Macromolecules：高防污性能的聚乙二醇（PEG）共聚醚环

摘要

聚乙二醇（PEG）具有优异的防污性能、水溶性和生物相容性。然而，有限的功能性使其防污性能一直面临挑战性。近日，韩国Yonsei University在Macromolecules上发表Mussel-Inspired Copolyether Loop with Superior Antifouling Behavior.作者通过阴离子开环聚合合成了一系列分子量和邻苯二酚含量不同的邻苯二酚官能化聚醚。以石英晶体微量天平评估该嵌段共聚醚的吸附和防污效果。此外，作者还通过表面力装置和直接原子分子动力学模拟分析拓扑结构在防污性能中的关键作用。该研究表明邻苯二酚官能化的三嵌段共聚物具有出色的防污性能，将来可应用在各种生物医学中。

背景

污垢物使潮湿表面上在生物医学植入物、工业和海洋设备等各个领域都面临严峻的挑战。使用生物杀灭剂可以有效抑制细菌在海洋生物中蔓延的有效手段最，但其含有毒化学物质或重金属会对海洋环境造成巨大威胁。在不损害环境下，提高表面的防污性能可大大降低生命事故并降低操作成本。现有的生物相容性聚合物无毒防污涂料包括聚（乙二醇）（PEG）、聚烷基恶唑啉、聚丙烯酸酯、聚（甲基丙烯酸2-羟乙酯）。PEG是通过空间排斥和表面水合作用而具有防污和润滑性能，由于高水溶性、链柔性和生物相容性而被广泛使用。但是将PEG固定在目标表面上是一项重大挑战。迄今为止，该问题主要通过表面特异性修饰来解决，包括在金表面引入硫醇和硅烷化。使用邻苯二酚部分将PEG固定在表面上有多种方式，包括修饰末端基团，接枝邻苯二酚官能团，以及使用PEG作为大分子引发剂聚合邻苯二酚官能化的单体。然而，大多数方法中，邻苯二酚官能团不可避免与主要亲水主链的分离，从而限制了聚合物链的表面锚定。环构象的ABA型三嵌段共聚物由于其排阻体积和位阻被用于高级防污涂料。与传统AB型二嵌段共聚物相较，这些三嵌段共聚物有明显的防污和润滑性能。环状聚合物有优异的表面空间稳定性，由于没有链端，因而具有防污和润滑性能。

目前有研究表明邻苯二酚单元的长度会影响其与表面和表面涂层密度的相互作用，但很少研究聚合物组成和构象的影响。因此，本文作者研究PEG嵌段共聚醚的防污特性（流程1）。作者将一种基于邻苯二酚的环氧单体引入亲水性PEG中，作为具有多种组成和构型的通用锚固点，以充分实现防污性能。通过原子力显微镜（AFM）和静态接触角测量研究了这些聚合物在表面上的锚固。使用表面力装置（SFA）和带耗散的石英晶体微天平（QCM-D）全面评估了聚合物涂覆表面的分子水平相互作用和防污性能。此外，以原子分子动力学（MD）模拟证明三嵌段环状共聚物表现出的优异防污性能的基本分子特征。最后，通过细胞附着试验进一步研究了聚合物涂层表面的防污性能。

流程1.制备防污性能的邻苯二酚官能化聚合物薄膜

1、聚合物的合成

NMR光谱和电喷雾电离质谱（ESI-MS）证实CAG被成功合成（图1）。在合成CAG之后，以PEG为大分子引发剂，通过AROP合成邻苯二酚官能化的三嵌段共聚物。作者采用无金属的磷腈碱，该碱具有高碱度和低亲核性，可以在温和的温度下实现CAG单体的聚合。丙酮酸基在聚合条件下是稳定的。作者还通过AROP以甲氧基-PEG（mPEG）为引发剂在相同的反应条件下合成了刷状二嵌段共聚物作为对照组。聚合后，通过用盐酸处理除去丙酮保护基，显示出游离的儿茶酚基。1H NMR光谱中1.58 ppm处的甲基质子信号消失证实了成功的脱保护作用，而PEG中嵌段未显示任何降解迹象（图1）。脱保护的聚合物（L10K-10）中的邻苯二酚部分在pH 8.5缓冲液中在12小时内迅速被氧化，进一步表明存在游离的邻苯二酚基团。

