一种甲基丙烯酸季铵盐单体改性的抗菌聚甲基丙烯酸甲酯微球的制备方法

本发明涉及高分子材料领域，尤其涉及一种新型高聚物微球的制备方法，其主要是甲基丙烯酸季铵盐单体与甲基丙烯酸甲酯经加成反应形成的嵌段共聚物，在分散聚合发法进一步转变为微球形态；所含季铵盐结构赋予了改性pmma微球抑菌杀菌功能，可替代传统pmma微球，在化妆品、牙托树脂、有机骨水泥中作为基本成分得到应用。

背景技术：

1、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma，俗称有机玻璃)是目前使用最多的丙烯酸酯类高聚物材料，其微球具有比表面积大、吸附性强、凝聚作用大以及表面可接枝特异性功能基团等优势，作为新型高分子材料，被广泛应用于标准计量、生物医学、微电子、涂料、色谱填料等领域。pmma微球常规的制备方法有：悬浮聚合、乳液聚合、分散聚合和沉淀聚合等，其中分散聚合法的体系组成简单，对粒径的控制较为容易，制备的微球粒径分布好，能将粒径范围控制到10到几十微米，因而成为目前pmma微球制备的主要方法。

2、尽管pmma微球已在多领域实现应用，但主要利用的是其物理性质优势。而面对高端市场，特别牙科树脂、高级化妆品以及骨科用填充骨水泥，pmma微球的侧链都为键位饱和的烷基，化学性质稳定，难以提供抗菌等新功能。这就需要对pmma微球进行改性，而传统的改性思路是添加功能性材料，通过复合、包覆等手段赋予微球该功能，例如通过银镜反应在pmma微球表面镀银，或者与纳米铜混合制成复合微球。这些手段并未对pmma本身进行改造，同时还会对pmma的物理性质、特别是表面性质造成负面影响，算不上理想的改性方式。从抗菌效果来看，添加无机纳米金属、抗菌聚合物以及小分子抗生素等所产生效果基本难以达到预期，一是添加的抗菌剂不一定都能在微球表面分布，处于微球内部的抗菌剂无法与细菌、真菌接触无法实现抗菌目的；二是若添加的是水溶性抗菌剂，其快速溶解后只能保证早期的抗菌效果，无力对抗细菌不断滋生的长期情况。整体来说，为达到理想的抗菌抑菌目的，还是应该从pmma本质上下手，对pmma主链链段进行嵌段、接枝等。

3、从pmma本身进行抗菌改性，需要首先了解pmma的合成反应机理，它是其单体mma在引发剂产生的自由基作用下打破碳碳双键，经加聚反应转变而来。因而，其他有机单体若含有碳碳双键，则能参与mma反应形成嵌段共聚物。同样，若该有机单体同时还含有抗菌基团，则能够为pmma微球提供抗菌功能。因此从合成机理上对pmma本身进行抗菌改性是一条很好的思路，但是先如今并没有人做过该研究。

技术实现思路

1、本发明提出一种新的原位改性方法，即通过门斯特金法首先合成一种同时具有碳碳双键(c＝c)和季铵盐结构的甲基丙烯酸季铵盐单体，再将其作为改性原料添加至pmma微球分散聚合法制备工艺中，依据碳碳双键(c＝c)能被引发剂产生的自由基断键的机理，促使甲基丙烯酸季铵盐单体参与到mma转变为pmma的加聚反应中，形成嵌段共聚物(-p(mma-qam)n-)；同时，利用单体所含季铵盐结构所表现出的广谱抗菌活性，成功赋予pmma微球抗菌抑菌功能，实现改性目的。

2、本发明通过调控叔胺原料和有机卤化物原料的摩尔浓度、门斯特金反应参数(温度、时间及搅拌转速)、减压蒸发纯化参数(真空度、温度及时间)来调控甲基丙烯酸季铵盐单体的产物纯度；通过调控分散剂、引发剂、甲基丙烯酸季铵盐单体的种类及相对用量，混合溶剂中无水乙醇和去离子水的体积比，分散聚合法反应参数(温度、时间及搅拌转速)来调控改性pmma微球的重均(数均)分子量、微球形貌、单分散颗粒的尺寸及分布范围，使产物在具有与传统pmma微球近似物理性质的基础上，还表现出一定的生物学功能。

3、本发明具体技术方案如下：

4、一种甲基丙烯酸季铵盐单体改性的抗菌聚甲基丙烯酸甲酯微球的制备方法，具体步骤如下：(1)将分散剂、引发剂、甲基丙烯酸季铵盐单体、甲基丙烯酸甲酯(mma)添加到乙醇水溶液中，通过搅拌配制成混合液；

5、(2)在氮气(n2)保护下，将步骤(1)的混合液进行原位分散聚合，反应期间辅以冷凝回流减少溶剂损失，辅以磁力搅拌减少微球粘粘成块；

6、(3)待步骤(2)反应结束后，将得到的悬浮液冷却至室温，用去离子水和无水乙醇交替冲洗，而后进行离心分离、室温干燥，再将干燥后的产物研磨成粉，过筛得到抗菌改性pmma微球，其重均分子量mw为50000～120000，数均分子量mn为25000～96000，基本形貌为球形和类球形，单个颗粒尺寸范围为7～75μm。

