季铵盐及其在抗菌材料中的应用

季铵盐及其在抗菌材料中的应用陈一宁;但年华;肖世维;陈娇;但卫华【摘要】Theantimicrobialperformances,characteristicsandmechanismofquaternaryammoniumsaltareintroduced,thedifferenttypesofquaternaryammoniumsaltandtheirapplicationinantibacterialmaterialsarereviewed,andthenthedevelopmentdirectionofquaternaryammoniumsaltantibacterialmaterialsinthefutureispredicted.%介绍了季铵盐的抗菌性能、抗菌特点与抗菌机理，综述了不同类型季铵盐及其在抗菌材料中的应用，展望了季铵盐抗菌材料未来发展的方向。【期刊名称】《西部皮革》【年(卷)，期】2013(000)008【总页数】5页(P13-16,21)【关键词】季铵盐;抗菌;材料【作者】陈一宁;但年华消世维;陈娇;但卫华【作者单位】四川大学制革清洁技术国家工程实验室，四川成都610065泗川大学制革清洁技术国家工程实验室，四川成都610065;四川大学生物医学工程技术研究中心，四川成都610065;四川大学制革清洁技术国家工程实验室，四川成都610065;四川大学制革清洁技术国家工程实验室，四川成都610065;四川大学制革清洁技术国家工程实验室，四川成都610065;四川大学生物医学工程技术研究中心，四川成都610065【正文语种】中文【中图分类】TQ113.791引言抗菌是指采用化学或物理方法杀灭细菌或妨碍细菌生长繁殖及其活性的过程［1］,一般包括杀菌和抑菌。抗菌材料是一类具有抑菌和杀菌性能的新型功能材料，可以通过添加或复合的方式赋予普通产品一定的抗菌自洁功能［2］。由于季铵盐具有抗菌力强、广谱抗菌、方便易得等特点，自1935年德国人G.Domark发现烷基二甲基氯化铵的杀菌作用并利用其处理军服以防止伤口感染以来，季铵盐类抗菌剂的研究一直是研究者关注的重点。用季铵盐制备的抗菌材料具有较好的抗菌性能，在医疗、水处理、食品等很多方面得到广泛应用。2季铵盐及抗菌材料概述季铵盐为铵离子中的四个氢原子都被烃基取代而生成的化合物，是一种阳离子表面活性剂，具有良好的杀菌性能，其杀菌有效部分为有机根与氮原子结合成的阳离子基团。2.1小分子类季铵盐2.1.1抗菌特点小分子类季铵盐是指R基链长较短（一般相对分子质量小于500）的一类季铵盐，这种季铵盐制备简单，杀菌力强，广谱抗菌，方便迅速，用途十分广泛。图1季铵盐分子通式2.1.2抗菌机理与抗菌性能季铵盐的抗菌效果良好，人们对于小分子季铵盐类的抗菌效果已有了较多的研究。早在上个世纪，Franklin就发现了长链烷基季铵盐如漠化十六烷基三甲铵有很强的抗菌能力［3］。并且，人们对于抗菌机理也有较多的研究，目前认为小分子季铵盐的抗菌作用过程可分为六个步骤［4］：（1）吸附到菌体表面；（2）穿透细胞壁;（3）与细胞膜结合；（4）扰乱细胞膜组成；（5）细胞内物质如K+、DNA、RNA等的泄漏；（6）菌体死亡。2.1.3构效关系季铵盐的抗菌效果与结构间有密切联系。张长荣等［5］研究表明具有烷基的季铵盐类的抗菌效果与其结构变化之间的关系为：对单烷基型，烷基链的长短对抗菌性能影响较大，具有最佳链长的有最大的活性；对双烷基型，R1碳链长短对杀菌力影响较大，当R1碳链中碳原子数目最佳时杀菌力最大；R2为苄基及其衍生物的杀菌力要比甲基的高得多。其毒性与结构之间的关系为：同类季铵盐烷基链短的毒性要比长的大；在烷基链长相同时，带甲基的毒性要比带苄基的大；单烷基的毒性要比双烷基的大。此外，季铵盐中所含阴离子对其抗菌效果也会产生影响，例如：苯扎溴铵（十二烷基二甲基苄基漠化铵）与苯扎氯铵（十二烷基二甲基苄基氯化铵）相比，两者具有相似的活性，在同等试验情况下，苯扎漠铵比苯扎氯铵具有更好的杀菌活性：在10mg/L有效物的用量下，苯扎漠铵对异养菌的杀灭率为98.9%，而苯扎氯铵对异养菌的杀灭率为98.3%，并且苯扎漠铵比苯扎氯铵具有更低的毒性。