一种卤胺/季铵烯烃类抗菌剂及其在生物可降解纳米纤维材料中的应用
【技术领域】
[0001] 本发明涉及烯烃类抗菌剂的合成以及抗菌技术领域，尤其是涉及一种含有季铵基 团的烯烃类环状卤胺抗菌剂及其合成方法，以及应用电子束辐射技术将此抗菌剂接枝共聚 到化学惰性生物可降解材料上制备出抗菌生物材料的方法。
【背景技术】
[0002] 随着人们环保意识的提高，生物可降解材料逐渐受到人们的广泛关注。聚羟基丁 酸酯(PHB)具有优良的生物降解性、生物相容性、光学活性、抗凝血性和压电性等，在食品包 装以及外科手术缝合线、绷带、整形外科装置、骨组织支架材料等生物医学领域具有潜在的 应用价值。
[0003] 人类生存环境中存在大量细菌、真菌等致病微生物，过多的致病微生物一旦侵入 人体，就会给人类健康带来严重隐患，同时微生物还会引起各种材料的分解、变质和腐败， 带来严重的经济损失。使用长效安全抗菌材料是有效防止有害微生物生长、繁殖、蔓延和传 播最为高效的方法，而抗菌材料的核心是其上加载的抗菌剂。
[0004] 目前传统的抗菌剂有重金属类、氯苯类、小分子季铵盐类等。但这些抗菌剂都存在 一些缺点或弱点，如产生有毒副产物、不易降解、环境污染较大、杀菌效率低、保护时间短、 细菌抗药性、价格昂贵等。新近发展起来的卤胺类抗菌剂弥补了上述抗菌剂的不足，具有杀 菌速度快、抗菌性能持久、抗菌广谱及可再生等优点。
[0005] 但是现有的卤胺类抗菌剂在实际应用中还存在以下问题：（1)目前卤胺类抗菌剂 应用范围较少，主要集中于纺织织物以及涂料方面；（2)小分子卤胺类抗菌剂性能不稳定， 容易渗透入皮肤，在使用过程中存在安全隐患；（3)将含有抗菌前驱体的材料卤化后存在增 加材料疏水性的可能，这在某些方面会限制材料的使用范围；（4)仅有的含季铵基团的卤胺 类抗菌剂分子中卤胺结构多为线型，性能不稳定，易分解，利用率下降；（5)卤胺化合物中的 N-C1键及其本身在紫外照射下容易发生断裂，紫外稳定性较差，导致抗菌材料的抗菌性能 在紫外照射条件下维持时间较短，利用率下降；（6)部分氯胺类抗菌剂以N-羟甲基为活性基 团，在使用过程中存在甲醛释放问题；（7)合成原料价格较昂贵，反应条件苛刻，产率较低， 成本较高。
[0006] 此外，对于制备抗菌材料来说，目前常用的主要是通过化学接枝、交联、引发等反 应来引入抗菌剂。例如在制备抗菌棉织物时往往采用乳烘焙工艺，需要高温焙烘棉织物，增 加原料成本，且处理过程较为复杂，工艺条件苛刻，织物断裂强力损失严重，制备的抗菌纺 织品服用性能较差。另外，更值得注意的是，对于化学惰性材料来说，分子结构中缺少反应 性官能团，不能通过以上方法来实现抗菌改性目的。若是采用直接的共混或涂层，虽方法简 单，但是往往存在渗出、聚集、分布不匀等问题。
[0007]鉴于此，开发一款综合性能优越的新型卤胺类抗菌剂以及高效、适用性强的抗菌 改性工艺具有十分重要的意义。
【发明内容】
[0008] 针对现有技术存在的上述问题，本申请人提供了一种卤胺/季铵烯烃类抗菌剂及 其在生物可降解纳米纤维材料中的应用。本发明反应条件温和、原料廉价易得、生产成本 低，所得抗菌剂具有优越的抗菌性能，稳定、安全、无毒;抗菌材料制备方法高效、工艺操作 简单连续、环保节能，无需使用引发剂、交联剂，无需高温，实现化学惰性材料共价结合抗菌 改性，具有良好的应用前景。
[0009] 本发明的技术方案如下：
[0010] 一种卤胺/季铵烯烃类抗菌剂，为式(I)所示结构的化合物：
[0013]式中，X选自氯或溴。
[0014] -种所述的卤胺/季铵烯烃类抗菌剂的制备方法，包括如下步骤：
[0015] (1)合成环状卤胺类抗菌剂前驱体3-(2'-氯乙基)-5,5-二甲基海因：
[0016] 将5，5_二甲基海因和氢氧化钠溶于乙醇溶液，80~100 °C反应10~30min后降温至 75~85°C，加入1-溴-2-氯乙烷，冷凝回流反应6~10h;反应结束，旋转蒸发去除产物溶液中 的溶剂，经分液、旋转蒸发、提纯、干燥，得到3-(2'_氯乙基)-5,5_二甲基海因；所述5,5_二 甲基海因、氢氧化钠、1-溴-2-氯乙烷摩尔比为1:1:1;每0 . lmol 5,5_二甲基海因所需乙醇 溶液为50~lOOrnL;
