来源：Acrylic binders with covalently bound quorum sensing inhibitor units for copper-free marine antifouling coatings（Progress in Organic Coatings）| 编译：DNA Lab Space | 原文许可：elsevier-subscription
导读
海洋生物污损防治长期依赖氧化亚铜和有机增效杀生剂，生态毒性与法规压力日益加剧。本研究将α-羟基-γ-丁烯酸内酯类群体感应抑制剂（QSI）经甲基丙烯酰化后，以3 mol%比例通过RAFT聚合共价接入PMMA主链，再与松香、颜料配制成无铜防污涂料。六个月天然海水流通水槽试验显示，该涂层附着生物量显著低于纯PMMA参照，性能与含铜配方及商用Micron 350处于同一水平，且渗出液仅调控群体感应而不抑制细菌生长。
研究背景
海洋生物污损——微生物、藻类和大型无脊椎动物在浸没表面的非预期定殖——是海事工业的重大难题。生物膜形成及后续大型污损会增加水动力阻力，推高燃油消耗、温室气体排放与维护成本。目前主流防污技术仍是基于自抛光聚合物释放氧化亚铜和有机增效剂的双杀生体系，但这类涂层因释放化合物的毒性、生物累积性和持久性而引发严重生态与健康担忧。欧盟生物杀灭剂产品法规等监管压力持续收紧，已大幅削减获批活性物质清单，迫使制造商寻找更安全的替代方案。物理表面改性、仿生涂层、天然化合物干扰微生物定殖等策略由此兴起。其中，群体感应抑制剂（QSI）作为非杀生型 agent 颇具前景——它靶向细菌通讯和早期生物膜形成，而不直接杀死细胞。近年来基于材料的群体感应抑制研究已从简单添加游离QSI，转向控制其定位与释放的策略。本文报道一种将QSI共价键合入丙烯酸粘结剂的无铜防污涂层：先合成QSI，制成甲基丙烯酸酯单体，再与甲基丙烯酸甲酯（MMA）RAFT共聚，所得PMMA-co-MMQSI含3 mol% QSI衍生单元，与松香、颜料配制成模型防污漆，在天然海水流通水槽中评估六个月。
研究方法
2.1 材料
四氢呋喃（THF）和盐酸（HCl）购自Honeywell-Fluka（德国Seelze）。苯丙酮酸、2-氨基乙基二苯基硼酸酯、丙酮酸甲酯、1,4-二氧六环、二甲苯、甲苯、4-二甲氨基吡啶（DMAP）、碳酸氢钠（NaHCO₃）、氢氧化钠（NaOH）、4-氰基-4-[(十二烷基硫烷基硫代羰基)硫烷基]戊酸（CDTPA）、2,2′-偶氮二异丁腈（AIBN）、甲基丙烯酸甲酯（MMA）、滑石粉、油酸和有机硅消泡剂购自Sigma-Aldrich（美国圣路易斯）。甲基丙烯酸酐、氧化亚铜、松香和氧化锌（ZnO）由Fisher Scientific（英国拉夫堡）供应。二氧化钛（TiO₂）购自Kremer Pigmente（德国艾希施泰滕）。无水硫酸钠（Na₂SO₄）购自Carlo Erba Reagents（法国瓦尔德勒伊）。除非另有说明，所有化学品使用前未经进一步纯化。甲基丙烯酸甲酯（MMA）通过碱性活性氧化铝柱纯化。
【数据】试剂：THF、HCl、苯丙酮酸、丙酮酸甲酯、DMAP、NaHCO₃、NaOH、CDTPA、AIBN、MMA、滑石粉、油酸、消泡剂、甲基丙烯酸酐、氧化亚铜、松香、ZnO、TiO₂、Na₂SO₄；纯度/规格：原文未详述；温度：原文未详述；时间：原文未详述
2.2 群体感应抑制剂（QSI）的合成