ChenChrisZhisheng等［6］研究了树枝状分子结构的季铵盐的抗菌性能，同样发现了阴离子为Br-的季铵盐比阴离子为Cl-的季铵盐杀菌性能强。2.1.4新型小分子季铵盐一般的小分子类季铵盐在长期使用中普遍存在易洗脱、易挥发、不易加工、化学稳定性差等缺点［7］。将小分子季铵盐进行改性，可以进一步改善其使用性能。将硅氧烷引入季铵盐结构中制得有机硅季铵盐，可改善普通季铵盐刺激性较强及作为抗菌剂应用时易洗脱等的缺点。并且得到的有机硅季铵盐还具有耐高温和持久的效果［8］。有许多研究者提出双季铵化合物［9］。该类化合物采用一个联接基或称链中桥将两个传统的季铵盐分子联接起来。它不仅拥有更强的表面活性，而且分子中有两个带正电荷的N+，更有利于杀菌剂分子在细菌表面的吸附，从而改变细胞壁的渗透性，使菌体破裂。该类杀菌剂吸附到菌体表面后，有利于疏水基与亲水基分别深入菌体细胞的类脂层与蛋白层；此外，在链桥中引入S、N等原子，通过协同作用能使双季铵盐类化合物具有更强的杀菌能力［10］。2.1.5小分子季铵盐抗菌材料图2有机硅季铵盐图3双季铵化合物季铵盐小分子制备而成的材料大量应用于医疗卫生、食品和日用化工等领域，以药物贴最为广泛。苯扎氯铵（十二烷基二甲基苄基氯化铵）为阳离子表面活性剂类广谱杀菌剂，其抗菌性主要源于正电荷吸附细胞膜，十二碳烷基刺破细胞膜。在临床试验中［11］用苯扎氯铵贴代替无菌贴膜用于遮盖滞留针穿刺后的针眼可杀灭局部及侵入的细菌，保持穿刺部位无菌，在168例次中无一例感染。医院认为苯扎氯铵贴价格便宜，应用方便，不影响局部观察，效果好，值得推荐。使用苯扎氯铵药物贴与一次性护脐带280例新生儿的临床应用，证实苯扎氯铵贴的护脐效果优于传统的脐部包扎法，具有弹性好、防滑脱、收敛、止血、抗感染的作用［12］。陈吉华等［13］用甲基丙烯酰氧乙基-正十六烷基-二甲基氯化铵改性牙本质粘接剂材料的抗菌性，得出了添加季铵盐型抗菌单体的树脂基粘接剂具有良好的抗菌性能及季铵盐型抗菌单体具有进一步应用于牙科抗菌修复材料的前景的结论。该季铵盐单体中甲基丙烯酸酯基团一端为与材料聚合端，发挥抗菌作用的是另一端的季铵盐基团，其十六碳的侧链具有疏水作用，甲基上的正电荷具有吸附作用。2.2高分子类季铵盐2.2.1抗菌特点许多有机高分子化合物不仅具有小分子化合物的优点，还能克服小分子化合物的一些缺点：带有抗菌基团的有机高分子化合物比小分子抗菌剂有更好的抗菌性。近年来出现的高分子抗菌剂是将抗菌基团接枝在不溶性高分子载体上。抗菌基团集中在载体表面，使得浓度变大，杀菌时间缩短，杀菌效果提高［14］。加之，高分子季铵盐型抗菌剂具备抗菌效果显著、耐热性好、毒性低等优点［15］，因此高分子类季铵盐抗菌剂已经成为了抗菌剂领域研究的热点。2.2.2抗菌机理与抗菌性能高分子抗菌剂的抗菌机制往往比较复杂，不仅与其载体和抗菌基团有关，其相对分子质量、相对分子质量分布及携带的特殊基团和电荷都可能会对其抗菌性产生影响［16］。高分子化后的季铵盐型抗菌剂的灭菌机理目前尚不十分明确，但一般认为其作用过程也服从小分子季铵盐的抗菌步骤。季铵盐分子经高分子化后相对分子质量增大，电荷密度提高，有助于吸附并与细菌细胞膜结合，但在穿透细胞膜时阻力有所增大。综合效果为高分子化后杀菌效果能大幅提高［17］。夏英等［18］以氯球（交联氯甲基聚苯乙烯）为载体，将其与含有不同取代基的三元胺进行季铵化反应，制备了一系列不溶性的季铵盐高分子抗菌剂，发现随三元胺中取代基碳链长度的加长，含乙基、丙基、丁基的三种抗菌剂的抗菌性能逐渐增强，并判断是因为取代基碳链的增长能提高抗菌剂的憎水性，从而有利于抗菌基团和细胞壁的相互作用，提高抗菌剂杀灭细菌的能力。并且，由不同交联度的氯球制备的抗菌剂中杀菌活性官能团季铵盐的固载量随交联度的增大而减小（即抗菌性减小）［19］。