功能性聚醚砜膜的研究進(jìn)展

張 翔，趙偉鋒，趙長(zhǎng)生

（四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程學(xué)院，高分子材料工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065）

聚醚砜是一種綜合性能優(yōu)異的熱塑性高分子材料，其分子式如圖1（a）所示。聚醚砜分子鏈段由苯環(huán)、砜基和醚鍵組成。苯環(huán)、醚鍵與砜基的相互作用賦予了聚醚砜材料優(yōu)異的物理化學(xué)性能，如砜基使聚醚砜具有良好的耐熱性；醚鍵賦予聚醚砜鏈在熔融狀態(tài)時(shí)的良好流動(dòng)性，使得其易于加工成型；而分子結(jié)構(gòu)中的共軛體系使得聚醚砜具有相當(dāng)高的穩(wěn)定性?；谶@些優(yōu)異的性能，聚醚砜作為特種功能塑料，在眾多領(lǐng)域，尤其是生物醫(yī)療和水處理領(lǐng)域，都有著廣泛應(yīng)用[1-4]。

圖1 （a）聚醚砜的分子式；（b）聚醚砜平板膜斷面的掃描電鏡照片[5]；（c）聚醚砜中空纖維膜斷面的掃描電鏡照片[6]Fig.1 （a） Chemical structure of polyethersulfone； （b） Crosssection SEM image of polyethersulfone flat membrane[5]；（c） Cross-section SEM image of polyethersulfone hollow fiber membrane[6]

通過相分離方法，聚醚砜可以制成具有多孔結(jié)構(gòu)的半透膜材料，聚醚砜膜表現(xiàn)出了極好的抗氧化性、熱穩(wěn)定性、抗水解作用以及良好的力學(xué)性能[1]。在生物醫(yī)療和水處理領(lǐng)域，聚醚砜基本也是基于膜材料來應(yīng)用的。滲透率和選擇性是衡量聚醚砜膜性能的兩個(gè)重要參數(shù)[7]。滲透率指的是在特定流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力推動(dòng)下，流體通過半透膜材料的難易程度，它可以用來表征膜對(duì)物質(zhì)傳輸?shù)男?；選擇性指的是膜對(duì)不同尺寸或者不同物化性質(zhì)物質(zhì)的截留或放行，它可以用來表征膜對(duì)物質(zhì)分離的效率。膜材料的物理化學(xué)性質(zhì)以及孔徑結(jié)構(gòu)決定了其滲透率和選擇性，滲透率與其孔徑大小正相關(guān)；選擇性是膜孔與溶質(zhì)的物理作用：溶質(zhì)尺寸小于膜孔的能夠通過，大于膜孔的則會(huì)被截留[8,9]。

聚醚砜膜主要有兩種形態(tài)，平板膜和中空纖維膜，其斷面的掃描電鏡圖片如圖1（b，c）所示。平板膜通常是由相分離方法直接制得。將聚醚砜溶解在有機(jī)溶劑中后形成的鑄膜液平整地涂覆在支撐材料上（例如玻璃、金屬片或無紡布等），再浸入凝固浴中（通常是水）便可以得到聚醚砜平板膜。對(duì)于聚醚砜中空纖維膜，制備方法也是基于相分離，但制備過程需要的裝置則相對(duì)復(fù)雜，需要依靠特制的噴絲頭以及收集裝置[10]。相分離制備的聚醚砜膜，其膜孔結(jié)構(gòu)會(huì)受到制備過程中多個(gè)因素的影響，包括聚醚砜鑄膜液濃度、溶劑類型、添加劑、操作溫度以及凝固浴類型等[11]。通常，相分離方法制備的聚醚砜膜是非對(duì)稱結(jié)構(gòu)，且表層較為致密，滲透率較低，用于超濾和納濾。但通過對(duì)相分離過程條件的調(diào)節(jié)，也可以得到具有較大孔尺寸且高通量的對(duì)稱結(jié)構(gòu)微濾膜。由于制備和測(cè)試方法簡(jiǎn)單，因此常以基礎(chǔ)研究為目的制備聚醚砜平板膜。憑借一個(gè)濾頭便可以測(cè)試平板膜的滲透率和選擇性。而中空纖維膜則適用于工業(yè)應(yīng)用，因?yàn)橹锌绽w維膜制成的濾器具有更大的有效面積。