合成方法改编自先前报道的流程[18]。向苯丙酮酸（1.58 g，9.6 mmol）的水溶液中加入催化量二苯基硼酸（0.175 g，0.96 mmol），后者由二乙氨基二苯基硼酸酯经酸水解预先制得。向反应混合物中加入丙酮酸甲酯（1.96 g，19.2 mmol），随后室温搅拌21 h。反应完成后，加入EtOAc（20 mL）和盐水（20 mL），分液。水层用EtOAc（2 × 15 mL）萃取。合并有机层用无水MgSO₄干燥，过滤并减压浓缩。粗产物经快速柱色谱（环己烷/EtOAc 100:0至70:30）纯化，得到目标QSI（1.12 g，产率47%）。终产物经¹H/¹³C NMR及高分辨ESI-QTOF质谱表征。¹H NMR（CDCl₃，400 MHz）：δ（ppm）= 1.88（3H），3.76（3H），7.43（4H），7.71（1H），7.72（1H）。¹³C NMR（CDCl₃，100 MHz）：δ = 21.8（Cc），53.6（Ca），84.7（Cd），127.8（Ci），129.0（Cj），129.1（Ck），129.4（Ch），130.6（Cg），137.9（Cf），169.5（Ce），169.7（Cb）。
【数据】苯丙酮酸：1.58 g，9.6 mmol；二苯基硼酸：0.175 g，0.96 mmol；丙酮酸甲酯：1.96 g，19.2 mmol；溶剂：水；温度：室温；时间：21 h；萃取剂：EtOAc 20 mL + 15 mL×2；干燥剂：无水MgSO₄；柱色谱：环己烷/EtOAc 100:0→70:30；产量：1.12 g；产率：47%
2.3 甲基丙烯酰化QSI的合成
功能化单体通过QSI（(±)-4-羟基-2-甲基-5-氧代-3-苯基-2,5-二氢呋喃-2-甲酸甲酯）的甲基丙烯酰化制备[22]。将QSI（7.50 g，30.2 mmol）和4-二甲氨基吡啶（DMAP，0.70 g，5.7 mmol）溶于无水四氢呋喃（80 mL）中，置于单颈圆底烧瓶内、氩气氛围下冰浴冷却。滴加甲基丙烯酸酐（6.98 g，45.3 mmol），反应混合物在氩气下室温搅拌2 h。随后用饱和碳酸氢钠水溶液（150 mL）稀释，用乙酸乙酯（150 mL）萃取。有机相依次用1 M NaOH（3 × 150 mL）、1 M HCl（3 × 150 mL）和Milli-Q水洗涤至中性pH。有机层用无水MgSO₄干燥，过滤，减压浓缩，得到QSI甲基丙烯酸酯单体（MMQSI），为黏稠液体（5.85 g，61%）。产物未经进一步纯化直接使用。¹H NMR（CDCl₃，400 MHz）：δ（ppm）= 1.88（3H），2.06（3H），3.81（3H），5.86（1H），6.41（1H），7.48（5H）。¹³C NMR（CDCl₃，100 MHz）：δ（ppm）= 18.4（Co），21.7（Cc），54.0（Ca），84.3（Cd），127.7（Ck），127.9（Ci），129.4（Cj），129.7（Ck），131.0（Cg），134.4（Cf），135.1（Cn），147.3（Cm），163.5（Cl），165.7（Ce），168.8（Cb）。
【数据】QSI：7.50 g，30.2 mmol；DMAP：0.70 g，5.7 mmol；无水THF：80 mL；甲基丙烯酸酐：6.98 g，45.3 mmol；反应温度：冰浴冷却后室温；时间：2 h；气氛：氩气；洗涤：饱和NaHCO₃ 150 mL、EtOAc 150 mL、1 M NaOH 3×150 mL、1 M HCl 3×150 mL、Milli-Q水至中性；干燥剂：无水MgSO₄；产量：5.85 g；产率：61%
2.4 PMMA与PMMA-co-MMQSI的合成