王蕊欣等［20］研制了季铵化的4-乙烯基毗啶-丙烯酰胺共聚物（QCVA）,并考察其抗菌性和抗菌机理，实验发现，当菌浓度为1x109CFU/mL时，QCVA的MIC值为20mg/L,说明其有很强的抗菌作用，并且在pH值为5.3时抗菌率接近100%。其抗菌机理为带正电的QCVA被吸附到菌体表面，穿透细胞壁与细胞膜的类脂层和蛋白质层结合，阻碍细菌对外界的正常离子交换和物质交换，并破坏控制细胞渗透性的原生质膜，使细胞内物质外渗，致使细菌死亡。2.2.3高分子季铵盐抗菌材料目前，将抗菌基团接枝到高分子载体上的方法主要有用配位键固定抗菌基团和用共价键固定抗菌基团，后者又包括辐射引入、通过非辐射的接枝反应引入、通过共聚反应引入［21］。由此得到的带有抗菌基团的高分子材料具有良好的抗菌性。硅橡胶是广泛应用于医疗领域的一种材料，但缺乏一定的抗菌性，通过季铵盐对其进行表面改性能提高材料的抗菌性能。例如Munro等使用氯化三十二烷基季铵盐来修饰硅氧烷弹性体，氯化三十二烷基季铵盐带有强正电和三个疏水链，有助于吸附细菌及穿透细胞膜从而达到接触性灭菌的目的，可以大幅度减少细菌在材料表面的吸附［22］。周静茹等［23］将季铵盐PEQA成功负载在活性炭（AC）表面，得到的P-AC活性炭不仅有优异的吸附性能，还具备了高效的杀菌性能。PEQA为阳离子聚合杀菌剂，对革兰阴性菌（如大肠杆菌）的杀菌效果良好，P-AC引入前期主要抑制菌种生长，同时起到了快速杀菌作用，P-AC引入后期，菌种基数降低，杀菌效果更明显。2.2.4天然高分子改性产物合成类季铵盐高分子材料抗菌效果良好，但生物相容性是其亟待解决的一个方面。将季铵盐与生物相容性良好的物质结合起来是改善其生物相容性可行的方法之一。在众多具有良好的生物相容性的物质中，壳聚糖还具有广谱的抗菌性、无毒性、可生物降解性等性质，但其天然抗菌活性较低且只在酸性领域内显示抗菌活性，因此应用受到限制［24］。然而，将壳聚糖与季铵盐结合起来制备的天然高分子改性产物——壳聚糖季铵盐有较强的抗菌活性。壳聚糖季铵化改性产物综合了壳聚糖和季铵盐杀菌的优点，既保持了壳聚糖作为天然氨基多糖特有的生物性能，又兼具了季铵盐易溶于水、杀菌效力高的优点［25，26］。壳聚糖季铵盐结构，取代部位等对其抗菌活性的影响较大。赵希荣等［27］对合成的系列单取代和双取代壳聚糖季铵盐进行了抗菌试验。实验结果表明，研究制备的壳聚糖季铵盐对食品中常见的致病菌，尤其是对大肠杆菌具有较强的抗菌性，单取代壳聚糖季铵盐抗菌活性弱于双取代壳聚糖季铵盐。在双取代壳聚糖季铵盐中，O-季铵化-N-壳聚糖肉桂醛席夫碱对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的MIC分别达到了0.01%和0.02%。并且，发现具有电子容纳（接受）中心和电子供给中心组成的电子中继系统可显著提高壳聚糖衍生物的抗菌活性。屠美等[28]以壳聚糖季铵盐、壳聚糖为基本原材料，选用戊二醛为交联剂及固定剂，制备一种物理力学性能较优的抗凝血材料。在动物实验中使用该材料的兔子均未发炎、伤口无红肿，可见复合膜材对兔子无毒无刺激，具有良好的生物相容性和组织相容性，且具有一定的抗菌性能。3展望季铵盐具有抗菌性强、较稳定等优点，应用前景十分广阔。良好的季铵盐抗菌材料应具备的特点有：①具有广谱抗菌性；②抗菌强度高；③在抗菌性能好的同时减少其毒性，安全，具有良好生物相容性；④环境友好，可生物降解，无污染；⑤抗菌剂与材料的反应具有结合性，而非简单物理混合或吸附；⑥使用方便，理化性能良好，简单易得；⑦对环境依赖程度低，应用条件不受限。除此之外，季铵盐在抗菌材料中应用的研究方向还应着重于其抗菌的针对性和释放的时间性，例如定点释放抗菌基团来达到对特殊部位抗菌的目的，抗菌的缓释作用，在抗菌的同时不伤害其它无害细菌，对细菌耐药性的改善等。参考文献：HG/T3794-2005，无机抗菌剂一性能及评价[S].全国橡胶与橡胶制品标委会化学助剂分委会，20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