具有离散寡聚（乙烯硫醚）、寡聚（乙烯亚砜）和寡聚（乙烯砜）侧链的聚甲基丙烯酸酯在防污应用中的比较研究

《Biomacromolecules》：A Comparative Study of Polymethacrylates Featuring Discrete Oligo(ethylene sulfide), Oligo(ethylene sulfoxide), and Oligo(ethylene sulfone) as Side Chains for Antifouling Applications

　　

硫醚可被氧化为亚砜和砜，这种转化能够便捷地获得具有不同氧化程度的侧链，从而用于制备多功能含硫聚合物。本文通过迭代合成方法合成了一系列离散的寡聚（乙烯硫醚）衍生单体及其相应的氧化单体，得到了含有两个或三个重复单元的离散寡聚物。通过可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合，研究人员合成了具有明确结构的、以离散硫醚、亚砜和砜寡聚物为侧链的聚合物，并利用热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）分析了它们的热稳定性和玻璃化转变温度（T_g）。通过防污实验检测了这些材料对蛋白质、细菌和人血细胞附着的抵抗能力。此外，具有亚砜侧链的聚合物具有水溶性，并对小鼠成纤维细胞（NIH/3T3）表现出低细胞毒性，有望作为替代亲水性材料以减轻严重的生物污损。

**含硫聚合物防污性能的系统研究——离散硫醚、亚砜与砜侧链聚甲基丙烯酸酯的比较**

聚乙二醇（PEG）凭借优异的生物相容性、亲水性和防污性能，长期被广泛应用于生物医学领域。PEG与药物、酶和蛋白质偶联可增强治疗效果，即所谓PEG化，通过增加溶解度、改善稳定性和优化药代动力学来赋予治疗药物"隐身"效应，减少单核吞噬细胞系统的识别与吞噬，从而延长血液中的循环时间。然而，近年来PEG的免疫原性问题日益受到关注，尤其是随着新冠mRNA疫苗中PEG化脂质纳米颗粒的大规模应用，人群中抗PEG抗体水平出现了显著上升。因此，科研界迫切需要开发能够保留PEG优良亲水性和血液相容性但规避其免疫原性问题的替代防污聚合物。已有研究探索了聚（2-噁唑啉）（PAOx）、亲水性聚碳酸酯和两性离子聚合物如聚磺基甜菜碱（PSB）、聚羧基甜菜碱（PCB）和聚磷酰胆碱（PMPC）等替代方案。此外，含亚砜聚合物（PSO）作为二甲亚砜（DMSO）的聚合物类似物，近年来在防污和生物应用领域异军突起。Whitesides等早在1996年即评估了寡聚（亚砜）的自组装单分子层（SAM）的低非特异性蛋白质吸附性能，而Matyjaszewski等则在2017年报道了水溶性亚砜基线性聚合物聚（2-（甲基亚磺酰基）乙基丙烯酸酯）（PMSEA）及其星形聚合物的合成与生物相容性评价。Whittaker和Fu等课题组进一步将PSO聚合物用于表面涂层，通过表面引发的光诱导电子/能量转移-可逆加成-断裂链转移（PET-RAFT）聚合在玻璃表面合成了防污聚合物刷，可有效减少98%的蛋白质吸附和96%的巨噬细胞粘附。尽管上述研究展示了亚砜聚合物的防污潜力，目前对含硫醚和砜官能团聚合物的研究往往仅聚焦于单一侧挂基团，具有离散寡聚（乙烯硫醚）（OES）、寡聚（乙烯亚砜）（OESO）和寡聚（乙烯砜）（OESO₂）侧链的含硫聚合物的物理性质和防污性能尚未被系统评价。且现有的OES合成依赖于不可控的阴离子开环聚合（aROP），限制了单分散寡聚物的获取及其物化性质的精细表征。为此，研究人员开展了本研究。

