细菌生物膜污染对公众健康和生命安全构成了重大威胁，同时也导致了巨大的经济损失。在这项研究中，设计并合成了两种不同类型的抗菌活性单元，即具有细菌攻击性能且亲水性的季鏻盐功能单体（QPIL）、具有立体化学破膜机制的丙烯酸异冰片酯功能单体（IABO），并通过RAFT聚合反应精准调控二者单元比例，从而制备了兼具抗菌和抗生物膜功能的攻防一体聚(季鏻盐-冰片)（P(QP_x-BO_y)）抗菌材料。首先，通过4-氯甲基苯乙烯与三苯基膦进行Menschutkin反应，制备具有良好亲水性的QPIL。并通过RAFT聚合反应，合成并筛选出抗菌效果显著的聚(季鏻盐)均聚物P(QP)_x，赋予聚合物材料优异的细菌攻击性能（图1）。其次，通过与具有立体化学破膜机制的丙烯酸异冰片酯（IABO）的共聚反应，在细菌攻击基础之上赋予P(QPx-BOy)出色的抗生物膜性能，从而制备兼具抗菌和抗生物膜功能的攻防一体化P(QPx-BOy)。

图1  P(QP_x-BO_y)的合成路线图

  通过NMR和FT-IR证实了单体和聚合物分子结构的准确性。PDI分别为1.13和1.28，证明了RAFT聚合的可控性。纳米粒径和Zeta电位与QPIL和IABO的含量成线性相关。此外，P(QP)_x的接触角为35.8^o ~ 63.3^o，而P(QP₁₀₀-BO_y)的接触角为58.5^o ~ 110.3^o，即P(QP₁₀₀-BO_y)具有良好的亲水性，通过调控QPIL与IABO的比例可实现亲疏水性的平衡，而且P(QP)_x和P(QP₁₀₀-BO_y)均具有良好的分散性。SEM显示P(QP)₁₀₀为光滑的球型纳米颗粒，P(QP₁₀₀-BO₂₅)为表面粗糙的海胆状球型纳米颗粒；EDS证明所有元素均匀分布于其表面。

  得益于QPIL阳离子与细菌的静电作用和IABO独特的破膜机制，P(QP)_x和P(QP₁₀₀-BO_y)对E. coli和S. aureus表现出优异的抗菌活性，尤其是P(QP₁₀₀-BO₂₅)对两种细菌的抑菌率可达到100%（图2）。通过结晶紫染色实验证明了P(QP₁₀₀-BO_y)具有出色的抗生物膜特性（图3），这主要是因为IABO的立体化学结构可干扰细菌对P(QP₁₀₀-BO_y)表面的识别，显著抑制了生物膜的形成。

图2 抗菌平板照片

图3 结晶紫染色实验

  该成果以“Phosphonium cationic borneol stereochemical membrane breaking arrow: High antibacterial and anti-biofilm activity”为题发表在高分子科学顶级期刊Macromolecules上。本文第一作者为西北师范大学博士研究生孙祥斌，通讯作者为王荣民教授、宋鹏飞教授，通讯单位为西北师范大学生态功能高分子材料教育部重点实验室。

  文章信息：Xiangbin Sun, Yuanyuan Xie, Xiaobing Ma, Yufeng He, Pengfei Song, Rongmin Wang. Phosphonium cationic borneol stereochemical membrane breaking arrow: High antibacterial and anti-biofilm activity. Macromolecules, 2025, 58(8): 4021-4032.

  全文链接：https://doi.10.1021/acs.macromol.5c00203

作者简介

第一作者：孙祥斌，西北师范大学2022级博士研究生。研究聚焦于RAFT聚合制备阳离子植物精油多功能生物基聚合物抗菌材料，在高分子抗菌功能材料领域取得了一系列成果。目前以第一作者身份在“Macromolecules”、“European Polymer Journal”等国际权威期刊发表SCI论文7篇；申请国家发明专利6件。

通讯作者：宋鹏飞，西北师范大学教授，博士生导师。2015年获西北师范大学青年教师教学技能大赛三等奖，连续5届获学院教师教学技能大赛奖励，多次荣获全国竞赛优秀指导教师。2016年入选西北师范大学“双星计划”，2017年获教育厅级教学成果奖，2018年获甘肃省教学成果二等奖。2020年获甘肃省高等学校青年教师成才奖。主要从事开环聚合反应、富硫聚合物制备、电催化NRR反应、COF材料等相关研究。先后在“Macromol. Rapid Commun.”、“Chem. Commun.”、“ACS Appl. Mater. Interfaces”、“Macromolecules”、“ACS Macro Letters”等国内外学术刊物发表SCI论文50多篇；获授权发明专利14项。已主持国家自然科学基金项目2项、甘肃省科技支撑计划项目1项、甘肃省自然科学基金项目1项、陇原人才计划项目1项、中国科协“海智计划“甘肃基地海智特色示范项目、兰州市创新人才计划等科研人才项目。

通讯作者：王荣民，西北师范大学教授（二级），博士生导师。甘肃省教学名师；宝钢教育基金会优秀教师奖获得者；甘肃省青年科技奖获得者；甘肃“五四”青年奖获得者；甘肃省“333人才工程”第一、二层次人选。入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”。主要从事环境功能材料相关研究，包括：环境功能材料的制备与应用、天然高分子的功能化与再利用、新型功能高分子材料的合成与性能。先后在“J Am Chem Soc”、“Angew Chem”、“Macromolecules”等国际国内重要学术刊物上发表论文300余篇；申请国家发明专利80余件；鉴定成果4项。获省级科技进步三等奖3项。转让应用成果8项并取得很高的经济效益。主持研究6项国家自然科学基金项目和1项教育部重点项目，参加多项国家自然科学基金项目，其中1项为国家自然科学重点项目；主持过多项省自然科学基金项目、教育厅基金项目和省环保局项目；教育部创新团队主要成员。主编《科技信息检索与论文写作》线上课程（智慧树、甘肃高等教育智慧教育与超星学习通等平台）已有800多所学校使用，并入选“国家级线上一流课程”。