盡管聚醚砜以及聚醚砜膜材料已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，但它們?nèi)匀淮嬖谥恍﹩栴}。其主要問題是聚醚砜膜的相對(duì)疏水性，使其在應(yīng)用過程中容易被污染，即膜表面易吸附非極性溶質(zhì)（例如微粒雜質(zhì)、蛋白或者細(xì)菌）使得膜孔被堵塞，影響滲透率，導(dǎo)致通量降低[12,13]。在生物醫(yī)療領(lǐng)域，聚醚砜膜常被用于制備人工器官，例如制備成人工腎血液透析器用于血液凈化，并且取得了很大成功[14,15]。然而疏水性使得其在此場(chǎng)合的應(yīng)用受到一些限制：當(dāng)膜與血液接觸時(shí)，血液中疏水的蛋白會(huì)很快黏附于膜表面，從而引起凝血因子的激活和血小板的黏附、聚集，導(dǎo)致形成血栓。因此，目前聚醚砜血液透析器在臨床使用時(shí)需要不斷加入抗凝劑[13,16]。此外，前文也提到，聚醚砜膜的滲透率和選擇性是受膜的物化性質(zhì)和孔徑結(jié)構(gòu)決定的固有性質(zhì)，因此對(duì)于成品膜此性質(zhì)是不可調(diào)控的，這導(dǎo)致聚醚砜膜在特定領(lǐng)域（如水處理或物質(zhì)傳輸領(lǐng)域）的應(yīng)用也受到了限制[17,18]。

基于以上問題，親水性改性和血液相容性改性的功能化聚醚砜膜研究受到了越來越多的關(guān)注。此外，滲透率和通量可變的智能響應(yīng)功能化聚醚砜膜的研究也成為了十分重要的分支。本文將圍繞這兩個(gè)方面，對(duì)近年來的相關(guān)工作進(jìn)行介紹。

1 聚醚砜膜的改性方法

目前已有大量的研究借助多種功能原材料以及不同方法實(shí)現(xiàn)聚醚砜膜的多種改性和功能化。改性方法主要包括本體改性、共混改性和表面改性。

本體改性是指在聚醚砜分子鏈上通過化學(xué)鍵的方式直接引入功能性基團(tuán)，再以改性的聚醚砜為原料制備成膜。在聚醚砜分子鏈上引入磺酸根、羧酸根是常見的改性方法，這兩個(gè)基團(tuán)的引入可以改善聚醚砜的親水性和血液相容性[19,20]。共混改性是指先將改性原料添加在聚醚砜鑄膜液中，再制備膜材料的方法。例如加入聚乙烯吡咯烷酮或聚乙二醇后，改性的聚醚砜膜能夠表現(xiàn)出更好的親水性和抗蛋白污染能力。共混改性由于易操作和可實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，是目前聚醚砜膜改性的最常用方法[21,22]。表面改性分為表面涂覆和表面接枝。表面涂覆指在膜表面涂覆一層功能性物質(zhì)來賦予改性膜相應(yīng)的性能。該方法能很好地保持膜本體的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，只改變其表面的性能。表面接枝是指采用共價(jià)鍵接枝技術(shù)、等離子體技術(shù)、光化學(xué)技術(shù)（如紫外照射）等方法在膜表面接枝功能小分子或基團(tuán)[23,24]。表面改性法針對(duì)性強(qiáng)、效率高，但很難用于改性聚醚砜中空纖維膜。

選擇合適的改性方法，結(jié)合特定的功能原料（如小分子、聚合物或者其他無機(jī)添加劑），可以制得具備特定性能或功能的聚醚砜膜。

2 聚醚砜膜的功能化改性

2.1 抗凝功能化改性

聚醚砜膜材料已經(jīng)在血液凈化治療中廣泛應(yīng)用，然而聚醚砜本身不具備防止血液凝固（抗凝）的功能，在應(yīng)用過程中會(huì)導(dǎo)致由人體免疫系統(tǒng)的激活而引起的血液凝固和血栓形成，這會(huì)嚴(yán)重影響血液凈化的治療過程。因此賦予聚醚砜膜抗凝功能是其應(yīng)用于血液凈化領(lǐng)域時(shí)需要考慮的重要問題。血液凝固的過程較為復(fù)雜，特定種類的官能團(tuán)（如磺酸基、羧基等）能夠通過與凝血過程中的特定因子發(fā)生作用而阻斷凝血過程。因此，向聚醚砜膜上引入這類官能團(tuán)能夠有效提高膜的抗凝能力。

本體改性是一種很直接的方法，例如，利用一些磺化試劑通過親電取代反應(yīng)可將聚醚砜中苯環(huán)特定位點(diǎn)的氫原子替換為磺酸根。此外，通過乙?；傺趸姆椒梢詫Ⅳ然氲骄勖秧糠肿由?。磺酸基和羧基的引入使得聚醚砜膜表面帶有負(fù)電荷而且更加親水，可以顯著降低膜表面的蛋白吸附量[25-27]。然而，本體改性常導(dǎo)致聚醚砜發(fā)生降解，使分子量降低。加上改性后的親水特性，本體改性聚醚砜膜的成膜性能會(huì)受到很大影響。