研究人员开发了一种迭代合成新策略和选择性氧化方法，制备了一系列主链为甲基丙烯酸酯、侧链分别携带不同氧化态硫醚结构（硫醚/亚砜/砜）的离散寡聚物单体。通过可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合合成了相应的均聚物，并进一步制备了含光反应性二苯甲酮（BP）基团的共聚物，利用紫外光交联技术将聚合物薄膜固定在3-氨丙基三甲氧基硅烷（APTES）修饰的硅片表面。系统研究了材料的热学性能、表面理化性质、抗蛋白质吸附能力、抗菌附着能力、抗血细胞附着能力以及生物相容性和血液相容性。

本研究采用的主要技术方法包括：（1）迭代合成策略：通过亲核取代反应逐步延长硫醚链段获得二聚体和三聚体寡聚（乙烯硫醚），再利用间氯过氧苯甲酸（mCPBA）选择性氧化得到相应的亚砜和砜单体，使用核磁共振谱（NMR）和高分辨质谱（HR-MS）确证结构；（2）RAFT聚合：以4-氰基-4-（（（癸基硫基）羰基硫代硫基）硫基）戊酸（CPDT）为链转移剂，偶氮二异丁腈（AIBN）或4,4'-偶氮双（4-氰基戊酸）（ACVA）为引发剂制备均聚物，以及与4-苯甲酰苯基甲基丙烯酸酯（BPMA）的共聚物；（3）表面固定化：在APTES修饰硅片上旋涂共聚物，经365 nm紫外光照射触发BP基团的光化学反应实现聚合物交联固定，使用椭偏仪控制膜厚在30?40 nm，通过X射线光电子能谱（XPS）和水接触角测定表征表面化学组成和亲水性；（4）防污性能评价：以异硫氰酸荧光素标记的牛血清白蛋白（FITC-BSA）、绿色荧光蛋白（GFP）和表达eGFP的大肠杆菌为模型污损物进行蛋白质吸附和细菌附着实验，以人全血中的红细胞（RBC）和富血小板血浆（PRP）中的血小板评价血液相容性，并使用PrestoBlue实验评估细胞毒性。

**含硫单体的合成。**研究人员通过Steglich酯化反应从商业化的2-（甲硫基）乙醇合成了最简单的含硫单体2-（甲硫基）乙基甲基丙烯酸酯（1SMA），产率为68%。以mCPBA为氧化剂，使用1当量氧化剂获得亚砜单体1SOMA（产率75%），使用2.2当量氧化剂获得砜单体1SO₂MA（产率80%）。通过迭代合成策略，以2-（甲硫基）乙醇和（2-氯乙基）甲基硫醚的亲核取代反应获得了二聚体和三聚体寡聚（乙烯硫醚）醇，进而合成相应的甲基丙烯酸酯单体2SMA和3SMA，再经选择性氧化得到2SOMA、3SOMA、2SO₂MA等单体。三聚砜单体3SO₂MA因在普通有机溶剂中溶解度差而未能获得。NMR氢谱显示，氧化后硫原子邻位亚甲基质子信号从2.6?2.8 ppm向低场位移至2.9?3.3 ppm（亚砜）和3.5?3.8 ppm（砜），确认了不同氧化态的成功构建。

**含硫均聚物的合成与表征。**通过RAFT聚合成功制备了硫醚系列均聚物P1SMA、P2SMA和P3SMA（单体转化率80?95%），以及亚砜系列P1SOMA和P2SOMA（转化率92%）和砜系列P1SO₂MA和P2SO₂MA（转化率96?99%），分子量分布? < 1.31。P3SOMA因单体聚合活性低，通过自由基聚合获得。P3SO₂MA无法由单体聚合制得，采用后聚合修饰策略将P3SMA用过量mCPBA氧化获得，但该聚合物因溶解性差无法用凝胶渗透色谱（GPC）表征。傅里叶变换红外光谱（FT-IR）在1020 cm^-1处观察到亚砜SO伸缩振动峰，在1300和1130 cm^-1处观察到砜SO₂伸缩振动特征峰。热重分析（TGA）显示硫醚和砜聚合物的分解温度（T_d）随侧链重复单元数增加而升高，而亚砜聚合物的T_d随侧链增长而降低。差示扫描量热法（DSC）测定显示，P1SOMA的玻璃化转变温度（T_g）为78°C，P3SOMA降至9°C；砜系列从P1SO₂MA的75°C升至P3SO₂MA的97°C；而P2SMA和P3SMA在?60°C以上未观察到T_g。

