壳聚糖季铵盐抗菌性能的电化学研究

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2-羟丙基三甲基氯化铵壳聚糖(HACC)又称壳聚糖季铵盐,是一种水溶性阳离子聚合物,由于其良好的抗菌活性、生物可降解性、生物相容性、生物无毒性和吸湿保湿性等特点,被广泛应用于医药卫生、生物技术、纺织品、污水处理、化妆品、和农业等领域。不同取代度及不同分子量的壳聚糖季铵盐具有不同的宏观性能。除此之外,在实际应用中,壳聚糖季铵盐往往与其他分子复配使用,表现出复杂和特殊的性能,且规律性较差。在抗菌配方研究中,抗菌实验步骤较为繁琐,耗时较多,因此发展一种方便快捷的方法来预测抗菌性能,可减少大量的细菌实验工作。  本文使用电化学方法、马克霍文克方程常数方法以及光学显微成像等方法,研究了阳离子聚合物壳聚糖季铵盐(HACC)与非离子表面活性剂泊洛沙姆(poloxamer)复配时的宏观性能(杀菌率)与其微观形态之间的关系,并首次使用电化学方法对其抗菌性能进行评价,具体工作如下:  首先,以抗菌率为指标,对HACC与泊洛沙姆进行复配研究,研究结果表明HACC/poloxamer体系对革兰氏阴性菌的抗菌效果好于对革兰氏阳性菌的抗菌效果。同时亦发现在配方研究中,杀菌剂剂量与杀菌性能不呈正相关性。此外,实验操作非常繁琐,配方研究的工作量巨大,研究替代方法非常必要。  其次,鉴于壳聚糖季铵盐的有效抗菌基团季铵基团呈正电性,因此采用电化学方法研究了不同配比的壳聚糖季铵盐HACC与非离子表面活性剂poloxamer的电化学信号与其抗菌性能之间的关系。研究表明,当二者比例小于1∶0.75时,循环伏安阳极氧化峰值电流随着泊洛沙姆浓度的增加而增大,抗菌性能亦随之增强;当HACC/poloxamer为1∶0.75时,阳极氧化峰值电流达到了最大值,相应杀菌率也达到最大值;当HACC/poloxamer大于该比例时,阳极峰值电流随着泊洛沙姆浓度的增加而降低,同时杀菌率亦降低,即抗菌性能与阳极氧化峰值电流呈正相关性。此外,体系的离子强度对阳极电流亦有影响,在离子强度I为0~0.1条件下,混合溶液的电流随着离子强度的增加而持续增大,当I>0.1时则呈现降低的趋势。说明在较低离子强度下,壳聚糖季铵盐链段保持较强柔性,HACC/poloxamer聚集体及其表面在溶液中的微观状态没有呈现太大差异。随着离子强度的进一步增大,反离子的屏蔽效应增加,导致壳聚糖季铵盐链段收缩,季铵基团被包裹屏蔽,引起体系中阳极电流减小。  最后,利用超声波降解的方法制备了相同取代度、不同分子量的壳聚糖季铵盐HACC,结合静态光散射和光学显微成像方法研究了复合物微观形态的变化和抗菌性能的关系。研究结果得出马克霍文克方程常数α和v值分别为0.0699和0.3103,说明壳聚糖季铵盐在水溶液中是以类球形的形态存在。光学显微镜观察发现HACC在水溶液中为表面呈树枝状的松散球形结构,HACC/poloxamer(1∶0.75)是一种呈现珠链状卷曲的六边形核-壳结构聚集体。分析认为,随着泊洛沙姆的加入,HACC与泊洛沙姆间的静电作用、疏水作用和氢键作用等,使poloxamer穿插缠绕于HACC分子的螺旋结构中,根据能量最低原理,poloxamer在HACC分子链的疏水微区通过疏水作用形成珠串核壳微球,同时该珠串链在链段间氢键、分子间力等的作用下,形成了链状卷曲的六边形结构。当HACC/poloxamer大于1∶0.75时,HACC/poloxamer的微观形态发生了一些变化,复合物外部的壳状部分出现缺陷,这种变化随着泊洛沙姆浓度的增加而增多,这应该归因于,随着泊洛沙姆浓度的进一步增加,其自身产生了蒂合行为,一部分泊洛沙姆所形成的缔合物会附着在HACC/poloxamer复合物表面。该结果与循环伏安结果一致。
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