪唑基两性离子聚合物的成功制备(图1E)新的峰值在1037厘米?1被认为是对称拉伸的结果三?集团(图1D)表明两性离子结构的形成(38).为了捕捉整个薄膜中两性离子的浓度，峰值在1352厘米处?1，O=S=O的反对称拉伸特征，峰值在664cm?1对未反应咪唑环进行了比较。随着衍生化温度的升高，样品的FTIR光谱在1352cm处出现一个更明显的峰?1峰值在664厘米处逐渐减小?1，表明两性离子在聚合物膜中的浓度增加(图1E以及图S2）。然而，正如我们之前所证明的那样(27)用高分辨XPS对聚合物涂层的抗菌性能进行了详细的表征。
用全干法合成表面富集的两性离子部分
为了研究咪唑基两性离子在衍生膜中的表面浓度，我们对N（1s）、C（1s）和S（2p）进行了XPS测量扫描和高分辨率扫描(图2B无花果。S3至S5）。401.5ev处的峰值对应于咪唑环中的N（1s）（在图2B)而在399.5和400.6 eV处的峰值对应于PVI中两个未反应的氮原子（分别为橙色和蓝色图2B) (39,40)。当将衍生化温度从40°C增加到60°C时，转化率从51.5%略微提高到70.2%，但进一步提高到100°C并不会进一步提高转化率（78.9%）(图2B)C（1s）和S（2p）高分辨率扫描进一步证实了薄膜表面的这种成分。图S3所示的卷曲碳信号归因于三类化学环境（即咪唑环中两个氮原子之间的碳、氮或硫旁边的碳或碳包围的碳），其组成与N（1s）扫描结果一致。S（2p）高分辨率扫描证实了SO三?部分。因此，随后的实验选择衍生化温度为60°C，因为在该温度下实现了较高的转化率，同时保持在上述共同软化点以下。
水接触角（CA）也测量了处理后的薄膜的宏观亲水性，它反映了衍生化步骤的转化率，并与污垢粘附的潜在焓值相关，从而确定了防污性能(图2A)PVI和PDVB的CA分别为16.9°±1.2°和87.3°±0.3°。两组分共聚后，CP55的CA值为55.3°±2.3°，由于CP26和CP17中DVB含量较高，其CA值分别为79.5°±0.5°和78.9°±0.9°，接近PDVB的CA值(图2A).在这些测量期间获得的静态CA图像包括在图S6中。用1,3-丙炔酮水蒸气处理的薄膜，其水CA值明显降低。随着衍生化温度的升高，三种前体聚合物的CA值普遍降低。其中，CP55-60和CP55-100表现出超亲水性（即CA值低于10°），尽管DVB含量高达45%，CP55-60和CP55-100的CA值分别为9.9°±2.1°和7.5°±0.7°。这种超亲水性归因于表面集中的两性离子部分，用高分辨率XPS证明了这一点。通过咪唑和咪唑含量的深度分布，扩散限制衍生自发地形成了从涂层表面到主体膜的浓度梯度，在最顶部表面实现了最高转化率（图S7）(41).
