季銨鹽及其在抗菌材料中的應(yīng)用

季銨鹽及其在抗菌材料中的應(yīng)用陳一寧;但年華;肖世維;陳嬌;但衛(wèi)華【摘要】Theantimicrobialperformances,characteristicsandmechanismofquaternaryammoniumsaltareintroduced,thedifferenttypesofquaternaryammoniumsaltandtheirapplicationinantibacterialmaterialsarereviewed,andthenthedevelopmentdirectionofquaternaryammoniumsaltantibacterialmaterialsinthefutureispredicted.%介紹了季銨鹽的抗菌性能、抗菌特點(diǎn)與抗菌機(jī)理，綜述了不同類型季銨鹽及其在抗菌材料中的應(yīng)用，展望了季銨鹽抗菌材料未來發(fā)展的方向?！酒诳Q】《西部皮革》【年(卷)，期】2013(000)008【總頁數(shù)】5頁(P13-16,21)【關(guān)鍵詞】季銨鹽;抗菌;材料【作者】陳一寧;但年華消世維;陳嬌;但衛(wèi)華【作者單位】四川大學(xué)制革清潔技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，四川成都610065泗川大學(xué)制革清潔技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，四川成都610065;四川大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究中心，四川成都610065;四川大學(xué)制革清潔技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，四川成都610065;四川大學(xué)制革清潔技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，四川成都610065;四川大學(xué)制革清潔技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，四川成都610065;四川大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)研究中心，四川成都610065【正文語種】中文【中圖分類】TQ113.791引言抗菌是指采用化學(xué)或物理方法殺滅細(xì)菌或妨礙細(xì)菌生長繁殖及其活性的過程［1］,一般包括殺菌和抑菌?？咕牧鲜且活惥哂幸志蜌⒕阅艿男滦凸δ懿牧?，可以通過添加或復(fù)合的方式賦予普通產(chǎn)品一定的抗菌自潔功能［2］。由于季銨鹽具有抗菌力強(qiáng)、廣譜抗菌、方便易得等特點(diǎn)，自1935年德國人G.Domark發(fā)現(xiàn)烷基二甲基氯化銨的殺菌作用并利用其處理軍服以防止傷口感染以來，季銨鹽類抗菌劑的研究一直是研究者關(guān)注的重點(diǎn)。用季銨鹽制備的抗菌材料具有較好的抗菌性能，在醫(yī)療、水處理、食品等很多方面得到廣泛應(yīng)用。2季銨鹽及抗菌材料概述季銨鹽為銨離子中的四個氫原子都被烴基取代而生成的化合物，是一種陽離子表面活性劑，具有良好的殺菌性能，其殺菌有效部分為有機(jī)根與氮原子結(jié)合成的陽離子基團(tuán)。2.1小分子類季銨鹽2.1.1抗菌特點(diǎn)小分子類季銨鹽是指R基鏈長較短（一般相對分子質(zhì)量小于500）的一類季銨鹽，這種季銨鹽制備簡單，殺菌力強(qiáng)，廣譜抗菌，方便迅速，用途十分廣泛。圖1季銨鹽分子通式2.1.2抗菌機(jī)理與抗菌性能季銨鹽的抗菌效果良好，人們對于小分子季銨鹽類的抗菌效果已有了較多的研究。早在上個世紀(jì)，F(xiàn)ranklin就發(fā)現(xiàn)了長鏈烷基季銨鹽如漠化十六烷基三甲銨有很強(qiáng)的抗菌能力［3］。