PMMA和PMMA-co-MMQSI通过RAFT聚合合成，以CDTPA为链转移剂、AIBN为引发剂，摩尔比2.5:1。CDTPA与总单体的比例固定为1:300。使用前，MMA通过碱性氧化铝柱纯化。PMMA合成：将CDTPA（67.6 mg，0.166 mmol）、AIBN（10.9 mg，0.066 mmol）、MMA（5.0 g，49.940 mmol）和甲苯（1.4 mL）加入Schlenk管，氩气下脱气20 min，70 °C搅拌16 h。所得聚合物溶于丙酮，在冰冷甲醇中沉淀。收集沉淀，室温干燥至恒重。PMMA-co-MMQSI在类似条件下制备，MMA与QSI功能化甲基丙烯酸酯单体MMQSI以97:3投料比共聚。将CDTPA（18.1 mg，0.045 mmol）、AIBN（3.0 mg，0.018 mmol）、MMQSI（110 mg，0.348 mmol）、MMA（1.31 g，13.084 mmol）和1,4-二氧六环（150 μL）加入圆底烧瓶，氩气下脱气20 min，70 °C搅拌16 h。所得共聚物在冰冷甲醇中沉淀纯化，室温干燥至恒重。单体转化率通过¹H NMR测定，比较初始和最终反应混合物中单体乙烯基质子信号的积分面积，以溶剂共振为内标。纯化后，PMMA和PMMA-co-MMQSI经¹H NMR、FTIR、DSC和SEC-MALS表征。共聚物中QSI衍生单元的摩尔百分比x_MMQSI由δ ≈ 3.6 ppm（PMMA OCH₃）和δ ≈ 3.8 ppm（QSI OCH₃）甲氧基信号的相对积分计算，两者均对应三个质子，按式(1)计算：x_MMQSI% = [I_QSI−OCH₃ / (I_QSI−OCH₃ + I_PMMA−OCH₃)] × 100，其中I_QSI−OCH₃和I_PMMA−OCH₃分别为QSI衍生甲酯基团和PMMA甲酯基团甲氧基质子信号的积分面积。由于两信号均对应三个质子，无需额外归一化因子。
【数据】CDTPA:AIBN摩尔比：2.5:1；CDTPA:总单体：1:300；PMMA体系：CDTPA 67.6 mg（0.166 mmol）、AIBN 10.9 mg（0.066 mmol）、MMA 5.0 g（49.940 mmol）、甲苯1.4 mL；PMMA-co-MMQSI体系：CDTPA 18.1 mg（0.045 mmol）、AIBN 3.0 mg（0.018 mmol）、MMQSI 110 mg（0.348 mmol）、MMA 1.31 g（13.084 mmol）、1,4-二氧六环150 μL；MMQSI投料比：3 mol%；温度：70 °C；时间：16 h；脱气：氩气20 min；沉淀剂：冰冷甲醇
2.5 涂料配方
配方基于文献报道的松香–丙烯酸酯防污涂层设计[23–26]，并据此调整组分性质以及粘结剂、填料和杀生颜料的相对比例。在这些体系中，松香有助于控制溶解和涂层侵蚀，丙烯酸聚合物作为主要成膜粘结剂。本研究考虑两种粘结剂：PMMA和含3 mol% QSI衍生单元的功能共聚物PMMA-co-MMQSI。这些聚合物与松香组合制备模型涂层。氧化锌（ZnO）作为多功能助剂加入，起颜料、流变改性剂和次级功能组分作用，滑石粉用作填料/增量剂。二氧化钛（TiO₂）作为主颜料，甲苯/二甲苯为溶剂。需要时加入氧化亚铜（Cu₂O）作为杀生颜料。涂料使用DISPERMAT® LC 30分散机（Brant Industrie）按表1所示比例依次加入各组分制备。加料过程中以1000 rpm混合，最后一次加料后以2000 rpm进行20 min最终分散步骤。制备四种主要配方：PMMA基参照涂层（Paint-PMMA）、含氧化铜的PMMA涂层（Paint-PMMA/Cu₂O）、基于功能共聚物PMMA-co-MMQSI的涂层（Paint-PMMA-co-MMQSI），以及商用漆Micron 350作为参照。铜含量选择在商用防污涂层典型报道范围内[5]。
