耐Transpicuous-Cum-Fouling 3-Sulfopropyl丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸甲酯的共聚物达光电应用水生介质和医疗保健

文摘

光学传感器的范围和扫描仪在水生媒体,液体,和医疗诊断一直受限于缺乏透明屏蔽材料防污的潜力。在这个研究努力,灵巧的合成、表征和生物测定防污漆透明功能报告共聚物。3-sulfopropyl丙烯酸甲酯共聚物(SPMA)和甲基丙烯酸甲酯(MMA)是由自由基聚合合成在不同的比例。样品PSM20、PSM30 PSM40 PSM50, PSM60包含20%,30%,40%,50%,和60%按重量SPMA分别。合成产品通过红外光谱和特点¹核磁共振光谱。合成共聚物表现出优异的透明度,即。75%到88%,由紫外可见光谱分析决定。透光率从6%下降到2%,这些共聚物在改变3-sulfopropyl丙烯酸甲酯的浓度从20%到50%由于细菌和藻类生物膜的形成。水接触角值范围从18°- 63°与极性的增加和减少的共聚物。表面能量最小值58 mJ / m²和最高价值72 mJ / m²分别计算PSM20和PSM50 Chibowski方法和年轻的方程。样本PSM50已经表现出抗菌活性最高,即。,18毫米和19毫米,反对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌分别由磁盘扩散法。共聚物PSM50表明最低藻附着力Dictyosphaerium藻类作为光学显微镜观察到。这个较低的细菌和藻类附着归因于更高浓度的阴离子SPMA单体导致聚合物的官能团之间的静电排斥和微生物。因此,合成PSM50产品表现出良好的潜力达光电屏蔽在水介质和医疗诊断中的应用。

1。介绍

生物淤积是一个不受欢迎的发展不同类型的微生物在材料表面,导致各种问题,包括恶化的高分子材料,金属的腐蚀,减少设备效率(1]。生物淤积也受损的输入/输出信号传感器和扫描仪安装在水生身体通过增加透明度的透明盾牌。聚合物合成与特定的官能团与生物膜的形成的应用程序(2,3]。防污共聚物定义比疏水性和亲水性单体单元之间是一种简单的方法来控制微生物生长在商业规模4,5]。领域的聚合物,可以识别两种基本类型的材料,视添加剂是否暂时封闭内链的聚合物或永久连接(6,7]。聚合技术的进步促进了更复杂的聚合物结构的发展已被调查的一些合成防污聚合物(8,9]。迄今为止,大多数研究都集中在定制共聚物的组成系统,化学功能在哪里传播在聚合物链的长度(10,11]。防污高分子杀生的新兴材料应用在几个关键领域表面接触可能会受到细菌、病毒、藻类(12]。例如,约80 - 95%的医院尿路感染来源于尿导管(13]。这是更多的相关考虑COVID-19情况,材料和表面易受有害物种的附件,因此显示的重要性在医疗应用程序透明聚合物防污。这些防污高分子产品广泛应用于医疗器械、包装制品、固体和液体药品和交付系统(12]。各种技术已被用于防污高分子的合成;其中,自由基聚合提供了一个特定的方法对改性聚合物及其后续应用程序(14]。自由基聚合是一种重要的大分子的合成技术和符合各种官能团,不兼容的金属催化和离子聚合15]。由使用几个发起人如过硫酸铵、过硫酸钾,偶氮二异丁腈(16]。最重要的,重要的因素是20 - 100°C的精确温度范围进行自由基聚合在一个高度控制的方式与其他聚合技术由于其放热特性(17]。自由基聚合是不受质子杂质如水和散装可以执行18]。由于酯官能团丙烯酸单体很容易合成和生产的聚合物具有不同的特点19,20.]。前分析提出了这些属性的水化层聚合物链的根据地。评估的起源是很挑剔的武力蛋白质和蛋白质吸附的程度有显著影响(21,22]。这种强烈的水化效应会导致强烈的抵抗污染生物(22]。坚持污损生物的初始步骤导致生物膜的形成,降低了材料的效率与时间和造成重大局限性的端点效用许多材料(23]。用磺化单体官能团已报告在许多杀生的应用程序通过共聚,接枝等不同的合成方法3]。许多研究在这方面已经采取了其中Ahmed et al .,哪有做嫁接的poly-3-sulfopropyl丙烯酸甲酯(PSPMA)羧甲基纤维素(CMC)通过自由基聚合技术,有报道 抗菌活性(24]。哦等人合成刷SPMA带负电荷的单体与带正电的和中性的丙烯酸酯单体deadhesion的细菌 nN·nm (25]。梅等人合成共聚物SPMA和聚氧化乙烯(PEO)研究生物膜抑制牙齿26,27]。在先前的研究中,表面改性,纳米颗粒进行整合使用3-sulfopropyl甲基丙烯酸酯单体,防污性能进行了研究但不是主要关注他们的透明度。