并且，人們對于抗菌機(jī)理也有較多的研究，目前認(rèn)為小分子季銨鹽的抗菌作用過程可分為六個步驟［4］：（1）吸附到菌體表面；（2）穿透細(xì)胞壁;（3）與細(xì)胞膜結(jié)合；（4）擾亂細(xì)胞膜組成；（5）細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)如K+、DNA、RNA等的泄漏；（6）菌體死亡。2.1.3構(gòu)效關(guān)系季銨鹽的抗菌效果與結(jié)構(gòu)間有密切聯(lián)系。張長榮等［5］研究表明具有烷基的季銨鹽類的抗菌效果與其結(jié)構(gòu)變化之間的關(guān)系為：對單烷基型，烷基鏈的長短對抗菌性能影響較大，具有最佳鏈長的有最大的活性；對雙烷基型，R1碳鏈長短對殺菌力影響較大，當(dāng)R1碳鏈中碳原子數(shù)目最佳時殺菌力最大；R2為芐基及其衍生物的殺菌力要比甲基的高得多。其毒性與結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系為：同類季銨鹽烷基鏈短的毒性要比長的大；在烷基鏈長相同時，帶甲基的毒性要比帶芐基的大；單烷基的毒性要比雙烷基的大。此外，季銨鹽中所含陰離子對其抗菌效果也會產(chǎn)生影響，例如：苯扎溴銨（十二烷基二甲基芐基漠化銨）與苯扎氯銨（十二烷基二甲基芐基氯化銨）相比，兩者具有相似的活性，在同等試驗(yàn)情況下，苯扎漠銨比苯扎氯銨具有更好的殺菌活性：在10mg/L有效物的用量下，苯扎漠銨對異養(yǎng)菌的殺滅率為98.9%，而苯扎氯銨對異養(yǎng)菌的殺滅率為98.3%，并且苯扎漠銨比苯扎氯銨具有更低的毒性。ChenChrisZhisheng等［6］研究了樹枝狀分子結(jié)構(gòu)的季銨鹽的抗菌性能，同樣發(fā)現(xiàn)了陰離子為Br-的季銨鹽比陰離子為Cl-的季銨鹽殺菌性能強(qiáng)。2.1.4新型小分子季銨鹽一般的小分子類季銨鹽在長期使用中普遍存在易洗脫、易揮發(fā)、不易加工、化學(xué)穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)［7］。將小分子季銨鹽進(jìn)行改性，可以進(jìn)一步改善其使用性能。將硅氧烷引入季銨鹽結(jié)構(gòu)中制得有機(jī)硅季銨鹽，可改善普通季銨鹽刺激性較強(qiáng)及作為抗菌劑應(yīng)用時易洗脫等的缺點(diǎn)。并且得到的有機(jī)硅季銨鹽還具有耐高溫和持久的效果［8］。有許多研究者提出雙季銨化合物［9］。該類化合物采用一個聯(lián)接基或稱鏈中橋?qū)蓚€傳統(tǒng)的季銨鹽分子聯(lián)接起來。它不僅擁有更強(qiáng)的表面活性，而且分子中有兩個帶正電荷的N+，更有利于殺菌劑分子在細(xì)菌表面的吸附，從而改變細(xì)胞壁的滲透性，使菌體破裂。該類殺菌劑吸附到菌體表面后，有利于疏水基與親水基分別深入菌體細(xì)胞的類脂層與蛋白層；此外，在鏈橋中引入S、N等原子，通過協(xié)同作用能使雙季銨鹽類化合物具有更強(qiáng)的殺菌能力［10］。2.1.5小分子季銨鹽抗菌材料圖2有機(jī)硅季銨鹽圖3雙季銨化合物季銨鹽小分子制備而成的材料大量應(yīng)用于醫(yī)療衛(wèi)生、食品和日用化工等領(lǐng)域，以藥物貼最為廣泛。苯扎氯銨（十二烷基二甲基芐基氯化銨）為陽離子表面活性劑類廣譜殺菌劑，其抗菌性主要源于正電荷吸附細(xì)胞膜，十二碳烷基刺破細(xì)胞膜。在臨床試驗(yàn)中［11］用苯扎氯銨貼代替無菌貼膜用于遮蓋滯留針穿刺后的針眼可殺滅局部及侵入的細(xì)菌，保持穿刺部位無菌，在168例次中無一例感染。醫(yī)院認(rèn)為苯扎氯銨貼價(jià)格便宜，應(yīng)用方便，不影響局部觀察，效果好，值得推薦。