[0017] (2)将步骤（1)所得产物与甲基丙烯酸二甲氨基乙酯发生季铵化反应，制备得到卤 胺/季铵烯烃类抗菌剂前驱体：
[0018] 将所述3-(2'-氯乙基)-5,5-二甲基海因与甲基丙烯酸二甲氨基乙酯按照摩尔比 为1:1~1:1.5溶于01^，加入摩尔量与3-(2'-氯乙基)-5,5-二甲基海因相同的1(1，以对苯二 酚为阻聚剂，通氮气保护，80~120°C反应16~24h;反应结束，经过滤、旋转蒸发、提纯、干 燥，得到卤胺/季铵烯烃类抗菌剂前驱体;所述阻聚剂为对苯二酚，其重量为甲基丙烯酸二 甲氨基乙酯重量的0.1~2%。
[0019] -种电子束辐射法制备抗菌性生物可降解纳米纤维膜的方法，包括如下步骤：
[0020] (1)向水中加入卤胺/季铵烯烃类抗菌剂前驱体配制成抗菌整理液，加入后终浓度 为3~8wt% ;
[0021] (2)将生物可降解纳米纤维膜浸渍于此抗菌整理液20~30min，一浸一乳；
[0022] (3)然后将生物可降解纳米纤维膜放在电子束辐射设备控制系统的辐射室内进行 电子辐照处理，辐照结束后烘干、索氏提取、烘干；
[0023] (4)烘干后浸渍于含有活性卤素的溶液中进行卤化反应，取出水洗并烘干，即得抗 菌性生物可降解纳米纤维膜。
[0024] 所述生物可降解纳米纤维膜的制备方法为：
[0025] (1)配制静电纺纺丝溶液:按照聚羟基丁酸酯和聚对苯二甲酸丁二酯重量比为3:1 ~1:3,称取两者重量，溶解于质量比为10:1的CHC1 3/DMF溶液中，制备得质量百分浓度为5 ~15 %的静电纺纺丝液；
[0026] (2)然后采用静电纺丝技术制备得到生物可降解纳米纤维膜;设置静电纺纺丝工 艺参数为:纺丝电压10~20kV，接收距离10~20cm，纺丝液供给速率0.1~2. OmL/h，滚筒转 速为60~120rpm。
[0027] 步骤(2)所述生物可降解纳米纤维膜与抗菌整理液的浴比为1:30~1:50,一浸一 乳的乳余率为100%。
[0028] 步骤（3)所述电子束辐射设备设置参数为：电压130kV，电流1mA，辐射量32.5~ 260KGy〇
[0029] 步骤(4)所述含有活性卤素的溶液包括次氯酸钠、次溴酸钠或次氯酸钙溶液，其质 量浓度为1~10%。
[0030] 步骤(1)的静电纺纺丝液质量百分浓度优选为10%。
[0031] 本发明有益的技术效果在于：
[0032] 本发明制备的抗菌剂产品含有季铵基团，本身具有一定的杀菌效果，还可以提高 材料的亲水性，扩大材料使用范围；该抗菌剂又含有卤胺基团，具有广谱抗菌、杀菌速度快、 抗菌性能持久及可再生等优点。此外，该抗菌剂前驱体为水溶性烯烃，可以直接使用水做溶 剂，避免了有机溶剂的使用;其结构中含有与羰基相连的碳碳双键，在电子束辐照时很容易 产生自由基，使其发生聚合反应。本发明采用的电子束辐射技术也可以使原本分子结构中 没有反应性官能团的化学惰性材料产生自由基，抗菌剂又很容易接枝到材料上。因此，在电 子束辐射处理下，材料上产生的每一个活性位点都有可能连接一个上述抗菌剂的聚合物， 从而赋予材料优越的抗菌性能。本发明制备的抗菌纳米纤维膜细胞相容性良好。
[0033] 与现有卤胺类抗菌剂及制备、应用工艺相比，本发明具有如下优点：
[0034] 1、合成原料廉价易得，生产成本低。
[0035] 2、合成反应条件温和，反应时间短，工艺操作简单，产品收率高。
[0036] 3、抗菌剂前驱体具有很好的水溶性，在使用过程中可避免使用有机溶剂。
[0037] 4、抗菌剂为烯烃类，含有活性碳碳双键，可直接与含有相关反应性官能团的物质 发生反应，赋予其抗菌性。
[0038] 5、抗菌剂前驱体和成品在合成和使用过程中安全可靠、绿色环保。
[0039] 6、应用过程中采用电子束辐照技术，无需引发剂，易控制、高效连续操作、能耗低， 减少对环境的污染，实现化学惰性材料与抗菌剂之间以化学键结合，赋予其优越的抗菌性 能，避免简单物理共混引起的渗出、聚集、分布不匀等问题。
[0040] 7、将本发明抗菌剂应用于生物可降解材料的抗菌改性，可得到具有优异抗菌性 能、高效抗菌效率、稳定性好的抗菌材料。未经氯化前，纳米纤维膜在3 0 m i η内可杀死 2.82Log的金黄色葡萄球菌和0.53Log的大肠杆