7、步骤(1)分散剂为聚乙烯吡咯烷酮(pvp-k30)、聚乙烯醇(pva-1788)、羟乙基纤维素(hec)中的一种或几种任意比例混合；引发剂为偶氮二异丁腈(aibn)、过硫酸钾(k2s2o8)、过氧化二苯甲酰(bpo)中的一种。

8、步骤(1)以甲基丙烯酸甲酯(mma)用量计，分散剂用量为甲基丙烯酸甲酯(mma)质量的15％～30％，引发剂用量为甲基丙烯酸甲酯(mma)质量0.45％～2.25％，甲基丙烯酸季铵盐单体用量为甲基丙烯酸甲酯(mma)质量的12.5％～45.5％。

9、步骤(1)所述甲基丙烯酸季铵盐单体的制备方法如下：

10、a、按照摩尔比1:1称取叔胺原料和有机卤化物原料，并加入到无水乙醇中，磁力搅拌配制成2.8～3.5mol/l的混合溶液；

11、b、将步骤a配制好的混合溶液密封，在转速为800～1400rpm的磁力搅拌辅助下进行门斯特金反应，反应温度为40～80℃，反应时间为12～36h；

12、c、待步骤b反应结束后，对混合溶液进行减压蒸发纯化，纯化时真空度为7kpa～10kpa，温度为40～80℃，时间为12～36h，完成后即可得到甲基丙烯酸季铵盐单体产物。

13、步骤a叔胺原料为甲基丙烯酸二甲氨基乙酯；有机卤化物原料为溴代十二烷、溴代十六烷，5-氯-2-(2，4-二氯苯氧基)苯酚中的一种。

14、步骤(1)乙醇水溶液是无水乙醇和水按照体积比50:50～65:35混合而成。

15、步骤(2)原位分散聚合的温度为55～80℃，时间为3～8h，磁力搅拌转速为100～400rpm。

16、本发明采用的叔胺原料含有甲基丙烯酸单元中的碳碳双键，与有机卤化物经门斯特金反应后形成了季铵盐结构，将其作为原料加入到合成pmma微球的分散聚合工艺中，可通过原位聚合使甲基丙烯酸季铵盐单体以嵌段的形式成为pmma主链的一部分，这样能够确保以共聚物构建的微球，其表面和内部都分布有抗菌季铵盐，且季铵盐结构钉扎于pmma侧链，不会发生溶解、流失而造成中长期抗菌性能不佳；同时还可调整工艺参数调整改性pmma微球的物理性质，使其在具有与传统pmma微球相近的物理性质的情况下，新增抗菌抑菌功能。

17、本发明的有益效果如下：

18、(1)本发明合成的甲基丙烯酸二甲氨基十二烷基酯(dmaddm)、甲基丙烯酸二甲氨基十六烷基酯(dmahdm)、甲基丙烯酸二甲氨基三氯生酯(dmappa)共3种甲基丙烯酸季铵盐单体，经氢谱核磁(1h-nmr)检测均为纯物质，产率分别在95％以上、95％以上和92％以上。

19、(2)本发明合成的dmaddm、dmahdm和dmappa三种单体，以革兰氏阳性代表菌种金黄色葡萄球菌为目标开展抗菌性能测试，最小抑菌浓度(mic)分别为8μg/ml、1μg/ml和0.03125μg/ml，最小杀菌浓度(mbc)分别为32μg/ml、4μg/ml和0.0625μg/ml；以革兰氏阴性代表菌种大肠杆菌为目标开展抗菌性能测试，mic分别为8μg/ml、2μg/ml和0.03125μg/ml，其mbc分别为16μg/ml、2μg/ml和0.03125μg/ml，三种单体均表现出较好的广谱抑菌杀菌能力。

20、(3)本发明合成的甲基丙烯酸季铵盐单体，均保留了叔胺原料甲基丙烯酸二甲氨基乙酯中的c＝c结构，能够被引发剂产生的自由基断键，进而参与mma转变为pmma的加成聚合反应，以嵌段的形式进入pmma主链形成共聚物。

21、(4)本发明通过调控分散剂、引发剂、甲基丙烯酸季铵盐单体的种类及相对用量，无水乙醇和去离子水的体积比，分散聚合反应参数(温度、时间及搅拌转速)来调控改性pmma微球，使其重均分子量mw满足50000～120000，数均分子量mn满足25000～96000，基本形貌为球形和类球形，单颗粒尺寸范围满足7～75μm。

22、(5)将本发明合成的改性pmma微球添加到pmma骨水泥或牙科树脂中，能对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌产生明显的抑菌环，其平均环直径范围分别满足11.83±0.97～33.22±0.28mm和6.4±0.19～21.44±0.19mm，说明甲基丙烯酸季铵盐单体改性的pmma微球能为提供目标产物广谱抗菌活性。

23、(6)本发明合成的甲基丙烯酸季铵盐单体改性pmma微球，具有与传统pmma微球近似的理化性质，可替代化妆品、牙托树脂、有机骨水泥成分中的传统pmma微球，并提供抑菌杀菌功能。