【数据】粘结剂：PMMA或PMMA-co-MMQSI（3 mol% QSI单元）；助剂：ZnO（颜料/流变改性/功能组分）、滑石粉（填料/增量剂）、TiO₂（主颜料）；溶剂：甲苯/二甲苯；杀生颜料：Cu₂O（按需）；分散机：DISPERMAT® LC 30；加料转速：1000 rpm；最终分散：2000 rpm、20 min；配方数：4种（Paint-PMMA、Paint-PMMA/Cu₂O、Paint-PMMA-co-MMQSI、Micron 350）；铜含量：商用防污涂层典型范围内（原文未给出具体数值）
2.6 施工条件与浸泡
PVC基材涂装前用乙醇和丙酮脱脂。漆膜使用螺旋棒涂布器（型号BEV-200200，Laboandco，法国）配BEV-200S手柄涂覆于测试板上。使用线径200 μm、长200 mm的螺旋棒以确保均匀湿膜厚度。三种涂层（Paint-PMMA、Paint-PMMA/Cu₂O和Paint-PMMA-co-MMQSI）及商用防污漆（Micron 350，International Paint）……
【数据】基材：PVC；脱脂剂：乙醇、丙酮；涂布器：螺旋棒涂布器BEV-200200配BEV-200S手柄；棒长：200 mm；线径：200 μm；涂层：Paint-PMMA、Paint-PMMA/Cu₂O、Paint-PMMA-co-MMQSI、Micron 350；温度：原文未详述；时间：原文未详述
研究结果
3.1 群体感应抑制剂（QSI）的合成与表征
本工作所用群体感应抑制剂（QSI）通过硼酸催化羟醛–内酯化策略合成，使两种α-酮酸衍生物在水中直接缩合，形成α-羟基-γ-丁烯酸内酯（异特窗酸）核心。该合成路线基于Lee等人的开创性工作，利用二苯基硼酸在温和水相条件下从丙酮酸类瞬态生成硼烯醇盐的能力[18]。预期QSI结构的形成首先由¹H NMR分析支持（图2a）。谱图显示苯基取代基在7.43–7.71 ppm的特征芳香信号，以及3.76 ppm的甲酯共振和1.88 ppm的丁烯酸内酯核心甲基。7.72 ppm处还观察到低场信号，归属为羟基质子。¹³C谱进一步证实γ-丁烯酸内酯结构的形成（图2b）。特别是84.7 ppm处观察到的强去屏蔽信号归属为内酯环的含氧季碳。169.7和169.5 ppm的两个羰基信号与酯和内酯官能团一致，而137.9和130.5 ppm的烯烃碳支持γ-丁烯酸内酯环C=C键的存在。芳香区127.8至129.4 ppm的额外信号对应苯基取代基。QSI的完整¹³C NMR谱见支持信息（图S1）。高分辨质谱（HRMS）证实了QSI的预期分子式（图S2）。负离子模式下，谱图显示m/z 247.0613（[M–H]⁻）的主导离子，与去质子化分子C₁₃H₁₁O₅⁻的计算精确质量（247.0608）吻合良好。另观察到m/z 233.05和188.05两个离子。后者与失去甲氧羰基（–CO₂CH₃，59 Da）一致，而m/z 233.05离子可能源于源内 minor 碎裂或涉及酯基部分修饰的近缘物种。
【数据】QSI产率：47%（1.12 g）；¹H NMR：δ 1.88（3H）、3.76（3H）、7.43（4H）、7.71（1H）、7.72（1H）；¹³C NMR：δ 21.8、53.6、84.7、127.8、129.0、129.1、129.4、130.6、137.9、169.5、169.7 ppm；HRMS：[M–H]⁻ m/z 247.0613（计算值247.0608）；碎片：m/z 233.05、188.05；失去基团：–CO₂CH₃（59 Da）
