创新点：

为了提高季铵盐型阳离子材料的抗菌效率，本文将乳液聚合与表面自组装相结合，以MPAC为抗菌活性中心，通过调控亲/疏水聚合物单元自组装行为，构建出一种新型具有纳米多凸起的阳离子共聚物微球（CPMs-nMHs）。这种表面介导的自组装设计不仅提升了抗菌组分的有效暴露，还通过增大比表面积增强材料与细菌的接触概率，对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的杀菌率均可达100%，且在涂层应用中仍保持优异抗菌性能，为阳离子抗菌聚合物的效能提升提供了新策略。

细菌感染正成为全球第二大常见死因，对全球发病率与死亡率均构成显著影响，是当前重要的公共卫生挑战之一。季铵盐阳离子聚合物能通过电荷作用破坏细菌膜，因此表现出优异的抗菌性能。但普遍存在表面活性位点暴露不足、抗菌效能受限于单一化学组成的问题。如何协同优化其结构表面特征、活性位点与性能之间的构效关系，仍是当前研究面临的核心科学挑战。传统抗菌材料研究主要聚焦于化学组成与表面功能的关系，而对表面形貌及拓扑结构在决定抗菌效能中的关键作用关注不足。因此，通过设计材料的结构进而优化接触位点、改善与细菌膜的界面相互作用，进一步提升杀菌效率的研究至关重要。

基于上述背景，西北师范大学化学化工学院王荣民教授课题组采用自由基乳液聚合与表面自组装相结合的策略，设计并制备了一种具有纳米多凸起形貌的阳离子共聚物微球（CPMs-nMHs）。同时，通过调整亲水性单元的比例，合成出形态各异的聚合物，为深入探究其形貌对性能的影响提供了重要研究基础。随后，将其用于针对大肠杆菌（E. coli）和金黄色葡萄球菌（S. aureus）的抗菌活性测试，并研究了不同亲疏水性单元、不同形貌与抗菌性能之间的关系，发现CPMs-nMHs表现出优异的抗菌性能，阳离子结构与纳米多凸起的双重协同作用是其具备抗菌能力的关键原因（图1）。这种纳米多凸起阳离子共聚物微球为提升阳离子聚合物的抗菌活性提供了一种具有前景的策略。

图1  CPMs-nMHs的合成示意图

在此策略中，以疏水刚性单体苯乙烯（St）与柔性单体丙烯酸丁酯（BA）为原料，经自由基聚合形成P(BA-St)乳液，St单元的疏水性使其易聚集，BA的长烷基链则通过疏水效应促使聚合物链自动折叠，进而通过氢键与亲水-疏水链间的相互作用形成微球。随后，将亲水性阳离子抗菌单体MPAC与BA、甲基丙烯酸甲酯（MMA）共聚得到双亲性三元共聚物P(BA-MMA-MPAC)乳液，为后续抗菌活性的实现与表面凸起结构的形成奠定基础。最后，以聚乙烯吡咯烷酮（PVP）为分散剂，将两种共聚物在乙醇/水体系中混合，通过蠕动泵控制滴加速率并逐步加水提升溶剂极性，利用P(BA-St)中St的疏水刚性单元与MPAC的亲水柔性单元间的相互排斥作用，促使共聚物自组装形成表面带有纳米多凸起结构的CPMs-nMHs（图2a）。随后，从宏观与微观层面印证了该材料的独特结构，进一步支撑了制备工艺的合理性与有效性（图2b和2c）。

图2  CPMs-nMHs的自组装示意图（a），CPMs-nMHs的代表性SEM图像及实物照片（b），CPMs-nMHs的AFM图像（c）

团队开展了系统的实验研究验证了CPMs-nMHs的抗菌性能与作用机制（图3）。从细菌培养平板照片可直观观察到，空白对照组及其他对比样品（如MLPBs、NCPMs、EPCMs）的平板上均出现密集菌落，而CPMs-nMHs处理组的平板几乎无细菌生长；杀菌率数据进一步量化证明，CPMs-nMHs在24 h内对两种细菌的杀菌率均可达到100%，远高于对比样品不足20%的杀菌率。

图3  (a) E. coli与S. aureus在 MLPBs、NCPMs、EPCMs 及CPMs-nMHs 作用下的细菌培养平板照片；含亲水性单体的产物对 (b) E. coli和 (c) S. aureus的杀菌率

最后，文章中提出了CPMs-nMHs的抗菌机理（图4）。首先，CPMs-nMHs表面因MPAC存在带有强正电荷（ζ 电位+47mV），通过静电作用与带负电的细菌膜（革兰氏阴性菌的脂多糖、革兰氏阳性菌的磷脂）快速结合，实现细菌靶向吸附；其次，纳米多凸起结构增大材料比表面积，提升与细菌的接触概率，同时凸起部位通过物理作用增强对细菌膜的挤压与破坏；最后，季铵盐阳离子的疏水段插入细菌膜磷脂双分子层，破坏膜完整性，结合凸起结构的物理作用加剧膜破裂，导致细菌内容物泄漏，最终实现接触杀灭。

图4  CPMs-nMHs的抗菌机理

总之，该研究通过“化学组成-表面形貌”协同设计，突破传统阳离子抗菌聚合物依赖单一化学活性的局限，为高效抗菌材料的开发提供可推广的结构设计思路。CPMs-nMHs不仅在纯物质状态下表现优异抗菌性能，还可作为添加剂融入商用涂层，对E. coli和S. aureus具有优异的抗菌活性，在柔性抗菌涂层、医用防护等领域具有广泛应用前景。

该成果以“Surface-engineered Cationic Copolymer Microspheres with Nano-multiple Humps Topography for Enhancing Antibacterial Efficacy”为题发表在Chinese Journal of Polymer Science上。本文第一作者为西北师范大学博士研究生程晓琪，通讯作者为王荣民教授、张亚苹讲师、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。

Citation

Cheng, X. Q.; Li, J.; Li, T.; Zhang, Y. P.; Wang, R. M.; He, Y. F.; Song, P. F. Surface-engineered cationic copolymer microspheres with nano-multiple humps topography for enhancing antibacterial efficacy. Chinese J. Polym. Sci.DOI：10.1007/s10118-025-3434-3