基于阳离子杀菌剂增强的选定聚苯乙烯基共聚物薄膜的基材抗菌涂层

《Polymer Testing》：Antibacterial coating of substrates based on cationic biocides-enhanced thin films of selected polystyrene-based copolymers

表面改性聚苯乙烯-聚异戊二烯-聚苯乙烯（SIS）和聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯（SBS）薄膜的抗菌性能及表面特性研究。通过溶液 casting法直接添加或结合紫外/等离子体处理与氯己定（CHX）或十六烷基三甲基铵溴化物（DTAB）修饰，制备薄膜并测试其抗菌活性。CHX修饰的SIS薄膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的细菌存活率降至0.2%，显著优于DTAB。表面电荷（zeta电位）和亲水性（接触角）分析表明，负电荷降低和亲水性增强与抗菌活性正相关，尤其是CHX引入的氨基和氧化产生的羟基增强了表面亲水性和生物杀灭效果。AFM和FTIR表征显示，UV/等离子体处理形成氧化基团并促进CHX与聚合物相互作用，SBS薄膜 roughness更高且对金属/玻璃基材附着力更强。研究证实，CHX结合表面改性能有效提升聚合物薄膜的抗菌性能，为医疗、食品包装等领域的抗菌涂层开发提供新思路。

　　### 抗菌涂层的开发与应用

在当今社会，抗菌材料和表面的研究具有重要的现实意义。随着微生物污染问题在多个领域日益严重，从医疗设备到食品包装，再到废物管理，开发有效的抗菌涂层已成为一个重要的科学挑战。这类涂层不仅能够防止微生物附着，还能在接触时杀死大量细菌，从而有效降低感染风险。本研究探讨了聚苯乙烯-聚异戊二烯-聚苯乙烯（SIS）和聚苯乙烯-聚丁二烯-聚苯乙烯（SBS）两种薄层聚合物薄膜的制备、改性和表征。研究采用了两种不同的方法对聚合物薄膜进行改性：一种是直接将抗菌剂加入聚合物溶液中；另一种则是先对原始样品进行等离子体或紫外线处理，然后再将其浸泡在含有抗菌剂的乙醇溶液中。通过这种多样的方法，研究团队旨在探索这些材料作为抗菌涂层的潜力，并评估其在不同基材上的稳定性和抗菌性能。

### 抗菌剂的作用机制与特性

抗菌剂（Antimicrobial Agents, AAs）是一类能够抑制或杀灭微生物的化合物，广泛应用于医疗、日常用品和工业领域。在本研究中，选择了两种典型的阳离子抗菌剂：氯己定（CHX）和十二烷基二甲基苄基溴（DTAB）。这些抗菌剂的结构特点决定了其与聚合物基材的相互作用方式。例如，CHX是一种双胍类抗菌剂，其分子中含有多个氨基基团，能够通过静电作用与微生物细胞表面的负电荷发生相互作用。而DTAB则是一种季铵盐类化合物，其分子结构中包含一个永久带正电的铵基团，这使得它在某些消毒剂中具有重要作用。

阳离子抗菌剂的抗菌机制通常包括静电吸引、渗透和扩散等过程。它们能够破坏微生物细胞膜的结构，干扰蛋白质合成和代谢路径，甚至影响核酸合成。这种作用机制使得阳离子抗菌剂在抑制微生物生长方面表现出较高的效率。然而，不同抗菌剂的分子结构和取代基团的性质对它们的抗菌性能有着显著的影响。例如，DTAB含有较长的碳链，其非极性特征可能限制了它与聚合物基材的结合能力，从而影响了其抗菌效果。

### 聚合物薄膜的制备与改性

本研究中，SIS和SBS薄膜的制备采用了溶液浇铸法，这是一种相对简单且实用的方法。具体而言，SIS和SBS分别溶解在氯仿和环己烷中，形成均匀的溶液。随后，将这些溶液倒入培养皿中，并在通风橱中静置数日，使其自然干燥成薄膜。这种方法能够确保薄膜的均匀性和稳定性，同时也便于后续的改性处理。

在改性过程中，研究团队采用了两种不同的策略。第一种是直接将抗菌剂加入聚合物溶液中，通过搅拌使其均匀分布。第二种是通过等离子体或紫外线处理，改变聚合物表面的化学性质，从而增强抗菌剂的结合能力。等离子体和紫外线处理能够引入新的极性基团，提高聚合物表面的亲水性，从而促进抗菌剂的吸附和释放。这种表面改性不仅增强了抗菌剂的抗菌性能，还改善了薄膜在不同基材上的附着力。

### 表征方法与结果分析

为了全面评估这些抗菌聚合物薄膜的性能，研究团队采用了多种表征方法。这些方法包括表面电位（Zeta Potential）测定、接触角测量、原子力显微镜（AFM）分析、傅里叶变换红外光谱（FTIR）检测以及抗菌活性测试。