考虑到透明的挑战和意义以及防污特性,在此,小说共聚物合成通过优化他们的透明度和防污性能。透明的防污共聚物3-sulfopropyl丙烯酸甲酯(SPMA)和甲基丙烯酸甲酯(MMA)是由自由基聚合合成在水的存在以DMF为溶剂通过改变单体共聚物的比率。防污效果和透光率百分比的共聚物,研究了通过改变成分SPMA和MMA单体中给出方案1。这些共聚物与较低的水接触角和高表面能显示良好的防污活性对克+ /负细菌和微藻(Dictyosphaerium物种)。抗菌活性对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌探索了磁盘扩散法,并进一步分析了细菌生物被膜的扫描电镜(28]。藻类生物膜的Dictyosphaerium物种研究了光学显微镜(29日]。当前工作的结果是显著的,并提供一个简单的方法来开发功能防污高分子通过优化透明医疗等各领域的潜在应用。

2。材料和方法

2.1。材料

所有化学试剂均为分析纯,使用没有任何进一步的净化或额外的治疗。甲基丙烯酸甲酯(MMA)(美国σ),3-sulfopropyl丙烯酸甲酯(SPMA) (Sigma-Aldrich、德国),偶氮二异丁腈(AIBN)、二甲基甲酰胺(DMF)、乙醇、多聚甲醛(PFA),和氢氧化钠从Sigma-Aldrich获得(德国)。胰蛋白示肉汤(TSB)(德国默克公司),磷酸缓冲溶液(PBS) (Amresco、比利时),Mueller-Hinton琼脂(尼古拉斯)(Daejung、韩国),和BG11介质(Scharlau、西班牙)是用于藻类的生长。生物,大肠杆菌(ATTC 8739),金黄色葡萄球菌(写明ATCC 6538)Dictyosphaeriumsp。(微藻)被用作代表菌株。解决方案和悬挂都是由蒸馏水。

2.2。共聚物的合成

聚合的丙烯酸酯单体通过自由基聚合技术在DMF和水在惰性气氛下70°C 2, 2 - - - - - -偶氮二异丁腈(AIBN)为引发剂(图1)[20.]。PSM50样品的合成,聚合SPMA和MMA在DMF:水60:40 ( )媒介和| SPMA | MMA | AIBN | 1: 1: 0.002摩尔比率。SPMA (1 g、4.8更易)、MMA (1 g, 9.9更易),AIBN(0.002克,0.0121更易)、DMF(12毫升),和H₂介绍了O(8毫升)three-neck烧瓶。聚合是连续的氮气吹扫下执行保持瓶中的惰性环境温度保持在70°C时通过油浴。聚合后,溶剂通过旋转蒸发器和共聚物在600毫米的压力和真空烘箱干40°C的温度在培养皿中。干燥后的共聚物,PSM50从培养皿中删除一个透明的形式表。不同共聚物的合成样品,上述过程重复除了SPMA和MMA单体的浓度改变列在下表中1。

2.3。表征和生物测定

傅里叶变换红外光谱(FTIR)进行使用力量,ALPHA-P红外光谱谱仪对官能团的决心。¹核磁共振光谱通过力量,提升400 MHz NMR谱仪通过溶解3毫克示例为1毫升氘DMSO溶剂在343 K温度下(30.]。紫外可见光谱进行JENWAY7315分析这些共聚物和透明度来计算吸收最大值( )值由于电子跃迁的官能团SPMA和MMA单体(31日]。样本容量的平衡水接触角 厘米²使用drop分析仪测定的克鲁斯DSA 25在室温下,前进和后退角计算的平均至少五个测量(32]。表面的细菌和藻类粘连高分子材料调查JEOL地产- 6490 la扫描电子显微镜和OPTIKA 600光学显微镜,分别。