共混法是指將合成的功能聚合物分子或其他原材料加入到聚醚砜鑄膜液中，待兩相混合均一后再用于膜的制備。唐敏等[5]通過將三元無規(guī)共聚物聚（丙烯腈-丙烯酸-乙烯基吡咯烷酮）、磺化聚醚砜與聚醚砜共混成膜，在聚醚砜膜中引入了羧酸根和磺酸根。改性后的聚醚砜膜更加親水，且表現(xiàn)出更好的血液相容性（如蛋白吸附和血小板黏附降低、補(bǔ)體激活被抑制、凝血時(shí)間延長(zhǎng)等）。為了提高功能聚合物與聚醚砜的相容性，減小聚合物混入對(duì)成膜性能的影響，馬朗等[6]通過引入羧酸根和磺化的方法制備了改性聚氨酯聚合物，并和聚醚砜共混成膜。結(jié)果表明，改性后膜的血小板黏附和激活均得到了有效抑制，凝血時(shí)間明顯延長(zhǎng)，且由于聚氨酯與聚醚砜良好的相容性，改性的成膜液具有較好的成膜性，可以用于中空纖維膜的制備，隨后的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)也表明了改性中空纖維膜的抗凝血性能提高。

然而，共混方法也有一定的缺陷，即功能聚合物在改性膜中的穩(wěn)定性難以得到保障。因此，本課題組[28]基于共混原理，提出一種改進(jìn)的聚醚砜膜改性方法，即原位交聯(lián)聚合法。該法是將改性單體、引發(fā)劑和交聯(lián)劑加入到聚醚砜鑄膜液中，鑄膜液經(jīng)聚合反應(yīng)后制備成膜。經(jīng)過聚合反應(yīng)后，功能聚合物形成微交聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)體系，與聚醚砜大分子以一種半互穿網(wǎng)絡(luò)的形式存在，因此大大提高了功能聚合物的穩(wěn)定性。覃慧等[29]選擇單體甲基丙烯酸羥乙酯和丙烯酸，通過原位交聯(lián)聚合法，將羥基和羧酸根引入到聚醚砜膜中。結(jié)果表明這兩種官能團(tuán)的引入沒有引發(fā)血液中的補(bǔ)體激活；同時(shí)，改性膜的抗蛋白污染能力以及血液相容性均得到了很大提高。同樣利用此方法，李雙四等[30]選用對(duì)苯乙烯磺酸鈉和丙烯酸鈉為改性單體制備的改性聚醚砜膜也表現(xiàn)出了良好的親水性和抗蛋白污染的能力，同時(shí)凝血時(shí)間也得到延長(zhǎng)，血小板黏附和補(bǔ)體激活得到抑制（如圖2所示）。

圖2 血小板在未改性聚醚砜膜和改性聚醚砜膜上的黏附情況[30]Fig.2 Morphologies of adhered platelets on the naked and modified PES membranes[30]

相對(duì)于共混改性，表面改性方法更加靈活，由于在應(yīng)用過程中膜表面會(huì)與血液充分接觸，因此表面改性方法針對(duì)性更強(qiáng)、效率更高，得到了廣泛研究與應(yīng)用。例如，王臣等[31]提出一種表面后功能化的方法：先利用甲基丙烯酸羥乙酯通過原位交聯(lián)聚合的方式制備了表面帶有羥基的聚醚砜膜；隨后利用過硫酸銨將羥基轉(zhuǎn)化為自由基，以此為位點(diǎn)使對(duì)苯乙烯磺酸鈉在膜表面進(jìn)行聚合。結(jié)果表明，表面富集的對(duì)苯乙烯磺酸鈉聚合物使改性膜的血液相容性更好（包括凝血時(shí)間的延長(zhǎng)和血小板黏附量的降低）。紀(jì)海鋒等[32]通過原位交聯(lián)聚合的方式先在聚醚砜膜表面引入甲基丙烯酸縮水甘油酯，之后將改性膜浸泡入帶有羧基和磺酸基的聚合物水溶液中。通過環(huán)氧基與羧基的開環(huán)反應(yīng)，聚合物即可通過共價(jià)鍵的方式接枝在聚醚砜膜的表面。此方法具有較好的普適性，多種功能單體都可以通過環(huán)氧基和羧基的反應(yīng)引入到膜表面。同時(shí)此方法反應(yīng)過程也十分溫和。引入了磺酸基的改性膜抗蛋白污染能力顯著提高，凝血時(shí)間也明顯延長(zhǎng)。此外，通過非共價(jià)鍵的方式也可以有效提高聚醚砜膜的血液相容性。周鴻菊等[33]分別向氧化石墨烯上引入了正電荷分子刷聚丙烯酰胺和負(fù)電荷分子刷聚對(duì)苯乙烯磺酸鈉，之后通過靜電層層自組裝的方式將不同電荷的改性石墨烯片層引入到了聚醚砜膜的表面。結(jié)果表明，膜的血小板黏附量和溶血率都顯著降低，血液相容性得到了提升。

