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華中科技大學王艷教授團隊《Adv. Funct. Mater.》：基于硼酸酯pH響應性的可再生抗菌納濾分離膜
2023-03-28  來源：高分子科技

  隨著人們生產生活水平的不斷提高，全球面臨水資源短缺問題。而膜分離技術作為分離效率高、操作條件溫和、應用范圍廣泛的水處理技術為日益嚴峻的水短缺現狀提供了可持續的解決方案。然而，由于料液一側分離膜表面不可避免地與待處理廢水中的礦物質、有機物和微生物接觸，幾乎所有的膜都面臨污染問題。更嚴重的是，由生物污染物在膜表面增殖形成的生物膜會嚴重阻塞水流通道，增大水處理過程中水的滲透阻力，造成水通量下降，加快膜老化，增加運行成本。因此，研究者們不斷向膜材料中引入抗菌劑以提升膜的抗生物污染性能，以保證其穩定的分離效率。但可惜的是，引入的抗菌劑始終會面臨抗菌時效短，抗菌劑易耗盡的問題。在此背景下，如何能賦予膜可再生的抗菌性顯得尤為重要。


  近期，華中科技大學化學與化工學院王艷教授團隊提出了一種基于硼酸酯pH響應性的膜表面可再生抗菌劑接枝的策略，以單胺基的單體成功制備富含硼酸基團的薄膜復合 (TFC) 納濾 (NF) 膜的超薄選擇層。所制備的TFC膜表面的硼酸基團可識別多種帶有二醇基團的抗生素，并可以通過pH響應性將其多次反復引入膜表面，成功賦予膜可再生抗菌性（圖1）。該工作以“A Boronate Ester Driven Rechargeable Antibacterial Membrane for Fast Molecular Sieving”為題發表在《Adv. Funct. Mater.》上。文章第一作者是華中科技大學博士生易鳴。該研究得到國家自然科學基金委的支持。 


圖1. 在pH響應下具備可再生抗菌性的氨基硼酸TFC膜


  本工作中，首先選取具有硼酸基團的胺單體3-氨基苯硼酸（3-aminophenylboronic acid， APBA）作為界面聚合反應的水相單體制備TFC膜。區別于一般的水相胺單體，APBA結構中僅帶有一個胺基，作為單胺基的單體，其在界面聚合反應中仍然能與酰氯充分交聯并生成致密的選擇層（圖2a,2b）。通過研究發現，在水溶液中APBA中的硼酸基團能通過強氫鍵作用形成二聚體（圖2c）。文中通過改變APBA溶液的pH，觀察到選擇層的生長在堿性條件下將受到限制（圖2d,2f）。進一步證明硼酸基團為聚酰胺的交聯結構提供了基礎。更重要的是，這些硼酸基團是賦予膜可再生抗菌性的關鍵。 


圖2. (a,b) APBA在溶液中與酰氯反應生成的超薄層; (c) APBA分子在水中的結構; (d,f) APBA溶液pH對聚酰胺層生長的影響; (e) 氨基硼酸TFC膜制備示意圖


  接著，以膜上的硼酸基團作為橋梁，引入各種帶二醇結構的抗生素。這些抗菌劑能和膜上的硼酸官能團反應生成具有pH響應性的硼酸酯結構。在抗菌劑發揮完殺菌作用并通過pH響應釋放之后，可在膜表面重新引入新的抗菌劑（圖1）。氨基硼酸TFC膜的表面形貌和表面性質會隨著失效的抗菌劑釋放而恢復到初始狀態（圖3）。而其在接枝兩種不同的抗生素后，均展現出優越的抗菌性（圖4a,4b）。最重要的是，氨基硼酸TFC膜經歷了四個循環的可再生測試后抗菌性能依然達到99%（圖4c,4d）。 


圖3. 氨基硼酸TFC膜在pH響應下接枝和釋放抗生素后表面性質的變化 


圖4. (a,b) 氨基硼酸TFC膜接枝不同的抗生素后的抗菌性能; (c,d) 氨基硼酸TFC膜的可再生抗菌性能

  而作為分離膜，氨基硼酸TFC膜對含鹽染料展現出超高的分離性能。得益于APBA在水溶液中形成的二聚體結構，制備所得的疏松聚酰胺層對NaCl的截留低至0.93%的同時對剛果紅的截留達98.1%，水通量達到49.3~53.4 L m-2 h-1 bar-1（圖5）。這種基于氨基硼酸結構的TFC膜對未來高通量可再生抗菌膜的發展提供了新思路。 


圖5. 氨基硼酸TFC膜在pH響應性下的分離性能


  論文信息：A Boronate Ester Driven Rechargeable Antibacterial Membrane for Fast Molecular Sieving（doi.org/10.1002/adfm.202213471）

  Ming Yi, Thi Dao Nguyen, Huan Liu, Yafang Liu, Shu Xiong, and Yan Wang* 

  https://doi.org/10.1002/adfm.202213471

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（責任編輯：xu）
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