使用苯扎氯銨藥物貼與一次性護(hù)臍帶280例新生兒的臨床應(yīng)用，證實(shí)苯扎氯銨貼的護(hù)臍效果優(yōu)于傳統(tǒng)的臍部包扎法，具有彈性好、防滑脫、收斂、止血、抗感染的作用［12］。陳吉華等［13］用甲基丙烯酰氧乙基-正十六烷基-二甲基氯化銨改性牙本質(zhì)粘接劑材料的抗菌性，得出了添加季銨鹽型抗菌單體的樹脂基粘接劑具有良好的抗菌性能及季銨鹽型抗菌單體具有進(jìn)一步應(yīng)用于牙科抗菌修復(fù)材料的前景的結(jié)論。該季銨鹽單體中甲基丙烯酸酯基團(tuán)一端為與材料聚合端，發(fā)揮抗菌作用的是另一端的季銨鹽基團(tuán)，其十六碳的側(cè)鏈具有疏水作用，甲基上的正電荷具有吸附作用。2.2高分子類季銨鹽2.2.1抗菌特點(diǎn)許多有機(jī)高分子化合物不僅具有小分子化合物的優(yōu)點(diǎn)，還能克服小分子化合物的一些缺點(diǎn)：帶有抗菌基團(tuán)的有機(jī)高分子化合物比小分子抗菌劑有更好的抗菌性。近年來出現(xiàn)的高分子抗菌劑是將抗菌基團(tuán)接枝在不溶性高分子載體上?？咕鶊F(tuán)集中在載體表面，使得濃度變大，殺菌時間縮短，殺菌效果提高［14］。加之，高分子季銨鹽型抗菌劑具備抗菌效果顯著、耐熱性好、毒性低等優(yōu)點(diǎn)［15］，因此高分子類季銨鹽抗菌劑已經(jīng)成為了抗菌劑領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。2.2.2抗菌機(jī)理與抗菌性能高分子抗菌劑的抗菌機(jī)制往往比較復(fù)雜，不僅與其載體和抗菌基團(tuán)有關(guān)，其相對分子質(zhì)量、相對分子質(zhì)量分布及攜帶的特殊基團(tuán)和電荷都可能會對其抗菌性產(chǎn)生影響［16］。高分子化后的季銨鹽型抗菌劑的滅菌機(jī)理目前尚不十分明確，但一般認(rèn)為其作用過程也服從小分子季銨鹽的抗菌步驟。季銨鹽分子經(jīng)高分子化后相對分子質(zhì)量增大，電荷密度提高，有助于吸附并與細(xì)菌細(xì)胞膜結(jié)合，但在穿透細(xì)胞膜時阻力有所增大。綜合效果為高分子化后殺菌效果能大幅提高［17］。夏英等［18］以氯球（交聯(lián)氯甲基聚苯乙烯）為載體，將其與含有不同取代基的三元胺進(jìn)行季銨化反應(yīng)，制備了一系列不溶性的季銨鹽高分子抗菌劑，發(fā)現(xiàn)隨三元胺中取代基碳鏈長度的加長，含乙基、丙基、丁基的三種抗菌劑的抗菌性能逐漸增強(qiáng)，并判斷是因?yàn)槿〈兼湹脑鲩L能提高抗菌劑的憎水性，從而有利于抗菌基團(tuán)和細(xì)胞壁的相互作用，提高抗菌劑殺滅細(xì)菌的能力。并且，由不同交聯(lián)度的氯球制備的抗菌劑中殺菌活性官能團(tuán)季銨鹽的固載量隨交聯(lián)度的增大而減?。纯咕詼p?。?9］。王蕊欣等［20］研制了季銨化的4-乙烯基毗啶-丙烯酰胺共聚物（QCVA）,并考察其抗菌性和抗菌機(jī)理，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)菌濃度為1x109CFU/mL時，QCVA的MIC值為20mg/L,說明其有很強(qiáng)的抗菌作用，并且在pH值為5.3時抗菌率接近100%。其抗菌機(jī)理為帶正電的QCVA被吸附到菌體表面，穿透細(xì)胞壁與細(xì)胞膜的類脂層和蛋白質(zhì)層結(jié)合，阻礙細(xì)菌對外界的正常離子交換和物質(zhì)交換，并破壞控制細(xì)胞滲透性的原生質(zhì)膜，使細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)外滲，致使細(xì)菌死亡。2.2.3高分子季銨鹽抗菌材料目前，將抗菌基團(tuán)接枝到高分子載體上的方法主要有用配位鍵固定抗菌基團(tuán)和用共價(jià)鍵固定抗菌基團(tuán)，后者又包括輻射引入、通過非輻射的接枝反應(yīng)引入、通過共聚反應(yīng)引入［21］。