我们进一步证明，iCVD涂层保留了基体的形貌，即原子力显微镜（AFM）获得的表面粗糙度在iCVD过程和衍生化前后保持不变(图2C)与未涂层硅片的表面粗糙度[0.11±0.01nm均方根（RMS）粗糙度]相比，涂有CP55的硅片表面粗糙度值分别为0.51±0.06和0.44±0.08nm。卓越的光滑性还确保了病毒或细菌附着的可用结合部位的最小暴露量。
咪唑基两性离子聚合物对人冠状病毒HCoV-OC43的灭活作用
用人HCoV-OC43测定了咪唑基两性离子聚合物的抗病毒活性倍他科诺病毒与SARS-CoV-2同属一个属，但杀伤力较低(42).作出这一选择是为了确保本文报告的结果适用于引起大流行的病原体，同时尽量减少以下所述实验的风险。为了测试抗病毒活性，我们比较了咪唑基两性离子聚合物与玻璃、PVC和Cu的排斥和失活效率，这些材料代表了公共、医疗和制造设施中常用的一系列无机、塑料和金属表面。这些表面的抗病毒活性通过两种方法来描述：（i）在干燥环境条件下病毒的失活，如下所述；和（ii）在水下条件下病毒的排斥作用，这将在下一节讨论。
病毒失活是用我们开发的一个过程来评估的，这个过程是在干燥的环境条件下模拟含有病毒的液体在表面的干燥。用HCL-8作为宿主建立HCL-8细胞悬液培养方案(43)]将其涂在上述表面[即玻璃、PVC、Cu和涂层CP55-60（应用于玻璃载玻片上）]，在实验室环境下风干约30分钟。一旦确认无可见液体，随后将表面在34°C、50%相对湿度下培养24小时，最后，用磷酸盐缓冲盐水（PBS）剧烈洗涤收集病毒，并评估其传染性。再次将HCT-8细胞作为宿主细胞进行感染性检测。将悬浮在PBS溶液中的HCoV-OC43以0.05的感染倍数（MOI）接种于HCT-8细胞，并于感染后36h进行病毒培养定量。随后，分别用Hoechst 33358和一级抗HCoV-OC43 S抗体和Alexa-Fluor 568标记的山羊抗兔免疫球蛋白G（IgG）对HCT-8和HCoV-OC43进行染色，以进行成像。
如所示图3A，用不同颜色区分HCT-8和HCoV-OC43，其中细胞核为蓝色，病毒染色为红色。病毒在细胞核周围有大量的蓝色颗粒，表明病毒在细胞核周围增殖。这种细胞被标记为感染细胞。通过病毒感染细胞百分数的统计，可以间接地知道接种病毒的传染性。
如所示图3B在相同条件下，CP55-60表面的病毒感染率最低（即感染细胞占细胞总数的比例）为13.4%，而在相同条件下，玻璃、聚氯乙烯和铜表面的病毒感染率分别为28.0%、31.5%和51.5%。CP55-60在干燥环境条件下对冠状病毒的灭活能力归因于咪唑基两性离子聚合物与富含芳香族氨基酸之间通过阳离子-π相互作用或极性相互作用进行的各种分子相互作用，导致蛋白质变性（即在SARS-CoV-2表面的尖峰糖蛋白）接触两性部分后发生变性。理论上，咪唑基两性离子聚合物的这种相互作用更强，因为咪唑啉C2位的碳原子带着相当大的正电荷。这种电荷使它的氢成为一种极好的氢键供体，使其与氨基酸的相互作用增强。
人类冠状病毒HCoV-OC43在咪唑啉基两性离子聚合物上的粘附性降低
还量化了水下病毒的排斥作用，以评估咪唑基两性离子聚合物在生理相关条件下抵抗病毒粘附的能力。上述表面用HCoV-OC43病毒悬浮液孵育，用中位组织培养感染剂量（TCID50，一个病毒滴度的测量）107.5/ml为最高浓度的储备液，室温下30min使病毒粘附。病毒通过物理吸附附着在表面，与孵育时间相关性不大(44)因此，我们选择相对较短的培养时间来捕捉病毒的潜在粘附力。
利用扫描电镜（SEM）图像表征病毒颗粒的粘附密度(图3C).为了确保我们的结果具有统计代表性，我们在每个表面上拍摄了四幅不重叠的扫描电镜图像，视野为25μm×15μm（详见图S8和补充资料中的数据分析）。该视野的大小被选择为足够大，以捕捉病毒粘附的统计平均值，而不会丢失正确识别病毒纳米颗粒所需的分辨率，平均值仅为100至200 nm，呈球形（图S9）。
如所示图3C在所有被测表面中，CP55-60在潜伏期结束时表现出最低的病毒粘附量。对照组表面病毒粘附密度为8.1×106/厘米2（玻璃），1.4×106/厘米2（PVC），4.3×105/厘米2（Cu）处理后，CP55-60涂层表面的附着密度降低了97.4%，为2.1×105/厘米2与玻璃表面相比。
以前的研究表明，用两步气相法合成的两性离子聚合物可以带轻微的负电荷（例如ζ电位在附近?13 mV，吡啶基两性离子聚合物在100 mM NaCl标准溶液中，pH值为7）(26)。虽然表面负电荷是可取的，因为病毒粒子也被认为是带负电荷的(45)，我们并不认为静电排斥是病毒粘附减少的主要原因，因为电荷中性是咪唑啉两性离子聚合物所证明的抗生物污染行为的先决条件。我们认为这种病毒粘附力的降低归因于CP55-60的强水合作用和电荷中性，使病毒颗粒与表面之间的非特异性结合最小化(15,46).
