自工業(yè)革命以來，大氣中日益升高的二氧化碳(CO2)含量已經(jīng)引起了南極臭氧層削減、全球氣溫上升及兩極冰川融化等環(huán)境問題，嚴重危機到全球生物的健康與生存，如何降低二氧化碳的排放已經(jīng)成為全球矚目的環(huán)境問題。將CO2與環(huán)氧化物通過交替共聚反應(yīng)制備成為可降解的CO2基聚碳酸酯（PPC）材料，不僅可以緩解溫室效應(yīng)問題，也可以消除塑料的“白色污染”而受到人們的廣泛關(guān)注。但其尚不理想的熱穩(wěn)定性、力學性能和功能性研究的缺乏，限制了它們在高附加值和功能性產(chǎn)品中的應(yīng)用范圍。在過去的兩年中，團隊開發(fā)出了一系列高效低廉的新型催化劑（Polymer, 2022, 256, 125188）用于二氧化碳的高效轉(zhuǎn)化并系統(tǒng)探索了PPC催化反應(yīng)體系的競爭與協(xié)同機制，實現(xiàn)聚合物的高效可控合成。此外，“結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)”，團隊以精心的結(jié)構(gòu)設(shè)計來制備滿足各種需求的聚碳酸酯高分子材料為主旨，通過在PPC主鏈骨架中設(shè)計引入第三單體，成功合成了新型具有強阻燃性能的CO2基聚碳酸酯材料（Materials today communications, 2023, 34, 105179）。另一方面，面對傳染病爆發(fā)的特殊時期，抗生素藥物的大量使用導(dǎo)致一系列耐抗生素細菌的出現(xiàn)，這對公共衛(wèi)生和醫(yī)學構(gòu)成了巨大威脅。因此，開發(fā)高性能抗菌材料是作為預(yù)防感染傳播和減少對抗生素依賴的緊急措施之一。考慮到CO2基聚碳酸酯具有良好的生物相容性和生物降解性，以及它們在生物醫(yī)學領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，可以作為構(gòu)建更多功能聚合物的綠色平臺。
圖1.具有高效抗菌性能的CO2基PPC合成路線及抗菌機理示意圖
為了綜合改善傳統(tǒng)的PPC材料高紫外透過率和其鏈段中羰基的存在使其在紫外照射下容易快速老化和降解，而導(dǎo)致的材料壽命短等天然缺陷。近期我校化學化工學院王文珍教授團隊以三元共聚改性PPC為思路，將具有生物光活性的第三單體引入到CO2與環(huán)氧化物交替共聚反應(yīng)中，對CO2基聚碳酸酯進行化學改性。改性后的CO2基聚碳酸酯（PPCB）具有很強的抗紫外線老化能力，在紫外線輻照下能通過電子躍遷產(chǎn)生可作用于病原體的活性氧（圖2），促使病原體產(chǎn)生氧化應(yīng)激，導(dǎo)致其失活或死亡，從而賦予材料抗菌特性（圖3）。該聚合物材料0-50 μM的濃度范圍內(nèi)，對小鼠成纖維細胞L929表現(xiàn)出極低的細胞毒性（圖4），說明PPCB具有良好的細胞相容性和較高濃度的安全閾值。這項研究工作可以有效地防止病原體傳播感染并減少對抗生素的依賴，顯示出了對可持續(xù)和循環(huán)碳經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的希望以及應(yīng)對日益嚴重的病毒感染威脅并保障公眾健康的巨大應(yīng)用潛力。該工作也是首次將可降解的CO2基PPC材料應(yīng)用于高效抗菌、抗紫外、抗老化研究領(lǐng)域，拓展了CO2基聚碳酸酯高分子材料的應(yīng)用范圍。
圖2.抗菌機理研究
圖3.抗菌性能測試
圖4.細胞毒性測試
該工作是團隊近期關(guān)于二氧化碳基聚碳酸酯的精準設(shè)計與可控合成研究的最新進展之一。以“Green fabrication of carbon dioxide-based polycarbonates with durable antimicrobial properties and UV resistance”為題發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上（Chemical Engineering Journal 2023, 477, 147107）。文章第一作者是西安石油大學碩士研究生黃慶，通訊作者為西安石油大學化學化工學院王文珍教授。該研究得到了國家自然科學基金委的支持。全文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.147107
圖5.文章發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》上
