自工業革命以來，大氣中日益升高的二氧化碳(CO2)含量已經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成為全球矚目的環境問題。將CO2與環氧化物通過交替共聚反應制備成為可降解的CO2基聚碳酸酯（PPC）材料，不僅可以緩解溫室效應問題，也可以消除塑料的“白色污染”而受到人們的廣泛關注。但其尚不理想的熱穩定性、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品中的應用范圍。在過去的兩年中，團隊開發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化并系統探索了PPC催化反應體系的競爭與協同機制，實現聚合物的高效可控合成。此外，“結構決定性質”，團隊以精心的結構設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，面對傳染病爆發的特殊時期，抗生素藥物的大量使用導致一系列耐抗生素細菌的出現，這對公共衛生和醫學構成了巨大威脅。因此，開發高性能抗菌材料是作為預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，以及它們在生物醫學領域的應用潛力，可以作為構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與環氧化物交替共聚反應中，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生可作用于病原體的活性氧（圖2），促使病原體產生氧化應激，導致其失活或死亡，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，對小鼠成纖維細胞L929表現出極低的細胞毒性（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，顯示出了對可持續和循環碳經濟轉型的希望以及應對日益嚴重的病毒感染威脅并保障公眾健康的巨大應用潛力。該工作也是首次將可降解的CO2基PPC材料應用于高效抗菌、抗紫外、抗老化研究領域，拓展了CO2基聚碳酸酯高分子材料的應用范圍。
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于二氧化碳基聚碳酸酯的精準設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.文章發表在《Chemical Engineering Journal》上