2.2 抗污功能化改性

如前文所述，聚醚砜膜疏水的特性導(dǎo)致其在使用過程中易被疏水物質(zhì)（如污水處理時(shí)水環(huán)境中的藻類或油污以及血液凈化時(shí)血液中的蛋白等）黏附（污染），這將導(dǎo)致膜的滲透率降低，選擇性受到影響，且蛋白黏附也將進(jìn)一步引發(fā)血栓的形成。將親水的功能物質(zhì)引入聚醚砜膜中，能夠有效改善膜的抗污性能。

韓智媛等[34]通過原位交聯(lián)聚合法向聚醚砜膜中引入了親水共聚物聚（丙烯酸-甲基丙烯酸甲酯）和聚（乙烯基吡咯烷酮-甲基丙烯酸甲酯），制備了兩種改性膜。其中聚甲基丙烯酸甲酯用于提高聚合物在聚醚砜膜中的穩(wěn)定性。相比于未改性的聚醚砜膜，兩種改性膜的親水性和滲透率都得到了提高，抗牛血清白蛋白污染結(jié)果也表明，改性膜滲透率的回復(fù)率可以達(dá)到80%以上（未改性膜的約60%）。表面改性的方法也可以有效提高聚醚砜膜的抗污性能。向韜等[35]通過表面引發(fā)原子轉(zhuǎn)移自由基聚合的方法，將乙烯基吡咯烷酮引入到了聚醚砜膜的表面。該方法能夠通過控制聚合時(shí)間，方便地控制表面聚合物的引入量。在特定的引入量下，改性膜的水接觸角可由原來的90°降低到10°以下。蛋白吸附實(shí)驗(yàn)也表明改性膜對(duì)牛血清白蛋白和纖維蛋白的吸附量大大降低。

一些研究發(fā)現(xiàn)，由兩性離子聚合而成的大分子表現(xiàn)出極好的親水性，因此也被廣泛用于材料的親水、抗污改性之中。向韜等[36]通過原位交聯(lián)聚合的方法將兩性離子聚合物聚磺酸基甜菜堿引入到聚醚砜膜中。膜表面的兩性離子聚合物能夠與水分子作用，在膜表面通過結(jié)合水的形式形成一層水合層，以此提高膜的親水性和有效阻止蛋白的黏附。隨著兩性離子聚合物用量的增加，改性膜的蛋白吸附量明顯降低，且動(dòng)態(tài)抗蛋白污染滲透率的回復(fù)率高于99%。陳勝求等[37]利用表面涂覆的方法制備了兩性離子聚合物改性的聚醚砜膜，首先向聚醚砜膜表面涂覆單寧酸，之后再將季銨化的聚乙烯亞胺作為兩性離子聚合物涂覆于單寧酸處理的表面之上（如圖3所示）。改性膜的親水性明顯提高，血小板和蛋白的黏附量也大大降低。此外，此涂覆方法普適性強(qiáng)，能夠在包括聚醚砜在內(nèi)的多種材料表面形成較為穩(wěn)定的涂層。

圖3 聚醚砜膜上單寧酸-兩性離子聚合物涂層的制備方法[37]Fig.3 Schematic of the preparation of antifouling surface by TA-inspired approach[37]

除了引入聚合物分子，一些無機(jī)納米顆粒也可以用于抗污聚醚砜膜的制備。Salimi等[38]通過共混的方法向聚醚砜鑄膜液中加入了羥基磷灰石納米顆粒，制備了改性聚醚砜中空纖維膜，并選用牛血清白蛋白對(duì)改性膜進(jìn)行了動(dòng)態(tài)抗蛋白污染測(cè)試。結(jié)果表明改性后膜滲透率的回復(fù)率提高到了75%（未改性前為49%）。朱利平等[39]將二氧化硅納米顆粒通過可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移聚合方法修飾上了一層兩性離子聚合物，之后將改性的二氧化硅顆粒與聚醚砜共混成膜?；烊氲母男远趸桀w粒相比于單純的納米粒子共混或聚合物共混都更加穩(wěn)定，且改性膜表現(xiàn)出良好的親水性以及抗蛋白污染能力。

Wu[40]通過表面涂覆法，在聚醚砜膜表面制備了一層海藻酸涂層，并用均苯三甲酰氯將涂層固化。改性后的聚醚砜膜具有良好的抗藻類黏附性能。對(duì)含藻水溶液進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的過濾后，改性膜的滲透率下降速率顯著降低；黏附在改性膜表面的藻類能夠通過漂洗的方式輕易移除，且膜的滲透率回復(fù)率高于90%。張慶華等[41]制備了一種富含氟元素的兩性離子聚合物，并通過共混的方法對(duì)聚醚砜膜進(jìn)行了改性。氟元素的引入并沒有提高改性膜的親水性，但具有雙疏（疏水疏油）性能的氟元素同樣賦予了改性膜良好的抗污染性能。對(duì)水包油乳液的分離實(shí)驗(yàn)表明，相比于未改性膜，改性膜分離乳液時(shí)滲透率下降緩慢，且回復(fù)率高于99%。