由此得到的帶有抗菌基團(tuán)的高分子材料具有良好的抗菌性。硅橡膠是廣泛應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域的一種材料，但缺乏一定的抗菌性，通過季銨鹽對其進(jìn)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銨鹽來修飾硅氧烷彈性體，氯化三十二烷基季銨鹽帶有強(qiáng)正電和三個疏水鏈，有助于吸附細(xì)菌及穿透細(xì)胞膜從而達(dá)到接觸性滅菌的目的，可以大幅度減少細(xì)菌在材料表面的吸附［22］。周靜茹等［23］將季銨鹽PEQA成功負(fù)載在活性炭（AC）表面，得到的P-AC活性炭不僅有優(yōu)異的吸附性能，還具備了高效的殺菌性能。PEQA為陽離子聚合殺菌劑，對革蘭陰性菌（如大腸桿菌）的殺菌效果良好，P-AC引入前期主要抑制菌種生長，同時起到了快速殺菌作用，P-AC引入后期，菌種基數(shù)降低，殺菌效果更明顯。2.2.4天然高分子改性產(chǎn)物合成類季銨鹽高分子材料抗菌效果良好，但生物相容性是其亟待解決的一個方面。將季銨鹽與生物相容性良好的物質(zhì)結(jié)合起來是改善其生物相容性可行的方法之一。在眾多具有良好的生物相容性的物質(zhì)中，殼聚糖還具有廣譜的抗菌性、無毒性、可生物降解性等性質(zhì)，但其天然抗菌活性較低且只在酸性領(lǐng)域內(nèi)顯示抗菌活性，因此應(yīng)用受到限制［24］。然而，將殼聚糖與季銨鹽結(jié)合起來制備的天然高分子改性產(chǎn)物——?dú)ぞ厶羌句@鹽有較強(qiáng)的抗菌活性。殼聚糖季銨化改性產(chǎn)物綜合了殼聚糖和季銨鹽殺菌的優(yōu)點(diǎn)，既保持了殼聚糖作為天然氨基多糖特有的生物性能，又兼具了季銨鹽易溶于水、殺菌效力高的優(yōu)點(diǎn)［25，26］。殼聚糖季銨鹽結(jié)構(gòu)，取代部位等對其抗菌活性的影響較大。趙希榮等［27］對合成的系列單取代和雙取代殼聚糖季銨鹽進(jìn)行了抗菌試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研究制備的殼聚糖季銨鹽對食品中常見的致病菌，尤其是對大腸桿菌具有較強(qiáng)的抗菌性，單取代殼聚糖季銨鹽抗菌活性弱于雙取代殼聚糖季銨鹽。在雙取代殼聚糖季銨鹽中，O-季銨化-N-殼聚糖肉桂醛席夫堿對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的MIC分別達(dá)到了0.01%和0.02%。并且，發(fā)現(xiàn)具有電子容納（接受）中心和電子供給中心組成的電子中繼系統(tǒng)可顯著提高殼聚糖衍生物的抗菌活性。屠美等[28]以殼聚糖季銨鹽、殼聚糖為基本原材料，選用戊二醛為交聯(lián)劑及固定劑，制備一種物理力學(xué)性能較優(yōu)的抗凝血材料。在動物實(shí)驗(yàn)中使用該材料的兔子均未發(fā)炎、傷口無紅腫，可見復(fù)合膜材對兔子無毒無刺激，具有良好的生物相容性和組織相容性，且具有一定的抗菌性能。3展望季銨鹽具有抗菌性強(qiáng)、較穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景十分廣闊。良好的季銨鹽抗菌材料應(yīng)具備的特點(diǎn)有：①具有廣譜抗菌性；②抗菌強(qiáng)度高；③在抗菌性能好的同時減少其毒性，安全，具有良好生物相容性；④環(huán)境友好，可生物降解，無污染；⑤抗菌劑與材料的反應(yīng)具有結(jié)合性，而非簡單物理混合或吸附；⑥使用方便，理化性能良好，簡單易得；⑦對環(huán)境依賴程度低，應(yīng)用條件不受限。除此之外，季銨鹽在抗菌材料中應(yīng)用的研究方向還應(yīng)著重于其抗菌的針對性和釋放的時間性，例如定點(diǎn)釋放抗菌基團(tuán)來達(dá)到對特殊部位抗菌的目的，抗菌的緩釋作用，在抗菌的同時不傷害其它無害細(xì)菌，對細(xì)菌耐藥性的改善等。