#### 表面电位测定

表面电位是评估聚合物薄膜抗菌性能的重要参数之一。通过SurPASS 3仪器进行的电位测定显示，未经改性的SIS和SBS薄膜具有较大的负电位，这与它们表面的非极性碳氢链有关。当加入CHX或DTAB后，电位显著变化。例如，SIS薄膜在加入CHX后，电位变得更接近中性，这表明CHX分子在表面形成了较多的氨基基团，从而改变了表面的电荷特性。相比之下，DTAB由于其分子结构中的单一铵基团，导致表面电位的变化幅度较小。这种电荷变化与抗菌性能之间存在一定的相关性，特别是对于CHX改性的薄膜而言，较低的电位值与较高的抗菌活性相吻合。

#### 接触角测量

接触角是衡量表面润湿性的关键指标，能够间接反映材料的抗菌性能。研究发现，未经改性的SIS和SBS薄膜具有较高的接触角，表明它们是疏水性的。而经过等离子体或紫外线处理后，接触角显著降低，表明表面变得更加亲水。亲水性增强有助于抗菌剂的吸附和释放，从而提高抗菌效果。此外，CHX改性的薄膜在接触角上表现出更显著的降低，说明其与聚合物表面之间的相互作用更为强烈。

#### 原子力显微镜（AFM）分析

AFM分析揭示了不同改性方法对聚合物薄膜表面形貌的影响。结果显示，经过等离子体或紫外线处理的SIS和SBS薄膜表面更加粗糙，这可能与表面化学变化有关。例如，处理后的表面可能引入了更多的极性基团，从而增加了表面的粗糙度。这种形貌的变化对抗菌性能有重要影响，因为粗糙的表面可能提供更多的接触点，促进抗菌剂与微生物的相互作用。此外，CHX改性的薄膜在AFM图像中显示出更显著的表面变化，表明其与聚合物之间的结合更为紧密。

#### 傅里叶变换红外光谱（FTIR）检测

FTIR分析用于检测抗菌剂在聚合物表面的引入及其对化学结构的影响。结果显示，CHX和DTAB的引入导致了SIS和SBS薄膜中某些化学键的变化。例如，CHX的氨基基团与聚合物表面发生了相互作用，形成了新的化学键，如醚键和酯键。这些化学键的形成不仅改变了薄膜的表面化学性质，还可能影响其抗菌性能。此外，等离子体和紫外线处理引入了新的极性基团，如羟基和羰基，进一步增强了薄膜的亲水性和抗菌能力。

#### 抗菌活性测试

抗菌活性测试是评估抗菌涂层性能的核心部分。研究团队使用了滴板法，将细菌悬液滴在薄膜表面，并在一定时间后进行计数。结果显示，CHX改性的薄膜表现出显著优于DTAB改性的抗菌效果。例如，SIS薄膜在加入0.5% CHX并经过紫外线处理后，细菌存活率仅为0.2%，而DTAB改性的薄膜则表现出较高的细菌存活率，通常在30%以上。这表明，CHX在抗菌性能方面具有明显优势，特别是在对抗革兰氏阴性菌（如大肠杆菌）和革兰氏阳性菌（如金黄色葡萄球菌）时。

### 表面特性与抗菌性能的关系

研究发现，表面电荷和润湿性对抗菌性能有着显著影响。负电荷的表面通常能够通过静电排斥作用减少细菌的附着，而亲水性表面则有助于抗菌剂的扩散和渗透。因此，表面电荷和润湿性的变化可能成为影响抗菌性能的重要因素。此外，表面附着力的增强也对抗菌涂层的稳定性至关重要。研究团队发现，经过等离子体或紫外线处理的SBS薄膜在不同基材上表现出更强的附着力，这可能是由于其表面的化学改性导致的。

### 实际应用与未来展望

本研究的成果表明，基于SIS和SBS的抗菌涂层在多个领域具有广泛的应用前景。例如，在医疗设备、食品包装和废物管理中，这些涂层能够有效防止微生物污染，提高卫生和安全性。然而，尽管这些材料表现出良好的抗菌性能，仍存在一些挑战。例如，如何提高SIS基涂层的附着力，确保抗菌效果的持久性，以及评估其生物相容性和环境影响等。这些挑战需要进一步的研究和优化。

总的来说，本研究展示了将抗菌剂引入聚合物基材以开发高效抗菌涂层的潜力。通过结合等离子体或紫外线处理与抗菌剂的引入，可以显著提高抗菌性能。未来，随着材料科学和表面工程技术的进步，这些抗菌涂层有望在更多实际应用中发挥重要作用，为提高公共卫生和工业安全提供新的解决方案。