抗菌活性是由磁盘扩散法使用负控制和庆大霉素PMMA作为积极的控制。细菌是存储在一个迟滞期在4°C琼脂板的形式和激活前抗菌试验。细菌有在刚做好的Mueller-Hinton琼脂(尼古拉斯)板和放入烤箱已经设置在37°C 24小时。菌落从新的增长混合成盐,和光学密度是0.5,使离心后使用麦克法兰标准。细菌培养(1毫升)大肠杆菌和金黄色葡萄球菌倒在琼脂。尼古拉斯盘子又放在烤箱在37°C 24小时,观察和压抑的区域(33]。所有实验进行至少三次,结果呈现的 。统计学意义是决定使用 - - - - - -测试( , , ,和 )(34]。生物膜的形成测试被执行大肠杆菌,写明ATCC 8739,金黄色葡萄球菌写明ATCC 6538年six-well盘子,好了共聚物的大小 厘米被投入每24小时。检索样本进一步处理PBS, PFA 4%,不同浓度的乙醇。干燥在无菌板块中进行,以避免污染。干燥后,样品被放置在4°C到进行SEM分析(35]。Dictyosphaerium微藻是用于测试生物膜的形成。接种物的Dictyosphaerium拍摄光线和空气新鲜种植的最佳媒介。这些细胞离心,用蒸馏水洗净。分光光度计的光密度是0.5 (29日]。粘附的研究进行使用Dictyosphaerium在准备防污共聚物P (SPMA-co-MMA),比较分析是由使用每种类型的共聚物。股票的培养液准备文化通过恰当地减少与BG11收购的浓度 细胞/毫升悬挂。每个样本的大小 厘米²被放置在一个glass-sterilized培养皿,藻悬挂倒在共聚物。这些板块中离心机40 rpm μ摩尔米²年代¹照明。经过一段时间的7天,聚合物样本从盘子中恢复,并且彻底用蒸馏水洗净。固定的藻细胞进一步进行洗涤用2.5%戊二醛共聚物,0.1磷酸盐缓冲剂,分别和不同浓度的乙醇。光学显微镜是用来检查藻类附着在共聚物P (SPMA-co-MMA) [29日]。

3所示。结果与讨论

3.1。红外光谱分析

各种PSPMA准备样品,PMMA, P (SPMA-co-MMA)通过红外光谱分析研究他们的官能团在图2。的红外光谱谱PSPMA,乐队在2960厘米¹是由于C−H不对称伸缩振动(36在吸收2897厘米¹被分配到C−H对称伸缩振动(37]。C = O伸缩振动是描绘在1726厘米¹(37),和乐队在1450厘米¹是由于饱和酯(38]。这个频谱显示C−H不对称变形CH₃在1485厘米¹H和C−对称变形CH₃在1475厘米¹(30.]。在1190厘米的信号¹和1041厘米¹被分配到的对称伸缩振动和对称伸缩振动₃集团(30.]。红外光谱谱的PMMA,乐队在1433厘米¹被分配到的不对称弯曲振动CH₃群PMMA (39]。吸收值为1381厘米¹是由于哟₃变形的PMMA (39]。特征信号观察到1265厘米¹和1145厘米¹分别对应于C-O-C拉伸和弯曲(39]。红外光谱乐队在1193厘米⁻¹是由于哟₃伸缩振动。振动在977厘米⁻¹和716厘米¹被分配到CH₂摇和摇摆模式分别为甲基丙烯酸(40]。

PSM50频谱,特征乐队被观察到749厘米¹由于拉伸ch₂群聚合物(38]。红外光谱乐队获得了1041厘米¹由于不对称伸缩振动₃(41]。乐队由于。伸缩振动的酯在1354厘米¹和1145厘米¹(19]。的红外光谱谱PSPMA, PMMA, P (SPMA-co-MMA),没有吸收观察C = C债券在1610 - 1680厘米¹范围;这证实了聚合发生在乙烯基群由于C = C双键信号消失了(37]。

3.2。¹核磁共振光谱学

的¹核磁共振光谱的P (SPMA-co-MMA)共聚物的PSM50示例图3说明了不同化学位移的峰值在DMSO在343 K与各种质子环境在不同化学根在共聚物(39]。MMA和SPMA观察信号的频谱。质子的动态运动有显著的变化,验证结构的共聚物,由于协会现象描述雄辩的光谱变化(42]。在这个光谱,观察标准主峰由于DMSO溶剂为2.5 ppm (43]。另一个特征峰由于哟₂观察组SPMA略向上为4.2 ppm (42]。此外,阅读2.72 ppm信号由于CH₂所以₃K共振(42]。插图显示共振在3.1 - -3.5 ppm也表明共聚物的形成(43]。峰值为1.1 ppm和1.8 ppm代表甲基链所包围的不同的环境(38]。