咪唑基两性离子聚合物生物膜的形成和铁载体的生成
除了优异的抗病毒性能外，咪唑基两性离子聚合物还可减少生物膜的形成，这与迄今报道的甲基丙烯酸或吡啶基两性离子聚合物的防污性能相当(47).为了表征CP55-60的污垢热阻，P、 铜绿假单胞菌菌株PAO1因其具有快速产生生物膜的能力而被选为模型生物(48)每年因PAO1引起的住院病例数量巨大(49).
利用O'Toole协议对生物膜生长进行量化(50)已被用于表征平面基板和涂层表面的防污性能(43).与卫生保健设施中常用的PVC材料相比，CP55-60涂层的生物膜形成减少，涂层表面的生物膜量为PVC的16%，采用结晶紫染色法进行测量(50)相比之下，未经衍生化的CP55或PDVB引起的生物膜生长与PVC相当(图4A)此外，CP55-60上生物膜形成的减少并不是由于其抗菌作用，因为与所有表面一起孵育的液体培养物在600 nm（OD）下显示出相似的稳定光密度600)（图S10）。咪唑基两性离子涂料与现有抗菌涂料的区别在于，两性离子表面的细菌没有被灭活，这是毫无价值的。两性离子表面的强水合作用抑制了细胞的粘附，而无需杀死细胞。因此，与抗菌表面相比，两性离子表面通常具有更持久的抑制生物膜形成的效果(51)在四个表面上生长的PAO1生物膜的SEM图像被捕捉，以进一步了解表面化学对生物膜生理的影响(图4B)PVC、PDVB和CP55显示出一层厚厚的生物膜，其中含有致密的胞外聚合物（EPS），而生长在CP55-60上的生物膜则呈现稀疏的线状EPS。
猖獗的PAO1生物膜不断地分泌毒力因子，如吡哆酮，从宿主体内去除大量的铁离子，对哺乳动物细胞造成严重的毒性，如线粒体损伤、电子转移和5′-三磷酸腺苷的生成减少，并最终导致线粒体的更新(52)。因此，抑制微生物pyoverdine的产生有可能减轻P、 铜绿假单胞菌(23)为了证明咪唑啉基两性离子聚合物能够减少吡咯啶的生成，通过460nm处的荧光强度测量上清液中吡咯啶的含量，然后用OD标准化600以抵消培养条件的潜在变化。与CP55、PDVB或PVC表面相比，CP55-60显著降低了吡咯定的生成(图4C)这是由于生物膜形成有限。
无溶剂合成方法的底物无关性和共形性
上述全干法合成方法用于在（i）以厘米级曲率弯曲的基底上制备吡啶基两性离子涂层（即96孔板；图5A)，（ii）具有卷曲3D结构的微孔（即玻璃纤维过滤器；图5B)，和（iii）长径比高达165的纳米孔（即具有800 nm孔的聚碳酸酯膜；图5C)在96孔板上有一层600纳米厚的涂层，在玻璃纤维上有一层200纳米的涂层，在聚碳酸酯膜上有一层10纳米的涂层，基板的形貌得到了很好的保存。每个涂层的厚度小于其特征长度的10%，以保持其原始形态。
利用扫描电镜（SEM）能量色散x射线分析（EDX）证明了CP55-60涂层在各种基材上的成功合成以及涂层的一致性，其中硫元素（仅存在于CP55-60涂层中而不存在于任何基体中）的元素映射表明涂层的存在。此外，硫的分布与底层的纳米和微观结构完全重叠(图5、B和C)在涂层基底上，这意味着CP55-60涂层具有良好的一致性。这种合成方法的适形性和与底物无关性相结合，表明了咪唑基两性离子聚合物在医疗保健和制造业等众多行业中的广泛应用，并承诺其可重复合成和一致的抗病毒和防污性能，以减轻公众健康威胁。
讨论
我们开发了一种基于咪唑啉的两性离子聚合物，它能有效地抑制人类冠状病毒HCoV-OC43的接触失活和抗粘附。基于咪唑基两性离子化学的设计基于两性离子化学已知的防污性能，以及两性离子部分与芳香氨基酸之间的相互作用，芳香族氨基酸普遍存在于冠状病毒的棘状糖蛋白中，导致病毒失活。