3.2 甲基丙烯酰化QSI单体（MMQSI）的合成与表征
为将QSI共价整合入丙烯酸粘结剂，首先将羟基化QSI转化为甲基丙烯酸酯单体MMQSI。该功能化设计旨在引入可聚合甲基丙烯酸酯基团，同时保留丁烯酸内酯部分，从而使其随后能与MMA共聚。酯化使用甲基丙烯酸酐在碱性条件下进行，遵循从羟基化呋喃酮化合物制备可聚合甲基丙烯酸酯衍生物的成熟策略[22]。NMR谱为MMQSI形成提供了关键证据——甲基丙烯酸酯信号出现，同时QSI部分的特征共振保留。在图3所示的QSI和MMQSI的¹H NMR谱中，QSI谱图显示苯基取代基在7.43–7.71 ppm的预期信号、3.76 ppm的甲酯基团和1.88 ppm的丁烯酸内酯部分甲基取代基。与甲基丙烯酸酐反应后，羟基质子信号消失，6.41和5.86 ppm处出现两个新共振。这些信号对应甲基丙烯酸酯基团的乙烯基质子。2.06 ppm处观察到额外甲基信号，归属为甲基丙烯酸酯CH₃基团。重要的是，QSI主要信号仍然存在，表明功能化过程中丁烯酸内酯结构得以保留。¹³C NMR谱证实了甲基丙烯酰化单体的形成。甲基丙烯酸酯基团的新共振出现在163.5 ppm（酯羰基）、131.0和127.7 ppm（乙烯基碳）以及18.4 ppm（甲基丙烯酸酯甲基碳）。QSI特征信号未观察到 major 位移变化，证实甲基丙烯酰化发生而未检测到丁烯酸内酯核心的改变。MMQSI的完整¹³C NMR谱见支持信息（图S3）。除结构确认外，甲基丙烯酰化步骤从配方设计角度亦很重要。在许多先前的涂层策略中，QS抑制剂或相关生物活性防污化合物被负载或物理掺入涂层基质，其可利用性主要受扩散和从宿主材料释放的支配[19,31]。基于QSI的涂层也曾在生物医学背景下作为抗生物膜表面探索，说明涂层材料中QS干扰的研究价值，但这些体系并非设计为海洋丙烯酸漆粘结剂[15]。本工作中，甲基丙烯酰化将QSI转化为可聚合共聚单体，使QSI衍生单元共价键合于丙烯酸粘结剂内。选择低MMQSI含量旨在引入QSI功能的同时保持基质的PMMA富集特征。功能性丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯单体在防污涂层研究中已很成熟，包括可水解的含金属或含硅烷基粘结剂和生物活性丙烯酸酯体系[32,33]。因此，本工作的具体贡献在于将这种粘结剂整合策略适配于QSI衍生甲基丙烯酸酯，而非依赖活性化合物的物理负载。最后，进行LC–MS/HRMS分析以确认主要色谱组分的分子式并评估MMQSI样品中的次要物种。LC–MS色谱图显示三个主要峰，主组分在t_R = 5.67 min洗脱。该峰占积分面积的64%，而6.70和7.53 min检测到的两个次要峰分别占17%和18%（图4）。主要组分的高分辨质谱显示m/z 317.1022和334.1291的离子，分别对应预期中性分子式C₁₇H₁₆O₆的[M + H]⁺和[M + NH₄]⁺加合物。两个次要峰归属为残留副产物或近缘次要物种，详见图S4。
【数据】MMQSI产率：61%（5.85 g）；¹H NMR：δ 1.88（3H）、2.06（3H）、3.81（3H）、5.86（1H）、6.41（1H）、7.48（5H）；¹³C NMR：δ 18.4、21.7、54.0、84.3、127.7、127.9、129.4、129.7、131.0、134.4、135.1、147.3、163.5、165.7、168.8 ppm；LC–MS：主峰t_R = 5.67 min（64%面积）、次峰6.70 min（17%）、7.53 min（18%）；HRMS：[M+H]⁺ m/z 317.1022、[M+NH₄]⁺ m/z 334.1291；分子式：C₁₇H₁₆O₆