图1.（a）CAG单体和（b）邻苯二酚官能化的三嵌段共聚物的NMR光谱。

2、表面表征

作者使用溶液浸渍法，每种共聚物中的的邻苯二酚嵌段使得该聚合物吸附在底物上。原子力显微镜表明环型和刷型共聚物均均匀地分布在硅片的表面上，而被保护的聚合物（即* L10K-10）被冲洗掉，表明邻苯二酚在聚合物锚定在基材上有着关键作用（图2a）。对L10K-10-和B5K-10-涂层表面进行划痕测试表明其下的毛圈和刷子层的厚度分别确定为4.25±0.44和2.32±0.33 nm（图2b）。此外，椭偏测量也证明在4.22±0.07和5.33±0.48 nm的范围内形成环和刷涂层的聚合物层。聚合物涂布各种基材的水滴静态接触角可测量表面结合能力，无论底物的亲水性和疏水性如何，液滴在每个涂层表面上的接触角都在相似的值范围内，这说明邻苯二酚官能化的聚合物可作为通用的涂层材料（图2c）。

图2.（a）硅晶片上* L10K-10，L10K-10和B5K-10涂层的地形AFM图像。（b）用相应的AFM图像和扫描图对L10K-10涂层进行划痕测试。（c）水滴在各种表面上的静态接触角：环状聚合物（L10K-10）处理过的表面，刷子聚合物（B5K-10）处理过的表面和裸露的表面。

3、相互作用力的测量

作者使用SFA测量聚合物涂层表面的相互作用力（图3）。在这项研究中，从蛋白质角度研究两种聚合物的防污效果。BSA是一种污垢剂，它可以通过非特异性相互作用吸附在许多不同的表面上，因此通常被用作模型蛋白。作者制备了每个聚合物涂层的表面（毛圈，毛圈，毛刷和毛刷），以及通过按以下顺序更改中间缓冲液来进行力的测量：清洁表面后，使用10 mM PBS，BSA溶液和10mM PBS。在PBS溶液中，由于聚合物的空间排斥，环状和刷状聚合物涂层表面均表现出纯排斥力曲线。环状聚合物显示出较厚的空间壁距离（D），平均Dsw为48.6±6.5 nm，而刷状聚合物的平均Dsw为6.9±1.8 nm。该结果表明环聚合物比刷聚合物有更高的抗压缩性。由于聚合物环的两端都固定在表面上，形成一个封闭的结构，因此互穿的机会更少，并且在压缩时它不太可能倾斜或平放，导致Dsw更大。注入BSA溶液后，环涂聚合物表面之间的相互排斥力增加，Dsw从55 nm降低到40 nm，Dsw的降低是因为BSA会立即吸附到两个表面上导致环状聚合物塌陷。静置1小时后，Dsw增加至112nm。由于疏水性相互作用，有BSA的分离距离处观察到排斥力比没有BSA时大。用去离子水冲洗表面后，在PBS中的排斥力显着降低，Dsw返回至55nm，表明具有高可逆性。

与环状聚合物涂层表面不同， BSA倾向于吸附在刷式聚合物链之间，而不是堆积在表面上，而BSA则很容易吸附并聚集在环涂表面上，因为没有足够的空间可以穿透。因此刷聚合物涂覆的表面在结构上是稳定的并且BSA没有聚集。

图3.示意图描绘了使用SFA和两个聚合物膜之间的力-距离曲线对聚合物膜进行防污评估。（a）L10K-10和（b）B5K-10聚合物膜之间的力-距离曲线用以下处理顺序：10 mM PBS，孵育1 h的BSA溶液和10 mM PBS冲洗。

