カチオン／双性イオン性ブロックポリマーブラシの防汚性と殺菌性に及ぼす階層構造とアルキル鎖長の相乗効果

The synergistic effect of hierarchical structure and alkyl chain length on the antifouling and bactericidal properties of cationic/zwitterionic block polymer brushes.

• Yuanyuan He
• Xinyuan Wan
• Weiwei Lin
• Jiehua Li
• Zhen Li
• Feng Luo
• Jianshu Li
• Hong Tan
• Qiang Fu

抄録

防汚性と殺菌性を兼ね備えた階層構造のポリマーブラシを作ることは、バイオマテリアル関連の感染症対策として有望なアプローチである。そのため，抗菌性能を最適化するためには，良好な階層構造を有することが必要である．本研究では、異なるアルキル鎖長を有するカチオン性殺菌性ポリ（第四級アンモニウム塩）（PQAs）と双性イオン性防汚性ポリ（スルホベタインメタクリレート）（PSBMA）を表面原子移動ラジカル重合（SI-ATRP）により活性化基材上にグラフトし、異なる構造の3種類のポリマーブラシ（Si-PQAs-b-PSBMA, Si-PSBMA-b-PQAs, Si-PQAs-r-PSBMA）を作製し、その構造の異なる3種類のポリマーブラシを作製した。その結果、抗菌効果はPQAsのアルキル鎖長と高分子ブラシのカチオン性/双性イオン性セグメントの階層構造に同時に依存していることを示した。殺菌性のある最下層と防汚性のある最上層からなるポリマーブラシの場合、理想的なＰＱＡｓのアルキル鎖長は炭素数８個（Ｓｉ-ＰＱＡ８Ｃ-ｂ-ＰＳＢＭＡ）であるのに対し、逆の階層構造の場合、ＰＳＢＭＡと相乗効果を発揮するように最適化されたＰＱＡｓのアルキル鎖長は炭素数４個（Ｓｉ-ＰＳＢＭＡ-ｂ-ＰＱＡ４Ｃ）であることがわかった。アルキル鎖長や階層構造を適切に調整することで、防汚機能と殺菌機能の干渉を回避することができ、S. aureusに対する優れた長期抗菌性能と、良好な血液適合性、低細胞毒性を達成することができました。本研究は、バイオフィルム形成を抑制するための効率的で信頼性の高い抗菌表面の設計と最適化のための基本的な指針を提供するものである。

Creating hierarchical polymer brushes possessing antifouling and bactericidal functionalities is a promising approach to combat biomaterial-associated infections. Hence, a well-constructed hierarchical structure is required to achieve optimized antibacterial performance. In this work, contact-killing cationic bactericidal poly(quaternary ammonium salts) (PQAs) bearing different alkyl chain lengths and zwitterionic antifouling poly(sulfobetaine methacrylate) (PSBMA) functional segments were grafted onto an activated substrate via surface-initiated atom transfer radical polymerization (SI-ATRP), and three kinds of polymer brushes with different architectures (Si-PQAs-b-PSBMA, Si-PSBMA-b-PQAs and Si-PQAs-r-PSBMA) were constructed. We demonstrate that the antibacterial effect simultaneously depends on the alkyl chain lengths of PQAs and the hierarchical structure of cationic/zwitterionic segments in polymer brushes. When the polymer brushes composed of a bactericidal bottom layer and an antifouling top layer, the ideal alkyl chain length of PQAs should be eight carbon atoms (Si-PQA8C-b-PSBMA), while in the opposite hierarchical structure, the optimized alkyl chain length of PQAs to synergize with PSBMA was four carbon atoms (Si-PSBMA-b-PQA4C). By appropriately adjusting the alkyl chain length or the hierarchical architecture, the interference between the antifouling and bactericidal functions could be avoided, thus achieving the outstanding long-term antibacterial performance against S. aureus, as well as good hemocompatibility and low cytotoxicity. This work provides fundamental guidance for the design and optimization of efficient and reliable antibacterial surfaces to inhibit biofilm formation.