为了模拟冠状病毒的传播过程，将含有HCoV-OC43的液滴（代表气溶胶）应用于基于咪唑啉的两性离子聚合物、铜表面、玻璃和PVC上，并在量化HCoV-OC43的传染性之前让液滴蒸发，以证明接触失活的效果。该方法表明，仅接触咪唑基两性离子聚合物可将HCoV-OC43的感染性降低至13.4%，与被认为具有抗菌作用的铜表面相比，感染性降低了74%(6)。由于脱水，病毒在表面自然失活。据报道，在30℃下，未经处理的普通表面上病毒的半衰期为10至32小时(1)其中福米特传播对人类健康构成严重威胁。在CP55-60表面，由于咪唑啉和病毒之间的假设相互作用，这种失活被加速了。由于咪唑啉化学和病毒颗粒脱水的综合作用，较长的病毒表面接触时间可能会导致病毒进一步失活。
咪唑基两性离子聚合物在潮湿条件下也表现出优良的防污性能。通过将聚合物与HCoV-OC43悬浮液孵育，然后量化粘附在表面上的病毒粒子数量来评估抗粘附性。与广泛使用的玻璃表面相比，咪唑基两性离子聚合物的病毒粘附力降低了97.4%。与标准PVC表面相比，该聚合物进一步减少了PAO1生物膜的形成84%，并使生物膜分泌的毒力因子pyoverdine的产生减少了33%，证明了其具有抗污染性，同时也暗示了生长在咪唑基两性离子聚合物上的生物膜的毒性降低。
开发了一种与衬底无关的共形合成方法，以使本文报道的两性离子涂层能够在广泛的设备中方便地展开。用iCVD方法成功地用咪唑啉基两性离子聚合物包覆了各种具有弯曲表面和/或高纵横比纳米/微孔结构的基底。虽然两步合成过程可能会增加放大过程中工艺设计的复杂性，但这两个步骤都可以在一个真空室中完成，从而提高其与工业制造配置的兼容性。利用iCVD实现辊对辊制造的最新突破(53,54)进一步支持了真空工艺扩大的潜力，即在20米的柔性基底上获得了保形和均匀的涂层2因此，基于真空的处理保证了材料和合成方法的快速部署，以保护公众健康并减少与控制福米特传播相关的经济损失。
咪唑基两性离子聚合物具有优异的抗病毒和防污性能。虽然进一步增加咪唑啉基两性离子部分的含量，例如，超过这里所达到的55%的含量，可以提高它们的抗病毒效果，但VI的低反应性(55)限制了其与共聚物的结合。未来一个重要的研究目标是通过优化交联剂或用其他活性更强的咪唑啉使能单体取代VI来提高VI的含量。此外，尽管C2介导的抗病毒机制和已证实的抗病毒效果，但基于咪唑啉的两性离子聚合物上病毒失活的基本机制仍然不清楚，这是我们当前和未来研究的一个关键焦点。另外，虽然由于CP55-60具有高度的交联度和光滑的表面形貌，其厚度对其抗病毒防污性能的影响不大，但膜厚对其长期稳定性和性能的影响仍然是我们未来研究的重点。然而，抗病毒两性离子聚合物代表了抗冠状病毒材料设计的重大进步。这种聚合物作为涂层的非基底应用暗示着其应用范围广且容易，这将减少COVID-19大流行对经济和健康的影响。
材料和方法
引发化学气相沉积
所有的聚合物涂层都是在定制的圆柱形真空反应器（Sharon vacuum Co.，Brockton，MA，USA）中使用iCVD技术制造的。引发剂的热激发是通过加热安装在平行灯丝阵列上的0.5毫米镍/铬丝（80%镍/20%铬，古德费罗）来提供的。灯丝温度由一个反馈回路控制，反馈回路的读数来自与其中一根灯丝相连的热电偶。灯丝固定器横跨沉积阶段，该阶段使用冷却器保持在所需的基板温度。灯丝阵列与载物台之间的垂直距离约为2cm。在各种基底上进行沉积：硅晶片（P/Bo<100>，PureWave）、96孔微板（2797，康宁）、玻片（Thermo Fisher Scientific）、皮氏培养皿（Thermo Fisher Scientific）、铜箔（MTI Corporation）、PVC片材（McMaster-Carr）、玻璃纤维过滤器和聚碳酸酯膜过滤器（Sigma-Aldrich）。