天工大陈莉/何洋团队 Biomacromolecules和 J. Membr. Sci.：超支化聚合物刷的链体积重叠度及防污性能

高分子科技

2022-11-21

导读：阐明了聚合物刷链长及空间排布对表界面物化性质的影响，揭示了超支化聚合物刷拓扑结构的防污机制...

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线形聚合物刷的接枝链长难以精确调控，构象自由度高且空间稳定性差，难以探究聚合物刷的拓扑结构对防污性能的影响及调控机制。与线形聚合物刷相比，具有稳定构象的超支化聚合物刷在材料表面排列更加紧密，能够提供类似于灌木丛形态的屏蔽结构，从而精密调控材料表面的防污性能。

近期，天津工业大学陈莉/何洋团队设计了拓扑结构明确、聚合物刷链长可控、接枝密度可调的超支化聚甘油刷（HPG），并首次建立了链体积重叠度（D_v）的评价指标（图1），阐明了聚合物刷链长及空间排布对表界面物化性质的影响，揭示了超支化聚合物刷拓扑结构的防污机制。相关成果发表在Biomacromolecules 2022, 23,4924和Journal of Membrane Science 2023, 666, 121157，两篇论文的第一作者和通讯作者分别为何洋和陈莉教授。论文得到了国家自然科学基金和天津市科技计划等项目的支持。

图1：(a) D_v计算过程的相关原理图；(b) 超支化聚合物刷相邻链间从无重叠到紧密重叠示意图。

以硅片为基底，将链长可控、均一的超支化聚甘油刷锚定在其表面，探究了聚合物刷拓扑结构特征与防污性能之间的构效关系。考察了拓扑结构和接枝链长对防污性能的影响，借助链体积重叠度这一指标进一步阐释了空间排列的堆积程度对超支化聚合物刷构象熵的作用规律（图2）。

图2：(a) HPG刷结构参数之间的关系；(b)C-AFM测定HPG刷的力-分离曲线，突出了树枝状刷内部的空间排列和聚合物拓扑结构对接近的探针产生空间斥力的影响。（Biomacromolecules 2022, 23,4924）

基于上述研究，进一步将超支化聚甘油刷引入到聚偏氟乙烯（PVDF）膜表面构建高抗污的分离膜并运用响应面法分析了接枝链长和接枝密度对防污性能的影响。结果表明，超支化聚甘油刷的D_v值与相关PVDF膜的防污性能呈现显著的线性关系，进一步印证了链体积重叠度用于评价超支化聚合物刷拓扑结构特征的有效性（图3）。

图3. 响应面法探究链长和接枝密度对（a）渗透通量和（b）通量回收率的影响。（c）三循环实验FRR与HPG刷体积重叠程度的关系。（J. Membr. Sci. 2023, 666, 121157）

上述研究成果为聚合物刷的链长和空间排布对防污性能的影响提供了定量的评价指标，明晰了链长对防污性能的影响因素，对聚合物刷的设计和结构调控具有一定的指导意义。值得一提的是，该设计思路成功应用于面向并发症治疗的血液透析膜创研体系中，已设计和开发了高同型半管氨酸血症治疗的血液透析膜（ACS Appl. Mater. Interfaces 2020, 12, 36837和ZL201710971148.3）和氧化应激干预的血液透析膜（J. Membr. Sci. 2021, 625,119174和ZL201911146151.7），在抗污表面、分离膜和生物材料等领域展现出了良好的应用前景。

论文链接：

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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