同時(shí)，一些研究者通過光化學(xué)接枝的方法，也實(shí)現(xiàn)了聚醚砜膜抗污能力的提升。例如，Ulbricht等[42]通過紫外輻照的方式將親水性單體乙二醇二甲基丙烯酸酯接枝到了聚醚砜平板納濾膜表面。研究表明輻照時(shí)間和初始單體的用量對(duì)改性膜的滲透率和抗污性能影響較大。當(dāng)選用較大的單體初始質(zhì)量濃度（40 g/L）和較短的輻照時(shí)間（1～3 min）作為反應(yīng)條件時(shí)，改性膜的抗污性能較好，且其滲透率受到的影響較小。王靜霞等[43]將功能單體（對(duì)苯乙烯磺酸鈉、丙烯酸和N-乙烯基吡咯烷酮）加入到聚醚砜鑄膜液中，通過伽馬射線輻照的方式將功能單體接枝在聚醚砜大分子上。改性的聚醚砜鑄膜液可用于制備平板膜和中空纖維膜。對(duì)牛血清白蛋白的抗污實(shí)驗(yàn)表明，改性平板膜的蛋白吸附量明顯降低，動(dòng)態(tài)抗蛋白污染測(cè)試也表明改性膜的通量回復(fù)率明顯提高（大于90%）。

2.3 抗菌功能化改性

在聚醚砜膜的應(yīng)用過程中，細(xì)菌的黏附與感染也是不容忽視的問題。通過特定的方法將抗菌功能材料（如季銨類聚合物或者銀顆粒等）引入到聚醚砜膜中，可以有效賦予其抗菌性能。王睿等[44]通過一步法將聚氨酯鏈段中的叔胺基轉(zhuǎn)化為季銨鹽，并將季銨化的聚氨酯與聚醚砜共混制備了改性聚醚砜膜。細(xì)菌共培養(yǎng)測(cè)試結(jié)果表明，改性膜對(duì)金黃色葡萄球菌的生長(zhǎng)有明顯的抑制效果。向韜等[28]利用原位交聯(lián)聚合的方法向聚醚砜膜中引入了季銨鹽單體甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨，制備的改性膜對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌都有很好的抗菌性，相比于未改性膜，改性膜抑制了約92%的細(xì)菌增殖。

銀納米粒子由于銀離子的釋放作用具有極好的殺菌性能，將銀納米粒子引入到聚醚砜膜中，可賦予膜非接觸殺菌性能。趙頌等[45]制備了聚苯胺納米粒子，通過多巴胺涂覆的方式賦予其表面載銀位點(diǎn)并負(fù)載了銀納米顆粒，之后將改性聚苯胺顆粒通過共混的方式加入聚醚砜膜中。改性膜周圍能夠明顯觀察到抑菌圈，表現(xiàn)出良好的抗菌性能，且與菌液接觸后，相比于未改性膜，改性膜的殺菌率由約16%（對(duì)于大腸桿菌）和28%（對(duì)于金黃色葡萄球菌）均提高到了接近100%。何敏等[46]通過層層自主裝的方式，將含羧酸根和兩性離子的共聚物引入到聚醚砜膜表面，通過羧酸根與銀離子的作用在改性膜表面負(fù)載了銀納米顆粒。如圖4所示，相比于未改性的聚醚砜膜，改性膜的四周可以明顯觀察到抑菌圈，且共培養(yǎng)菌液的光密度也明顯降低。通過熒光染色法對(duì)膜表面細(xì)菌黏附情況的研究表明，由于兩性離子聚合物的存在，改性膜表面也可以有效防止死菌（紅色熒光點(diǎn)）的黏附。此外一些研究指出，銅離子也具備殺菌能力，且相比于銀離子毒性更小且成本更低。寧成云課題組[47]利用多巴胺涂覆隨后在銅離子溶液中浸泡的方法，制備了銅離子表面改性的聚醚砜膜材料。隨后的抗菌實(shí)驗(yàn)表明相比于未改性的聚醚砜膜，在負(fù)載了銅離子的改性膜表面，其大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的數(shù)量降低了約99%。

圖4 （a）改性膜對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的抑菌圈；（b）AgNPs負(fù)載膜對(duì)大腸桿菌和金黃色葡萄球菌的光密度；（c）熒光染色后的細(xì)菌黏附情況[46]Fig.4 （a） Inhibition zone images of the modified membranes towards E. coli and S. aureus; （b） Optical degrees of AgNPs loaded membranes for E. coli and S. aureus; （c） Fluorescence images of the membranes co-cultured with bacteria[46]

