PET織物廣泛用于服裝、食品包裝和醫療材料等領域。然而，PET織物易受環境微生物的污染，特別是真菌污染容易對織物造成不可逆的損傷，導致產品污染或功能喪失，進而威脅人們的身體健康。因此，賦予PET織物抗菌能力是非常重要的。
為此，北京化工大學生命科學與技術學院王興教授課題組提出了一種基于立體化學與陽離子二元協同的整理方法（圖1），利用陽離子聚合物（PEI）氨解PET，之后與立體化學結構單元（BF）通過席夫堿反應制備得到抗菌織物BF-PEI-PET。通過調節PEI分子量進而調控BF的修飾密度，獲得了“抗粘-殺菌-安全”相統一的二元協同抗菌表面，解決了PEI修飾材料殺細菌但毒性高、對真菌/霉菌防污效果差的問題。BF-PEI二元協同形成了一個“攻防一體”的抗菌系統，滿足抗菌織物既抗菌又安全的改性需求。獲得的抗菌織物在食品包裝和傷口敷料等方面具有很好的應用前景。
圖1. 立體化學-陽離子“攻防一體”抗菌PET織物
文章要點：
（1）抗菌織物BF-PEI-PET的制備與表征。首先在堿催化條件下，PEI通過氨解反應接枝到PET織物表面；隨后，表面氨基和BF醛基通過席夫堿反應共價結合，制備得到抗菌織物BF-PEI-PET（圖2）。研究表明，不同分子量的PEI影響后續BF的接枝密度（相關表征見文中Fig. 1）。
圖2. 抗菌PET織物的制備過程
（2）抗菌PET織物的殺菌性能（圖3）。研究表明，PEI分子量的大小和PEI-PET織物的殺菌性能呈正相關。其中優選的PET-3對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌效率達到97.5%和99.9%。接枝BF后，織物的殺菌效率有不同程度的下降，但是織物PET-3''對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的殺菌效率分別保持在93.5%和99.1%，與織物PET-3沒有顯示出統計學差異（p>0.05）。SEM表征結果顯示：接觸殺傷是PET-3''織物發揮抗菌功能的主要方式。
圖3. 抗菌PET織物的殺菌活性研究
（3）抗菌PET織物的抗細菌粘附性能（圖4）。研究表明，PEI-PET織物的抗粘附性能和PEI的分子量相關，其中PET-3對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗粘附效率分別達到89.3%和94.3%。在BF接枝之后，PET織物都表現出更高的抗粘附效率，其中PET-3''對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抗粘附效率分別達到95.1%和99.3%。SEM結果表明，PET-3''織物表面幾乎沒有粘附的細菌。因此，PEI和BF的結合賦予了PET織物良好的抗細菌粘附性能。
圖4. 抗菌PET織物的抗細菌粘附性能研究
（4）抗菌PET織物的抗真菌粘附性能（圖5）。研究表明，在第30天PET和PEI-PET織物被黑曲霉菌或總狀毛霉完全覆蓋，而PET-3''織物表面仍保持干凈。主動接觸實驗（圖5a-c）說明，BF的引入賦予了織物良好的抗真菌污染性能。結合被動接觸實驗（圖5d，e），表明PET-3''織物僅對真菌孢子起抑制作用。
圖5. 抗菌PET織物的抗真菌粘附性能研究
（5）抗菌PET織物的細胞毒性（圖6）。研究表明，與PET-3織物組相比，PET-3''織物組的細胞存活率有明顯增加，這表明BF的引入降低了PEI修飾帶來的細胞毒性。熒光顯微鏡圖像顯示，PET-3織物組的死亡細胞（紅色）明顯多于PET-3''織物組；此外，PET-3''織物組的細胞顯示出正常的梭型形態，與PET-3織物組細胞的球形形態明顯不同。因此，PET-3''織物具有較低的細胞毒性。
圖6. 抗菌PET織物的細胞毒性研究
（6）抗菌織物PET-3''的應用研究。
食品貯藏：以織物作為封口材料，對水和牛奶介質的保質實驗（圖7）表明，存放48小時后，PET-3''織物組的細菌菌落數顯著低于PET組，存在統計學差異。這一現象表明，PET-3''織物能夠有效阻止環境微生物進入容器中，從而延長食品的保質期。因此，抗菌織物PET-3''在食品包裝領域具有潛在的應用價值。
