残留过氧化氢在聚合物N-氧化物生物应用中的作用

《Journal of Polymer Science》：The Role of Residual Hydrogen Peroxide for Biological Applications of Polymeric N-Oxides

抗生物素过氧化氢残留对聚N-氧化物抗菌性能的影响研究。摘要：聚N-氧化物因残留过氧化氢释放而表现出抗菌活性，经彻底清洗后材料无生物活性。研究通过定量分析、EPR和DPBF检测证实残留H2O2浓度超过抑菌阈值，且与材料表面电荷状态无关。结论指出聚N-氧化物本身无抗菌活性，其生物效应源于可控的H2O2缓释机制。

　　聚氨氧化物（Poly(N-oxides)）因其在水中的高度亲水性、低毒性以及“隐形”特性而广泛应用于生物医学领域。近年来，研究者们还发现某些聚氨氧化物具有抗菌活性，但目前尚不清楚这种活性是否是所有聚氨氧化物的普遍特性，还是仅限于某些特定的衍生物。通常，聚氨氧化物是通过将三级胺氧化为氢氧化物制备而成，而这一过程往往会导致残留的氧化剂难以完全去除。本研究探讨了这些残留氧化剂对聚氨氧化物抗菌活性的影响，揭示了其在生物医学材料中的潜在作用。

在实验中，研究人员选择了聚[(4-乙烯苯基)-N,N-二甲基胺氧化物]（poly(VBNOx)）作为研究模型。该化合物与其它聚氨氧化物不同，例如甲基丙烯酸酯衍生物，其结构缺乏β-氢原子或潜在反应性基团，因此不易发生消除反应或水解反应。这种结构特征使其成为研究氨氧化物对抗菌活性影响的理想候选物。此外，poly(VBNOx)能够通过简单的方法从聚乙烯（PE）表面进行接枝，其形成的刷状层在之前的实验中已显示出良好的抗污染性能。

为了验证聚氨氧化物是否通过氧化还原反应产生抗菌活性，研究团队采用了一种定量实验方法，利用自由基捕获剂1,3-二苯基异苯并呋喃（DPBF）检测氧化产物。DPBF能够与多种活性氧物种（ROS）发生反应，并通过监测410纳米处的吸收减少来定量分析。实验结果表明，在37摄氏度下，poly(VBNOx)未检测到显著的ROS生成，从而确认其不具备氧化还原活性。这一发现表明，聚氨氧化物的抗菌作用可能并非源于其自身的氧化还原特性，而是由其他因素驱动。

为了进一步验证这一假设，研究者还采用了电子自旋共振（EPR）光谱分析方法，检测聚(VBNOx)在37°C下与DMPO（1,1-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物）的反应。结果同样显示没有自由基信号，进一步支持了聚氨氧化物不具备氧化还原活性的观点。然而，研究者也指出，可能存在微生物介导的生物还原激活过程，这种过程在聚氨氧化物中尚未被排除。

在实际应用中，聚氨氧化物通常通过氧化三级胺制备，而这种氧化反应往往较为缓慢，可能导致未反应的氨基残留。在生理pH条件下，这些残留的氨基可能会发生质子化，形成具有抗菌活性的正电荷结构。然而，对于表面接枝的聚氨氧化物刷层，由于空间位阻和反应试剂的可及性限制，氧化效率可能较低。因此，研究团队对PE和PA表面接枝的poly(VBDMA)刷层进行了氧化处理，并通过核磁共振（NMR）和红外（IR）光谱等手段对其进行了表征。

为了评估氧化效率对表面特性的影响，研究团队对PE-poly(VBDMA)和PE-poly(VBNOx)进行了pH依赖的ζ电位测量。这些测量揭示了不同pH条件下材料的表面电荷状态，这对抗菌活性至关重要。实验结果显示，PE-poly(VBNOx)在生理pH下几乎中性，而PE-poly(VBDMA)在pH低于8时表现出正电荷特性，表明其具有抗菌活性。这一发现进一步支持了聚氨氧化物的抗菌作用可能并非源自其自身，而是由残留的氢氧化物释放所驱动。

研究还发现，氢氧化物的释放并非瞬时发生，而是一个缓慢的过程，持续数天。这种延迟释放的机制可能是导致聚氨氧化物表现出抗菌活性的关键因素。实验结果显示，PE-poly(VBNOx)在释放氢氧化物后，其浓度足以达到某些细菌（如金黄色葡萄球菌和大肠杆菌）的最小抑菌浓度（MIC），从而有效抑制细菌生长。然而，这种释放过程可能影响微生物学检测的准确性，因此在评估聚氨氧化物的抗菌活性时，必须考虑残留氢氧化物的存在。

研究团队还探讨了不同材料对氢氧化物吸附和释放的影响。例如，PA表面接枝的poly(VBNOx)由于其较高的极性，能够吸附更多氢氧化物。这种吸附和释放的特性可能解释了聚氨氧化物在生物医学应用中表现出的抗菌活性。然而，研究也指出，对于水溶性聚合物，氢氧化物的释放可能比表面接枝的聚合物更快，因此在不同应用条件下，其抗菌效果可能有所不同。

研究的局限性在于，仅评估了聚氨氧化物对游离细菌的抗菌活性，而未涉及生物膜环境下的作用。在更酸性的生物膜环境中，氨氧化物可能因质子化而表现出抗菌活性。因此，未来的研究需要进一步探讨这一现象，以更全面地理解聚氨氧化物的抗菌机制。

综上所述，聚氨氧化物在生物医学领域具有广泛的应用前景，其抗菌活性可能并非源自其自身，而是由残留的氢氧化物释放所驱动。这一发现对于设计和评估基于聚氨氧化物的生物医学材料具有重要意义，同时也强调了在使用这些材料时，必须考虑其氧化残留对性能的影响。通过合理控制氧化过程和后续清洗步骤，可以实现聚氨氧化物在抗菌和隐形特性之间的平衡，从而优化其在生物医学中的应用效果。