兩性離子聚合物可使膜的表面親水，從而有效防止死菌黏附，但是其殺菌性能較差。而帶有正電荷的聚電解質(zhì)雖然具有較強(qiáng)的殺菌效果，但卻容易引起死菌的黏附。為賦予聚醚砜膜表面殺菌同時(shí)還能防止死菌黏附的功能，謝毅等[48]將聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯與4-硝基芐基溴醋酸鹽合成了一種帶正電荷的光敏聚合物，并通過點(diǎn)擊反應(yīng)接枝到了聚醚砜膜的表面。此聚合物在紫外光照前帶有正電荷，紫外光照后脫除1個(gè)鄰硝基苯甲醛，剩余部分轉(zhuǎn)化為兩性離子聚合物。因此改性膜起初具有較好的殺菌性能，殺菌之后則可利用紫外光照射的方式將膜表面黏附的死菌脫除。此外一些研究也發(fā)現(xiàn)，離子液體聚合物通過離子交換的方式也可以有效清除膜表面的死菌。靳倫強(qiáng)等[49]通過多巴胺和咪唑類離子液體改性多巴胺共涂覆的方式，將離子液體引入到聚醚砜膜的表面。離子液體聚合物的陽離子性質(zhì)賦予了改性膜良好的抗菌性能，與菌液共培養(yǎng)測(cè)試表明，相比于未改性膜，改性膜可有效抑制細(xì)菌的生長(zhǎng)，細(xì)菌數(shù)量減少了近99%。將殺菌后的改性膜進(jìn)行離子交換后，熒光染色的結(jié)果表明改性膜表面的死菌黏附量降低了近97%。

2.4 刺激-響應(yīng)功能化改性

如前所述，滲透率和選擇性是聚醚砜膜的兩個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)，它們決定于聚醚砜膜固有的性質(zhì)，例如物理、化學(xué)性質(zhì)或孔徑結(jié)構(gòu)，因此在應(yīng)用過程中這兩個(gè)性能是固定不變的。此外，表面功能化的聚醚砜膜，其表面特性也決定于引入的改性材料，通常也是固定不變的。然而性能固定不變的膜材料無法滿足一些特殊場(chǎng)合的要求。滲透率、選擇性以及表面特性能夠進(jìn)行調(diào)節(jié)的智能（刺激-響應(yīng)）膜材料的發(fā)展得到了越來越多的關(guān)注。通過特定方法向聚醚砜膜中引入環(huán)境敏感物質(zhì)，便可賦予其刺激-響應(yīng)性能，得到滲透率、選擇性可人為調(diào)控，表面性能可人為切換的改性聚醚砜膜。

弱酸類聚合物由于其在酸性環(huán)境下（環(huán)境pH小于其pKa）卷曲、在堿性環(huán)境下（環(huán)境pH大于其pKa）舒展的特性，常常被用于制備pH響應(yīng)的膜材料[50]。鄒文等[51]合成了聚（甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸-乙烯基吡咯烷酮）無規(guī)共聚物并將其共混入聚醚砜，制備了改性聚醚砜中空纖維膜。聚丙烯酸的存在使改性膜的滲透率和選擇性表現(xiàn)出明顯的pH響應(yīng)行為。測(cè)試結(jié)果表明，改性膜的水通量由酸性環(huán)境下的110 mL/（mmHg·h·m2）（1 mmHg≈133.3 Pa）下降到堿性環(huán)境下的約5 mL/（mmHg·h·m2）。選擇性測(cè)試表明，改性膜對(duì)聚乙二醇-4 000分子的篩分系數(shù)（通過膜的分子數(shù)量與起始分子數(shù)量的比值）由酸性環(huán)境下的100%下降到堿性環(huán)境下的約30%。

李惠娟等[52]合成了聚（異丙基丙烯酰胺-甲基丙烯酸-甲基丙烯酸甲酯）無規(guī)共聚物并將其共混入聚醚砜，制備了改性聚醚砜中空纖維膜。聚異丙基丙烯酰胺由于受溫度的影響，分子與水之間和分子內(nèi)部會(huì)發(fā)生氫鍵的結(jié)合和破壞，因此顯示出溫度敏感行為。研究結(jié)果表明，除了明顯的pH敏感行為外，改性膜的滲透率和選擇性也表現(xiàn)出明顯的溫度響應(yīng)行為：由于溫度升高，溫敏聚合物形成分子內(nèi)氫鍵而卷曲，改性膜的水通量增加，對(duì)特定尺寸分子的篩分系數(shù)也會(huì)增加。水通量由20 °C下的約160 mL/（mmHg·h·m2）上升到60 °C下的約300 mL/（mmHg·h·m2）。對(duì)聚乙二醇-8 000的篩分系數(shù)也由20 °C下的約20%上升到60 °C下的約80%。