微板的冷却通过一个定制的铝制支架得到了进一步的加强。发起者[第三者-过氧化丁基（TBPO）（98%；Sigma-Aldrich）]和单体[VI（99%；Sigma-Aldrich）和DVB（Sigma-Aldrich，80%）未经进一步纯化而使用。在iCVD沉积过程中，TBPO和氩气片流分别以1.0标准立方厘米/分钟和所需流量在室温下通过质量流量控制器供给反应器。将VI在玻璃罐中加热至70°C，以产生足够的压力来驱动蒸汽流。在230°C的灯丝温度下沉积薄膜。室的总压力由蝶阀控制。利用HeNe激光光源（波长633nm，JDS单相）对硅衬底上薄膜的生长进行了原位干涉测量。
衍生化
在结晶皿（VWR）中加入1g 1,3-丙炔砜（98%；Sigma-Aldrich）将其固定在结晶皿（VWR）中。将结晶皿放置在真空烘箱中，该烘箱保持在所需温度24小时，以使1,3-丙炔酮蒸汽与PVI反应-有限公司-DVB涂层。
聚合物薄膜表征
在Bruker-Vertex V80v真空FTIR系统上进行了透射式FTIR测量。氘化硫酸三甘氨酸KBr检测器，探测范围为400～4000cm?1决议以4厘米通过?1.测量平均超过64次扫描，以获得足够的信噪比。所有光谱均通过减去硅的背景光谱进行基线校正。
在XPS过程中，使用表面科学仪器SSX-100esca光谱仪分析样品，工作压力约为1×10?9托尔。在直径为800μm的区域内，收集了带有光电子的单色alkαx射线（1486.6ev）。以55°发射角收集光电子，源-分析仪夹角为70°。半球形分析仪测定电子动能时，宽/测量扫描的通过能量为150 eV，高分辨率扫描的通过能量为50 eV。用洪水枪对非导电样品进行电荷中和。数据分析由CasaXPS以雪莉为背景进行。所有样品在室温下真空保存一周后进行XPS分析。为了测量咪唑与咪唑含量的深度分布，我们用离子研磨法在硅片上制备了CP55-60薄膜。使用XPS测量扫描分别对20、40、60和100nm的腐蚀深度进行取样。通过分析硫的含量（原子比）来计算咪唑和咪唑基的含量。计算未反应咪唑的含量作为咪唑含量的补充。
CA测量采用配备自动饮水机的Rame Hart 500型测角仪进行。静态钙测量是使用一个2μl液滴在涂有聚合物薄膜的硅片上记录的。
表面粗糙度和地形测量使用庇护研究MFP-3D-BIO AFM。在抽头模式下，以1.0Hz的频率记录2.5μm×2.5μm区域的扫描。
扫描电镜图像和元素图是用蔡司gemini500在10千伏的加速电压下获得的。在成像之前，所有样品都被溅射镀金。这些光学图像是用iphone12pro获得的。
抗病毒疗效的表征
HCT-8结肠上皮细胞[American Type Culture Collection（ATCC）CCL-244]和H-CoV-OC43（ATCC VR1558）由G.Whittaker实验室提供。HCT-8细胞保存在Dulbecco改良的Eagle培养基（DMEM）（美国康宁市），含有10%胎牛血清（FBS）（Gibco，USA）和1%青霉素/链霉素（Gibco，USA）。细胞在37°C和5%CO下生长为单层2.H-CoV-OC43在34°C和5%CO的HCT-8细胞中生长和增殖2在含2%FBS和1%青霉素/链霉素的DMEM中。感染后8天，用两次冻融循环对感染细胞进行裂解。用离心法清除含病毒的液体，并对其进行分析，并将其储存在?80℃，病毒滴度为107.5TCID50/毫升。