3.3。紫外可见光谱

紫外可见光谱图4P (SPMA-co-MMA)共聚物显示吸光度在波长200 - 320纳米的范围。很明显从光谱PSM20和PSM30有更大的透光率和≈≈88%和85%相比PSM40和PSM50和≈≈81%和76%,分别。共聚物PSM50和PSM40强烈吸光度低于300海里PSM30和PSM20相比。这吸收边生成由于磺酰内的电子激发组(O = S = O)和羰基(C = O)发色团在共聚物(38]。最强烈的吸收带中发现从200年到250纳米光谱是由于过渡的O = S = O和C = O系统(44]。

图4也描绘了透光率作为入射光波长的函数而透光率下降和吸光度增加而增加的浓度SPMA单体共聚物PSM20 PSM60。然而,光透射PSM60显著降低SPMA浓度增加,导致损失的透明度。这是由于自由电子的存在在SPMA吸收入射光的电磁能量和兴奋更高能级占领能量乐队,导致更少的光穿透它(45]。从图得出的结论4PSM60透明度很低所以微不足道进行进一步的表征和应用。另一方面,MMA单体具有较高的透光率,因为MMA没有自由电子,走向对光子吸收传导带(45]。

这些共聚物的透明度影响生物膜的形成,如图5。PSM50 SPMA单体的浓度更大,预计将拥有更高的防污性能由于亲水性带负电荷的磺化组。共聚物与更多SPMA单体导致最低附着的微生物和低生物膜,导致小百分比透光率下降。在PSM50 SPMA单体的浓度是50%,和2%透光率下降后观察生物膜的形成而在PSM20 SPMA单体的浓度是20%导致更多的污损生物的附着;因此,生物膜形成后观察透射率降低了6%。共聚物PSM40和PSM30 SPMA单体含量按重量的40%和30%之间PSM50透光率和PSM20展出 透光率降低后,生物膜的形成。

3.4。测量接触角和表面能

接触角的合成共聚物P (SPMA-co-MMA)被观察到高度依赖SPMA单体的摩尔比在图6。共聚物PSM50、PSM40 PSM30, PSM20了接触角17°,29°,56°,分别和63°。水接触角明显受到极性液体的相互作用的影响,例如,水亲水官能团的P (SPMA-co-MMA)共聚物₃集团(46]。water-polymer接口,有极性水分子的相互作用和取向聚合物链结构的阴离子基团(46]。水分子在聚合物链可以直接从气相界面后改变方向(37]。明显的表面自由能也估计基于平衡水接触角的方法(47]。表面能增加与减少平衡水接触角明显反映在图6(46]。表面自由能计算值依赖于水的物理化学性质(48]。Chibowski相关性,年轻的方程,和平衡接触角明显的表面自由能的计算(46,49]: 在哪里是明显的表面自由能,是液体表面张力,就是平衡接触角。

3.5。抗菌活性

抗菌活性的共聚物P (SPMA-co-MMA)与不同浓度的SPMA执行对革兰氏阳性细菌金黄色葡萄球菌和革兰氏阴性细菌大肠杆菌的磁盘扩散法同时测量记录的抑制区。数据7(一)和7 (b)代表防污的评价活动的共聚物相比,药物(庆大霉素)积极控制和PMMA作为消极的控制,分别。是观察合成共聚物有显著的抗菌活性大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。共聚物的统计分析是使用配对双尾执行 - - - - - -测试技术通过建立一个单独的共聚物的平均值和标准偏差。误差线显示标准差和星号( )代表重要值。

观察到抗菌活性是增强通过增加浓度的阴离子SPMA亲水性单体合成共聚物P (SPMA-co-MMA) [50]。细菌沉降和粘连主要是依赖于表面粗糙度,疏水性、亲水性,静电电荷在材料表面(25,51]。在这些合成共聚物,阴离子磺化组材料表面产生静电斥力(37,42]。这些静电斥力形成中发挥了重要作用显著的抑制区与SPMA单体含量的增加43]。细菌细胞壁是由大分子由羧酸盐、磷酸盐和氨基官能团,静电电荷诱导细胞外围(52]。两种细菌金黄色葡萄球菌和大肠杆菌对由于表面负电荷磷脂的结构和被共聚物含有阴离子₃组织SPMA单体由于排斥静电相互作用[53]。这些结果表明,更高浓度的SPMA共聚物中单体成分可能产生更多的聚合物之间的斥力和细菌(35,54]。在共聚物SPMA单体浓度的增加导致增强水氢键和低污染21]。这些阴离子共聚物能够有效地与水分子相互作用,导致较低的解决细菌在更高程度上(35]。