一些研究發(fā)現(xiàn)，兩性離子聚合物和聚電解質(zhì)能夠表現(xiàn)出離子強(qiáng)度響應(yīng)，且兩種聚合物表現(xiàn)出的響應(yīng)行為相反。因此引入兩性離子聚合物或聚電解質(zhì)，能夠賦予聚醚砜膜不同的離子強(qiáng)度響應(yīng)行為。向韜等[36]通過原位交聯(lián)聚合的方法將兩性離子聚合物聚磺酸基甜菜堿引入到聚醚砜中，并制備了改性的聚醚砜平板膜。結(jié)果表明改性膜能夠明顯響應(yīng)環(huán)境中的離子濃度，其水通量由純水中的約700 mL/（mmHg·h·m2）降低到氯化鈉溶液中的約50 mL/（mmHg·h·m2）。其機(jī)理是：無離子環(huán)境下兩性離子聚合物由于分子中不同電荷的庫侖力作用而卷曲，而離子的存在能夠屏蔽掉兩性離子聚合物上的電荷位點(diǎn)，聚合物自然舒展。張翔等[53]仍然選用原位交聯(lián)聚合法，將陽離子聚電解質(zhì)共聚物聚（甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨-乙烯基吡咯烷酮）引入聚醚砜并制備了改性平板膜。通量測(cè)試表明，改性膜的水通量可由純水中的約30 mL/（mmHg·h·m2）上升到氯化鈉溶液中的約900 mL/（mmHg·h·m2）。與兩性離子聚合物相反，聚電解質(zhì)在純水中由于電荷排斥作用而舒展，在離子環(huán)境下則因?yàn)殡姾杀浑x子屏蔽而卷曲。

生物體內(nèi)常常涉及pH、溫度以及離子濃度的變化，因此能夠響應(yīng)于這些條件變化而改變自身性質(zhì)的聚醚砜膜在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用潛力很大。除pH、溫度以及離子濃度以外，能夠響應(yīng)于其他條件變化（如光波長(zhǎng)、氧化-還原以及近紅外等）的刺激-響應(yīng)聚醚砜膜也被廣泛研究。施文斌等[54,55]通過引入偶氮苯-環(huán)糊精和二茂鐵-環(huán)糊精體系，分別賦予了聚醚砜膜紫外-可見光敏感性和氧化-還原敏感性（如圖5（a，b））。膜孔兩側(cè)的偶氮苯和二茂鐵分子，響應(yīng)于光波長(zhǎng)和氧化還原環(huán)境的變化而發(fā)生親水-疏水轉(zhuǎn)變，與環(huán)糊精發(fā)生主客體嵌套或解嵌套行為，因此可以調(diào)節(jié)改性膜的滲透率大小。魏然等[56]在四氧化三鐵粒子外包裹了具有溫度敏感行為的離子液體聚合物，并通過氣相誘導(dǎo)相分離的方法制備了膜孔表面富集改性粒子的聚醚砜膜（如圖5（c））。由于四氧化三鐵能夠吸收近紅外光升高自身溫度，進(jìn)而促使離子液體聚合物發(fā)生溫度響應(yīng)，因此改性膜的滲透率和選擇性表現(xiàn)出明顯的近紅外響應(yīng)行為。

圖5 （a）紫外-可見光、（b）氧化-還原以及（c）近紅外敏感聚醚砜膜原理示意圖[54-56]Fig.5 Schematic diagrams of （a） UV-Visible light, （b） oxidation-reduction and （c） near-infrared sensitive polyethersulfone membranes[54-56]

2.5 吸附功能化改性

聚醚砜膜的多孔性賦予了其較大的比表面積，因此聚醚砜膜也可以被用作吸附材料。豐富的改性方法也可以進(jìn)一步提高聚醚砜膜對(duì)不同物質(zhì)的吸附效果，例如水環(huán)境中的重金屬離子、有機(jī)染料分子和內(nèi)分泌干擾素等，以及血液中的代謝廢物、內(nèi)毒素等。

