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制备兼具高疏水性与抗蛋白质吸附性多孔膜材料获突破
《材料前沿科技》微信公众号 / 时间:2018-06-13 14:38:55

  据材料前沿科技微信公众平台2018年6月2日讯 蛋白质和其他生物分子在表面上的吸附是许多领域的一个重要挑战。 在用于水处理的膜过滤应用中,这种现象是导致严重通量下降且结垢的主要原因,也给医疗应用(如植入物,伤口敷料,手术设备和防护服),海洋和建筑表面以及生物传感器等方面的污染防治带来极大挑战。
  蛋白质和其他大分子吸附到多孔材料表面所带来的危害将更加突出,孔变窄会给材料表面化学性,润湿性和其他性能产生强烈的影响。该吸附层会更加促进和增强细胞和微生物在表面上的粘附,进而形成生物膜。
  疏水表面上的蛋白质吸附可以更显着地降低界面能。这意味着一般来说,亲水表面往往比疏水表面污垢少。经前人研究表明,结合小片亲水和疏水材料的表面可以抵抗结垢。具体而言,在污垢长度尺度上具有成分不均匀性的两亲性表面可能阻碍污垢与表面之间的热力学相互作用,从而限制吸附。
  膜蒸馏(MD),是利用疏水性多孔膜将一侧的液相与另一侧的蒸汽相分开。MD经常用于处理高度污染水和废水,包含高盐浓度和大量的有机大分子和/或油,这些有机污染物在膜表面上的吸附使得膜表面更具亲水性,最终允许废水渗透到渗透侧,导致操作质量和操作效率急剧下降。在大多数应用中,通过使膜表面更亲水来防止结垢,显然,这与成功的MD膜是矛盾的。
  静电纺丝是一种利用聚合物制备纳米至微米级纤维的简单且稳健的方法,可以生成具有极高孔隙率的膜和非织造材料,其优势在于可控构筑相互连接的孔隙、相结构(结晶,刚性无定形和流动非晶相)以及孔径/纤维直径。在MD应用中,电纺材料的高孔隙率和相互连接的孔结构对于膜的高通量和高热效率至关重要。为实现高疏水性,大多数电纺MD膜由氟化聚合物制成,特别是聚偏氟乙烯(PVDF)及其衍生物。
  美国塔夫茨大学阿瑟·阿斯塔金(Ayse Asatekin)等人通过静电纺丝技术,利用两性离子双亲共聚物,即聚(甲基丙烯酸三氟乙基酯-无规-磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯),制备兼具高疏水性与抗蛋白质吸附性的无纺布多孔膜材料。通过改变静电纺丝参数和溶液组成,可以制备多种纤维形态的膜,包括珠状,无珠,皱纹和带状纤维,直径范围在150nm和1.5μm之间。向纺丝溶液中加入LiCl不仅有助于控制纤维形态,还会增加膜表面两性离子基团的分离。由此产生的电纺膜是高度多孔和非常疏水的,同时可抵抗蛋白质的吸附,即使暴露于蛋白质溶液后仍保持高接触角(≈140°)。以上研究成果有望成为废水膜蒸馏和自清洁材料的候选产品。


图1.通过自由基共聚制备PTFEMA-r-SBMA共聚物的合成方案。

图2.使用不同溶剂制备的电纺丝垫的SEM图像。P-DMAC由DMAc制备,P-TFE由TFE制备,P18-0由3:1 DMF/ TFE制备。

图2.使用不同溶剂制备的电纺丝垫的SEM图像。P-DMAC由DMAc制备,P-TFE由TFE制备,P18-0由3:1 DMF/ TFE制备。

图3.由含有各种共聚物和LiCl浓度的溶液制备的电纺膜SEM图像(展示了广泛的可控形态,包括珠状和无珠纳米纤维,微纤维和带状纤维)。

图3.由含有各种共聚物和LiCl浓度的溶液制备的电纺膜SEM图像

(展示了广泛的可控形态,包括珠状和无珠纳米纤维,微纤维和带状纤维)。