3.3 RAFT共聚及PMMA-co-MMQSI表征
RAFT聚合是一种可逆失活自由基聚合（RDRP）技术，用于合成PMMA参照均聚物和PMMA-co-MMQSI共聚物，旨在控制摩尔质量并限制分散度。选择CDTPA作为链转移剂，因其在甲基丙烯酸酯聚合中的成熟应用。此外，断裂后形成的叔自由基非常适合再引发甲基丙烯酸酯聚合，这对MMA与较庞大MMQSI共聚单体的共聚尤为重要[34]。单体转化率按2.4节所述方法由¹H NMR谱估算。MMA在甲苯中以初始浓度7.43 mol L⁻¹聚合达到98%转化率。对于MMA与MMQSI的共聚，使用1,4-二氧六环作为反应介质以提高MMQSI单体的转化率。在这些条件下，标称MMQSI投料含量为3 mol%时获得高且相当的转化率，MMA达97%，MMQSI达96%。PMMA-co-MMQSI的¹H NMR谱（图5）显示PMMA基链的预期宽信号[35]。主链亚甲基质子在δ 2.1–1.6 ppm出现，而甲基丙烯酸酯单元的甲基在δ 1.1–0.7 ppm附近给出宽信号。为比较，使用在相当RAFT条件下合成的PMMA样品鉴定这些主链信号。重要的是，QSI部分的两个特征共振在PMMA-co-MMQSI谱中仍可识别：中心在δ ≈ 7.5 ppm的芳香信号和δ ≈ 3.8 ppm的酯OCH₃共振。它们在沉淀后的持续存在……
【数据】MMA聚合：甲苯中初始浓度7.43 mol L⁻¹，转化率98%；共聚体系：1,4-二氧六环，MMQSI投料3 mol%；转化率：MMA 97%、MMQSI 96%；¹H NMR：主链亚甲基δ 2.1–1.6 ppm、甲基δ 1.1–0.7 ppm、QSI芳香δ ≈ 7.5 ppm、酯OCH₃ δ ≈ 3.8 ppm；温度：70 °C；时间：16 h
讨论与解读
本文结论指出，海洋防污涂层目前仍主要依赖氧化亚铜和增效杀生剂，尽管环境与法规约束日益增强。本工作开发了一种基于共聚物粘结剂的丙烯酸涂层，其含共价键合的QSI衍生单元。设计理念是通过靶向参与生物膜建立的细菌通讯来减少早期表面定殖，而非引入额外的广谱杀生物化合物。QSI被成功合成、甲基丙烯酰化，并通过RAFT聚合与MMA共聚，形成带有共价键合QSI衍生单元的PMMA基共聚物。光谱、色谱和热分析证实丁烯酸内酯核心保留及功能丙烯酸粘结剂形成。所得PMMA-co-MMQSI共聚物含约3 mol% QSI衍生单元，表明低功能化水平足以获得可测量的含QSI丙烯酸粘结剂，同时保持材料的PMMA富集特征。配制成模型松香–丙烯酸防污涂层并在天然海水流通水槽中测试后，Paint-PMMA-co-MMQSI的生物膜累积显著低于PMMA参照配方。在当前半动态海水水槽条件下，其性能与商用漆Micron 350处于同一范围（基于结晶紫……）。
编译者解读：该研究的亮点在于把QSI从"物理掺混"推进到"共价键合"，用3 mol%的低功能化率实现了抗生物膜效果，同时保留PMMA基质的成膜与力学性能，思路对合成生物学改造涂层材料有借鉴意义。局限也明显：QSI释放依赖涂层侵蚀，长期有效浓度能否维持、对非目标菌群的影响、以及水槽到实海环境的跨度，均未在本文回答。共价键合降低了浸出毒性风险，但也意味着表面更新是活性发挥的前提，这为后续设计可编程降解的粘结剂留下了空间。
参考来源
期刊：Progress in Organic Coatings, 2027
DOI: 10.1016/j.porgcoat.2026.110712
DOI: 10.1016/j.porgcoat.2026.110712