參考文獻(xiàn)：HG/T3794-2005，無機(jī)抗菌劑一性能及評價(jià)[S].全國橡膠與橡膠制品標(biāo)委會化學(xué)助劑分委會，2005，7.盧行芳，宋俊.抗菌材料及其在皮革行業(yè)中的應(yīng)用[J].皮革科學(xué)與工程，2006，16（1）：50-54.FranklinTJ,SnowgA.BiochemistryofAntimicrobialAction[M].London:ChapmanandHall,1989:59-61.周軒榕，盧滇楠，邵曼君，等.表面接枝季銨鹽型高分子材料抗菌過程的特性研究[J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)，2003，24（6）：1131-1135.張長榮，金聰玲.陽離子活性殺菌劑的合成進(jìn)展及其結(jié)構(gòu)與殺菌力的關(guān)系[J].陜西化工，1997，9：1-7,13.ChenChrisZhisheng,Beck-TanNoraC,DhurjatiPrasad,etal.Quaternaryammoniumfunctionalizedpoly（propyleneimine）dendrimersaseffectiveantimicrobials:Structure-activitystudies[J].Biomacromolecules,2000,1⑶:473-480.劉宏芳，董澤華，范漢香，等.硫酸鹽還原菌耐藥性研究[J].微生物學(xué)通報(bào)，1997，24（6）：344-346.謝瑜，張昌輝，徐旋.有機(jī)硅季銨鹽抗菌劑的研究進(jìn)展[J].中國膠黏劑，2008，17（2）：52-55.趙劍曦.新一代表面活性劑：Geminis[J].化學(xué)進(jìn)展，1999，11（4）.348-357.黃奇然，湯小燕，陳小丹.新型雙季銨鹽殺菌劑的合成和殺菌性能研究[J]廣東化工，2007，34（3）：9-10.鄭曉彥，何桂榮.苯扎氯銨貼在靜脈留置針中的應(yīng)用護(hù)理研究，2004，18（7）：1210.孫伯英，丁躍華.苯扎氯銨藥物貼一次性護(hù)臍帶的研制與臨床應(yīng)用[J].中國實(shí)用護(hù)理雜志，2006，22（8）：4-5.陳吉華，肖玉鴻，李芳，等.季銨鹽抗菌單體改性牙本質(zhì)粘接劑的抗菌性能研究[J].北京口腔醫(yī)學(xué)，2010，18（4）：181-184.劉耀斌，李彥鋒，拜永孝.抗菌聚合物合成及其抑菌性能的研究進(jìn)展[J].化學(xué)通報(bào)，2010（2）：118-125.SunLiping,DuYumin,FanLihong,etal.Preparation,characterizationandantimicrobialactivityofaquaternizedcarboxymethylchitosanandapplicationaspulp-cap[J].Polymers,2006,47:1796-1804.付建喜，周延清，王瑾曄.抗菌生物材料的研究現(xiàn)狀[J].中國組織工程研究與臨床康復(fù)，2008，12(32)：6327-6330.KanazawaA,IkedaT,EndoT.Polymericphosphoniumsaltsasanovelclassofcationicbiocides.H.Effectsofcounteranionandmolecularweightonantibacterialactivityofpolymericphosphoniumsalts[J].JPolymer,1993,31(6):1441-1447.[18廈英，孫洪，董曉麗，等.季銨鹽高分子抗菌劑的制備及其在PP中的應(yīng)用[J].塑料工業(yè)，2