圖7. 抗菌織物PET-3''在食品包裝中的應用研究
傷口敷料：以織物作為傷口敷料，對金黃色葡萄球菌感染傷口進行包扎處理（圖8），結果顯示，PET-3''織物組的小鼠傷口愈合速率顯著高于PET織物組（p<0.05），表明抗菌織物PET-3''對感染傷口有潛在的治療作用。
圖8. 抗菌織物PET-3''作為傷口敷料的應用研究
此外，本文還對抗菌PET織物的機械性能和洗滌耐久性進行了研究。結果表明，抗菌PET織物具有良好的機械性能和洗滌耐久性（相關結果見文中Fig. 8）。
綜上所述，本文利用立體化學與陽離子二元協同的整理方法制備了抗菌PET織物。獲得的抗菌織物具有較高的殺菌效率、良好的抗菌粘附性能和較低的細胞毒性。該織物在食品貯藏和促進傷口愈合方面具有應用潛力。立體化學和陽離子之間的二元協同被證明是一種可行的“攻防一體”抗菌策略。可以樂觀地預期，立體化學抗菌策略與其他傳統抗菌策略的結合也將取得雙贏效果。
相關研究成果近期以“Dual Coordination between Stereochemistry and Cations Endows Polyethylene Terephthalate Fabrics with Diversiform Antimicrobial Abilities for Attack and Defense”為標題發表在ACS Applied Materials & Interfaces雜志上 (IF = 10.383)。本論文第一作者為北京化工大學生命科學與技術學院博士研究生張鵬飛，北京化工大學王興教授為論文的通訊作者。該研究工作得到國家自然科學基金的資助與支持。
本工作是立體化學抗菌策略的最新研究進展之一。立體化學抗菌策略是利用微生物對材料的手性偏好而發展的攻/防策略，一方面避免菌耐藥，一方面克服耐藥菌，從兩個方面共同應對微生物耐藥這一生物安全問題。在避免菌耐藥方面，立足于管控微生物行為，利用微生物感知不同立體化學結構并做出不同響應的特點，從而使微生物不主動粘附到材料表面，有效抑制有害微生物的粘附、繁殖和傳播，符合抗菌材料發展的新趨勢。成果包括ACS Applied Materials & Interfaces 2014, 6, 19371；ACS Applied Materials & Interfaces 2016, 8, 28522；Advanced Healthcare Materials 2019, 8, 1900232；Carbohydrate Polymers 2020, 228, 115378；Journal of Materials Science & Technology 2021, 69, 79等；此外，在PET抗菌改性方面的基礎研究包括ACS Applied Polymer Materials 2021, 3, 3702；Colloid and Interface Science Communications 2022, 46, 100567；ACS Biomaterials Science & Engineer 2022, 8, 570；ACS Applied Polymer Materials 2022, 4, 1922。立體化學抗菌粘附的優勢在于：對細菌、真菌/霉菌等廣譜微生物具有普適性；表面抑菌粘附但不殺菌，對皮膚菌群友好；疏水性抗菌高分子與傳統親水性抗菌高分子互為補充、協同雙贏；解決了傳統抗菌材料抗菌譜窄或毒性偏高等問題。另外，在克服耐藥菌方面，課題組基于立體化學抗菌策略，發展了具有微生物親和性的手性聚氨基酸等高分子藥物遞送系統，針對胞內耐藥菌、瘤內耐藥菌和膜內耐藥菌等開展了突破細菌耐藥屏障方面的基礎研究工作，成果包括Advanced Materials 2022, 34, 2109789; Advanced Materials 2022, 34, 2206765; Advanced Science 2022, 9, 2200732等。
文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.2c19323