4、聚合物和蛋白质的吸附

QCM-D技术用于监测聚合物和蛋白质在表面上的实时吸附（图4）。使用10 mM PBS平衡金传感器，并施加聚合物溶液。聚合物的引入产生负频移，表明表面质量增加。通过漂洗除去聚合物，并引入BSA溶液。如图4b所示，漂洗后频率降低并完全或部分恢复。作者使用Voigt模型来计算聚合物和蛋白质的质量（图4c，d）。结果表明环聚合物比刷聚合物形成更致密的层。与刷型聚合物相比，环型聚合物有更高的蛋白质吸附抑制作用，表明拓扑结构在增强防污性能方面的关键作用。聚合物链之间的互穿性较低，因此与刷状聚合物相比，环状聚合物的摩擦力降低了。环涂聚合物的云母表面（37.8 MPa）受到严重破坏的施加压力（P）大约是刷聚合物（4.4 MPa）的8倍，表明环状聚合物比刷状聚合物具有更高的稳定性和抵抗某些类型的机械应力（例如，压缩应力、剪切应力和轴承应力）。作者还使用QCM-D测量了具有不同分子量的PEG（L4K-10，L10K-10和L20K-10）的聚合物的干质量和表面接枝密度（σ）。PEG大分子引发剂越长，由于空间位阻越高，其表面接枝密度就越低。因此，随着分子量的增加，质量增加的幅度减小了。但是，由于PEG固有的优异防污性能，PEG的分子量影响很小。

图4.（a）QCM-D的防污测试示意图。（b）与聚合物（L10K-10）和蛋白质在金传感器上的吸附有关的频率和耗散的变化。（c）各种聚合物在裸露的金表面上的吸附。（d）BSA在裸金表面和涂有各种聚合物的表面上的吸附。

5、MD模拟

图5a显示了从云母表面上的刷子（B10K-10）和环（L10K-10）聚合物的MD模拟获得的原子快照，展示这两种类型聚合物的独特结构特征。由于两个固定链的几何约束，与刷状聚合物相比，环状聚合物在固体表面（xy平面）上的投影面积相对较大，并且构象度（链大小和方向）随时间的变化较小，这使环状PEG嵌段保持更靠近表面。这些结构特征是确定聚合物防止污垢从块状材料吸附到固体表面上的重要因素。环聚合物的平均分子表面积较大是其保护效率高于类似的刷式聚合物的主要原因。此外，与刷状聚合物相反，环状聚合物可保持相当稳定的整体结构，而尺寸或方向没有明显变化。中心距离（Rctc）将通过将链分成两个相等的片段而形成的两个质心相连接（图5c，d）。环状聚合物不仅提供了稳固的结构稳定性，而且降低了固体表面的扩散链迁移率，从而提高了保护效率。

图5.（a）云母表面上B10K-10和L10K-10的200ns MD模拟在不同时间拍摄的原子快照，如侧视图和俯视图所示。锚定原子以蓝色球体突出显示。（b）比较通过刷（B5K-10和B10K-10）和环（L10K-10）共聚物在xy平面上投影到固体表面上的有效分子表面积Axy。（c）代表对角链尺寸Lxy的概率分布函数，以及（d）连接每个系统的两等分链的两个质心的链中心距Rctc。

6、体外细胞粘附和细胞毒性测试

作者还将涂有L10K-10-和B5K-10-的底物置于12孔板中，孵育人皮肤成纤维细胞（CC-2511）24小时。涂有L10K-10-和B5K-10-的基材上的细胞数量明显减少，这表明其具有防污性能。此外，用聚醚包被的底物培养的细胞的细胞活力与阳性对照相似，表明邻苯二酚官能化的聚合物涂层具有生物相容性。

结论

作者制备了邻苯二酚官能化的嵌段共聚物以评估组合物和构象对其防污性能的影响。生物启发的嵌段共聚物在亲水性和疏水性表面上均显示出与表面无关的结合力，并使用BSA作为模型蛋白，通过QCM和SFA评估了其防污效果。通过改变PEG嵌段和邻苯二酚嵌段的长度来评估组合物的效果，这提供了可调的表面接枝、减少了表面粘附力和蛋白质吸附之间的权衡。关于几何构象，与相应的二嵌段刷共聚物相比，三嵌段环聚合物表现出强的空间排斥性和改进的防污效果。原子MD模拟显示了分子特征是环状聚合物优异的防污性能的原因。该分子信息可用于在实际环境中进一步开发高级防污聚合物材料。此外，邻苯二酚官能化的聚合物抑制细胞附着，这证明了其在生物医学应用中的巨大潜力。

参考文献：doi.org/10.1021/acs.macromol.0c00481

版权声明：「高分子材料科学」是由专业博士（后）创办的公众号，旨在分享学习交流高分子材料科学等领域的研究进展。上述仅代表作者个人观点。如有侵权或引文不当请联系作者修正。商业转载或投稿请后台联系编辑。感谢各位关注