**光反应共聚物的合成与表面改性。**通过RAFT共聚合成了含5?6 mol% BPMA的光反应共聚物。在APTES修饰的硅片表面旋涂共聚物薄膜，经365 nm紫外光辐照实现交联固定，膜厚控制在30?40 nm。水接触角测量显示，硫醚系列聚合物膜约为70°，砜系列约为55°，而亚砜系列为41°（P(1SOMA-BPMA)）至31°（P(3SOMA-BPMA)），表明亚砜侧链赋予材料最佳的表面亲水性。XPS分析确认了共聚物在表面的有效锚定：硫醚的S 2p峰位于163.3/164.5 eV，亚砜位于166.1/167.5 eV，砜位于168.3/169.5 eV，与文献报道一致。

**蛋白质吸附与细菌附着。**以FITC-BSA和GFP为模型蛋白的防污实验显示，硫醚系列聚合物薄膜可减少95?96%的蛋白质吸附，亚砜系列聚合物薄膜减少了98%的蛋白质吸附，砜系列虽低于亚砜但仍具良好防污性能。细菌附着实验使用表达eGFP的大肠杆菌BL21(DE3)，硫醚系列减少95%的细菌附着且附着量随硫醚侧链长度增加而增加，亚砜和砜系列均减少98%以上的细菌附着，与蛋白质吸附结果相吻合。

**血细胞附着。**从人全血和富血小板血浆中分离红细胞和血小板进行附着实验。硫醚系列聚合物表面的RBC和血小板附着量随侧链长度增加而增加（RBC从6.3×10²增至8.6×10² cells/mm²，血小板从6.3×10³增至7.6×10³ cells/mm²）。砜系列的RBC和血小板附着量随链长增加而略微降低。亚砜系列则显著抑制了血细胞附着：RBC附着重降至32?52 cells/mm²，血小板降至217?315 cells/mm²，远低于硫醚和砜系列，展示了优异的血液相容性。

**亚砜聚合物的生物相容性和血液相容性。**利用PrestoBlue实验评估了亚砜系列均聚物对NIH/3T3小鼠成纤维细胞的细胞毒性。结果表明，即使在0.8 mg/mL的高浓度下，亚砜聚合物也未对细胞活力造成显著影响，且亚砜侧链长度对细胞毒性无明显影响。溶血实验显示，除阳性对照（去离子水）外，所有亚砜共聚物均未诱导红细胞溶血，表明其具有良好的血液相容性。

研究人员在讨论中指出，亚砜系列聚合物之所以展现最佳防污性能，与其优异的表面亲水性密切相关——水接触角测试中最低的接触角表明亚砜表面能形成更致密的水合层，从而有效阻隔蛋白质、细菌和血细胞的非特异性吸附。而硫醚和砜系列聚合物的高接触角和较差的防污性能则可能与其侧链的疏水性和较强的分子间相互作用有关。本研究首次系统比较了同一聚合物骨架中硫醚、亚砜和砜三种不同氧化态侧链对热性能、表面性质和防污性能的影响，确立了含亚砜侧链聚甲基丙烯酸酯作为PEG替代材料的可行性。研究结论明确指出：通过迭代合成策略首次获得了一系列不同氧化态的新型含硫单体，利用RAFT聚合合成了结构明确的硫醚、亚砜和砜聚合物；含5 mol%二苯甲酮的共聚物可在APTES修饰硅片上成功实现光交联固定；防污实验证实亚砜系列聚合物膜对蛋白质、细菌和血细胞具有最优异的抵抗能力；细胞毒性实验和溶血实验证实了亚砜聚合物的良好生物相容性和血液相容性，为该类材料在生物医学领域的进一步应用奠定了基础。