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天工大陳莉/何洋團(tuán)隊(duì) Biomacromolecules和 J. Membr. Sci.:超支化聚合物刷的鏈體積重疊度及防污性能
2022-11-21  來源:高分子科技

  線形聚合物刷的接枝鏈長難以精確調(diào)控,構(gòu)象自由度高且空間穩(wěn)定性差,難以探究聚合物刷的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)防污性能的影響及調(diào)控機(jī)制。與線形聚合物刷相比,具有穩(wěn)定構(gòu)象的超支化聚合物刷在材料表面排列更加緊密,能夠提供類似于灌木叢形態(tài)的屏蔽結(jié)構(gòu),從而精密調(diào)控材料表面的防污性能。


  近期,天津工業(yè)大學(xué)陳莉/何洋團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)明確、聚合物刷鏈長可控、接枝密度可調(diào)的超支化聚甘油刷(HPG),并首次建立了鏈體積重疊度(Dv)的評(píng)價(jià)指標(biāo)(圖1),闡明了聚合物刷鏈長及空間排布對(duì)表界面物化性質(zhì)的影響,揭示了超支化聚合物刷拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的防污機(jī)制。相關(guān)成果發(fā)表在Biomacromolecules 2022, 23,4924和Journal of Membrane Science 2023, 666, 121157,兩篇論文的第一作者和通訊作者分別為何洋陳莉教授。論文得到了國家自然科學(xué)基金和天津市科技計(jì)劃等項(xiàng)目的支持。 



圖1:(a) Dv計(jì)算過程的相關(guān)原理圖;(b) 超支化聚合物刷相鄰鏈間從無重疊到緊密重疊示意圖。


  以硅片為基底,將鏈長可控、均一的超支化聚甘油刷錨定在其表面,探究了聚合物刷拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征與防污性能之間的構(gòu)效關(guān)系�?疾炝送�?fù)浣Y(jié)構(gòu)和接枝鏈長對(duì)防污性能的影響,借助鏈體積重疊度這一指標(biāo)進(jìn)一步闡釋了空間排列的堆積程度對(duì)超支化聚合物刷構(gòu)象熵的作用規(guī)律(圖2)。 



圖2:(a) HPG刷結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系 ;(b)C-AFM測(cè)定HPG刷的力-分離曲線,突出了樹枝狀刷內(nèi)部的空間排列和聚合物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)接近的探針產(chǎn)生空間斥力的影響。(Biomacromolecules 2022, 23,4924)


  基于上述研究,進(jìn)一步將超支化聚甘油刷引入到聚偏氟乙烯(PVDF)膜表面構(gòu)建高抗污的分離膜并運(yùn)用響應(yīng)面法分析了接枝鏈長和接枝密度對(duì)防污性能的影響。結(jié)果表明,超支化聚甘油刷的Dv值與相關(guān)PVDF膜的防污性能呈現(xiàn)顯著的線性關(guān)系,進(jìn)一步印證了鏈體積重疊度用于評(píng)價(jià)超支化聚合物刷拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特征的有效性(圖3)。 


圖3. 響應(yīng)面法探究鏈長和接枝密度對(duì)(a)滲透通量和(b)通量回收率的影響。(c)三循環(huán)實(shí)驗(yàn)FRR與HPG刷體積重疊程度的關(guān)系。(J. Membr. Sci. 2023, 666, 121157)


  上述研究成果為聚合物刷的鏈長和空間排布對(duì)防污性能的影響提供了定量的評(píng)價(jià)指標(biāo),明晰了鏈長對(duì)防污性能的影響因素,對(duì)聚合物刷的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)調(diào)控具有一定的指導(dǎo)意義。值得一提的是,該設(shè)計(jì)思路成功應(yīng)用于面向并發(fā)癥治療的血液透析膜創(chuàng)研體系中,已設(shè)計(jì)和開發(fā)了高同型半管氨酸血癥治療的血液透析膜(ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 36837和ZL201710971148.3)和氧化應(yīng)激干預(yù)的血液透析膜(J. Membr. Sci. 2021, 625,119174和ZL201911146151.7),在抗污表面、分離膜和生物材料等領(lǐng)域展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。


  論文鏈接:

  https://doi.org/10.1021/acs.biomac.2c01106

  Volume Overlap Variation within Hyperbranched Polymer Brushes Resolves Topology Effects against Protein Fouling,Biomacromolecules 23(11) (2022) 4924-4933.

  https://doi.org/10.1016/j.memsci.2022.121157

  Facile optimization of grafted chain length on antifouling properties based on hyperbranched polyglycerol, J. Membr. Sci. 666 (2023) 121157.

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