首先将基底（玻璃载玻片、铜箔、PVC片和涂有600 nm CP55-60的玻璃载玻片）切成1 cm×1 cm的片。为了使病毒附着在表面，将底物浸入病毒悬浮液中，在室温下培养30min。然后用浓度增加的50%、70%、85%、95%和100%乙醇轻轻洗涤底物。从扫描电镜图像中计数附着病毒的数量。扫描电镜图像是用蔡司gemini500在3千伏的加速电压下获得的。成像前，在所有样品上溅射一层2nm的金层。
为了测试表面灭活，将10μl病毒储备液分散在尺寸为1.5 cm×1.5 cm的样品上。样品在室温下风干，然后转移到保持在34°C和50%湿度的培养箱中24小时。然后用总量为1 ml的PBS反复洗涤样品，将病毒转移到溶液中。免疫荧光法检测HCT-8细胞（5×10）4每孔细胞数）在3.5 mm玻璃底皿（Cellvis，USA）中培养，然后在0.05的MOI下感染HCoV-OC43，并在34°C下培养36小时。36小时后，用4%多聚甲醛固定HCT-8细胞。固定细胞用PBS洗涤两次，在室温下用0.5%tritonx-100渗透13分钟。随后，在室温下将样品在PBS中的5%山羊血清中封闭45分钟，并在4°C下用稀释为1:500的主要抗HCoV-OC43 S抗体（Cusabio）在PBS中的3%山羊血清中培养过夜。随后，用Alexa Fluor 568标记的山羊抗兔IgG（Thermo Fisher Scientific）在PBS中稀释1:1000，培养1小时。细胞核用Hoechst33258（Thermo Fisher Scientific）在PBS中稀释1:10000染色。免疫染色后，用0.5%Tween-20在PBS中冲洗细胞。最后，将染色培养物安装到玻片上，在延长钻石防褪色介质（Thermo Fisher Scientific）中，并在4°C下保存。
传染性（%）由下式计算。对每个样本，从五个不同领域的细胞计数
生物膜形成
PAO1来自?80°C冷冻原料在曲古菌素a板上划线。将培养皿置于培养箱（37°C）中过夜，直到形成单个菌落。取单个菌落接种于溶源肉汤（LB）培养基中。将接种的培养基在37°C下培养一整夜，使其在摇床（225 rpm）中保持静止。将过夜悬浮液在新鲜LB培养基中稀释100倍，并在37℃下在摇床（225 rpm）上培养，直到光学密度达到0.2。然后将150μl的细菌悬浮液加入到经表面修饰的96孔微孔板的每孔中。将微板培养24小时（37°C），以确保生物膜成熟。然后将液体转移到新的微板中。通过将培养物暴露于405nm的激发光并记录460 nm处的荧光强度，可以获得吡咯地丁的相对浓度。用去离子水（dH）用力冲洗每口井三到四次，以去除剩余的液体培养物和松散附着的细菌2O） 一。然后用175μl dH染色生物膜2O用0.1重量%的结晶紫溶液浸泡10分钟。然后，通过清洗每个孔三到四次，去除结晶紫溶液，直到每个孔中的液体变成透明溶液。在室温下将微孔板在空气中干燥24小时，以除去每个孔中的残余水。随后形成生物膜。在每个孔中加入200μl乙酸溶液（30 v/v%）释放吸收结晶紫，并通过测量OD用分光光度法定量吸收结晶紫的相对量570使用微板阅读器（Infinite M1000 Pro，帝肯）。
为了获得生物膜的扫描电镜图像，在微板培养24小时后，用含有2%戊二醛和1%四氧化锇的0.05M碳酸钙缓冲液固定。然后用临界点干燥法脱水。扫描电镜图像是用蔡司gemini500在3千伏的加速电压下获得的。在成像之前，所有样品都被溅射镀金。
统计分析
实验至少进行了三次统计分析。所有数据均以平均值±标准差表示。统计学意义由配对学生的t测试。