3.6。细菌生物被膜的扫描电镜分析

表面的生物膜的形成准备了共聚物也研究了扫描电镜技术在数字8和9。生物膜的发展、组成、分布和下层关系调查SEM技术在文献[55- - - - - -57]。明显,合成共聚物表现出良好的抗菌活性大肠杆菌和金黄色葡萄球菌。这些细菌的粘附减少合成共聚物由于静电斥力的结果相同的材料和细菌表面负电荷(58]。在这些共聚物,磺化SPMA单体组已经从PSM20 PSM50增加20 - 50 wt %,增强的水合作用和降低pH值的应用强调这些测试细菌的外膜对细菌细胞壁(施加压力的59]。也表明低附着力的扫描电镜图像大肠杆菌和金黄色葡萄球菌表面上由于亲水和阴离子的性质SPMA单体(49,51]。带负电的细菌运动性预计将减少聚合物和导致蛋白质变性,变性酶,微生物被破裂的革兰氏阴性细菌的细胞壁大肠杆菌和革兰氏阳性细菌金黄色葡萄球菌(35,53,60]。在数据8和9的附着力大肠杆菌和金黄色葡萄球菌PSM50表面和PSM40低是由于更大的内容SPMA单体相比PSM30和PSM20阴离子SPMA单体含量少。这个控制生物膜的形成和粘附细菌和材料表面之间的静电斥力(5,61年]。另一方面,破坏细菌的细胞壁也观察到的扫描电镜图像大肠杆菌在数据8(一个)和8 (c)和金黄色葡萄球菌在数据9(一个)和9 (b)由于带电聚合物和蛋白质变性。

3.7。藻类生物膜的光学显微镜

光学显微图像的藻类生物膜制备共聚物表面呈现在图10。结果显示低附着力的Dictyosphaerium由于更高浓度的海藻PSM50和PSM40 SPMA合成共聚物的单体。附着的藻类取决于多个因素,比如物质化学性质,对藻类、和表面自由能21]。这些参数测量的能力,结合其他材料的表面相互作用,高度依赖于界面表面能量(21]。SPMA单体的亲水性性质导致材料表面的水化层,导致低表面藻类生物膜的形成(62年]。更高浓度的SPMA单体也引起高表面能因此显示最低藻细胞的粘附(63年]。

的粘连Dictyosphaerium藻类在P (SPMA-co-MMA)共聚物下降是由于静电排斥,是由于类似的细胞膜负电荷Dictyosphaerium藻类和共聚物(64年]。更大的排斥在藻类物种Dictyosphaerium和最小藻表面粘附在PSM50和PSM40由于带负电荷的内容SPMA单体相比PSM30和PSM2064年]。

4所示。结论

P (SPMA-co-MMA)共聚物是由自由基聚合反应成功地合成了不同wt %的甲基丙烯酸甲酯(MMA)和甲基丙烯酸3-sulfopropyl酯单体(SPMA)。PSM40,这些共聚物样品PSM50 PSM30, PSM20透明而透光率百分比从50%增加了MMA含量增加(PSM50)到80% (PSM20)。然而,共聚物样品PSM60已经失去了透明度由于MMA含量低的特点,即。,40%。水的接触角值从65年20°共聚物是不同的^o通过改变内容和疏水亲水SPMA单体MMA单体。合成共聚物的表面能量范围从57 mJ / m²70 mJ / m²。这些共聚物表现出良好的防污活性与细菌大肠杆菌和金黄色葡萄球菌和微藻Dictyosphaerium。透明的防污聚合物显示低细菌和藻类生物膜的形成与SPMA单体含量的增加由于细菌和聚合物之间的静电斥力。SEM照片显示断裂的细菌细胞壁由于水化和pH值下降,增强细菌的外膜的压力。生物膜的形成后,观察透明度轻微下降,大约2 - 8%的共聚物样品由于微生物粘附能力的差异在不同的亲水材料。藻类生物膜的Dictyosphaeriumsp.表现出低粘附水平之间由于静电排斥微藻和阴离子共聚物。PSM50有更多的亲水性和更大的带负电荷的磺化群SPMA单体,导致更多的排斥和低解决藻类在聚合物表面。这些您P (SPMA-co-MMA)共聚物明显表现出更高的透明度和抑制表面生物膜的形成,使他们有前途的候选人为各种应用程序包括达光电材料在水生媒体、医疗和生物技术。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现是包含在这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者感谢国立大学科学和技术研究理事会对金融支持。纳西尔·m·艾哈迈德博士承认HEC的支持,NRPU,通过项目3526号。

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