岳文文等[57]合成了馬來酸酐和丙烯酸甲酯的無規(guī)共聚物并通過共混的方式制備了聚醚砜中空纖維膜。馬來酸能夠螯合銅離子，因此改性膜表現(xiàn)出了較好的銅離子吸附能力。靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)表明，相比于未改性的聚醚砜膜，改性膜對(duì)起始濃度為10 mmol/L的銅離子吸附量由改性前的約1 mg/g提高到了約10 mg/g。張翔等[58]通過對(duì)氧化石墨烯預(yù)改性再與聚醚砜共混的方式，制備了改性的聚醚砜/氧化石墨烯共混平板膜。吸附實(shí)驗(yàn)表明，由于氧化石墨烯的負(fù)電荷性質(zhì)，該共混平板膜表現(xiàn)出對(duì)陽離子染料較好的吸附性能；預(yù)先涂覆了陽離子聚合物聚乙烯亞胺的氧化石墨烯與聚醚砜的共混膜則表現(xiàn)出對(duì)陰離子染料較好的吸附性能；經(jīng)過還原劑還原后，表現(xiàn)出對(duì)環(huán)境干擾素雙酚A較好的吸附性能。陳勝求等[59,60]采用原位交聯(lián)聚合進(jìn)而靜電紡絲的方法，分別將帶負(fù)電荷的聚丙烯酸和帶正電荷的聚甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化銨引入到聚醚砜制備了改性的納米纖維膜。這兩種膜均表現(xiàn)出了較好的親水性，且對(duì)陽離子染料和陰離子染料均表現(xiàn)出較好的吸附性能。

徐源廷等[61]通過共混的方式，將預(yù)先合成的聚（甲基丙烯酸甲酯-對(duì)苯乙烯磺酸鈉）共聚物加入到聚醚砜鑄膜液中，通過靜電紡絲的方法制備了改性聚醚砜納米纖維膜，隨后將改性膜浸入熱水中進(jìn)行后處理，使得聚醚砜膜中共聚物的親水部分向纖維的表面遷移，因此得到了具有快速吸附性能的改性纖維膜材料。對(duì)亞甲基藍(lán)的吸附實(shí)驗(yàn)表明，改性膜在5 min內(nèi)就可達(dá)到吸附平衡，且吸附量可達(dá)約650 mg/g。焦延鵬等[62]利用靜電紡絲的方法制備了聚醚砜納米纖維膜，之后將膜置于膽紅素溶液中進(jìn)行多巴胺的表面涂覆，制備了具有膽紅素印跡效果的改性膜。該改性膜對(duì)膽紅素的吸附量達(dá)到了近200 mg/g，同時(shí)，對(duì)比膽紅素、膽固醇和睪丸酮，改性膜表現(xiàn)出對(duì)膽紅素較好的選擇性。

在吸附過程中，微球材料表現(xiàn)出極好的應(yīng)用價(jià)值，例如方便保存、運(yùn)輸，能夠填充吸附柱。通過相轉(zhuǎn)化的方法，聚醚砜也可制備成多孔微球材料。本課題組[63]利用注射器將聚醚砜鑄膜液逐滴滴加入凝固浴中，聚醚砜液滴可快速成型成為多孔微球。該微球?qū)﹄p酚A表現(xiàn)出了較好的吸附效果。為了進(jìn)一步提升微球的吸附效果，張翔等[64]將氧化石墨烯加入到聚醚砜鑄膜液中，利用相同的方法制備了改性聚醚砜微球。相比于未改性的微球，氧化石墨烯改性微球?qū)喖谆{(lán)的吸附量由10 mg/g提升到了約70 mg/g。姜鑫等[65]通過原位交聯(lián)聚合的方法將甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯引入到聚醚砜并制備成微球，再將二元胺引入到了微球的表面。胺基改性的微球?qū)δ懠t素表現(xiàn)出了較好的吸附性能，3 h內(nèi)吸附量可達(dá)約30 mg/g。王周君等[66]利用原位交聯(lián)聚合的方法向聚醚砜鑄膜液中引入了血液相容性較好的丙烯酸和乙烯基吡咯烷酮共聚物，并加入了沸石，最后制備了改性微球材料。該微球能夠用于血液中鉀離子的吸附，同時(shí)還能防止凝血的發(fā)生。

此外，利用反向相分離方法，將吸附功能較好的納米級(jí)材料水溶液滴入聚醚砜鑄膜液中，經(jīng)過特定時(shí)間后取出，可以得到由聚醚砜膜外殼包裹的核殼結(jié)構(gòu)微球。聚醚砜膜的包裹可以使極易在水中分散、難以回收的納米材料應(yīng)用更加方便，易于控制。陳勝求等[67]合成了聚丙烯酸微凝膠，之后將含有微凝膠的水溶液滴入聚醚砜鑄膜液中。由于相分離，聚醚砜球殼圍繞水滴快速成型。再將微球從鑄膜液中取出，便得到了聚醚砜膜包裹的、內(nèi)部為聚丙烯酸微凝膠水溶液的核-殼結(jié)構(gòu)微球。周巨凱等[68]利用同樣的方法，將氧化石墨烯水溶液滴入聚醚砜鑄膜液中，也獲得了聚醚砜膜包裹的、內(nèi)部為氧化石墨烯水溶液的微球。這兩種微球?qū)﹃栯x子染料都表現(xiàn)出了良好的吸附效果。同樣，利用反向相分離的方法，張玨等[69]先將脲酶接枝到氧化石墨烯片層上，再通過原位交聯(lián)聚合的方式制備了含有羧基和磺酸基的改性聚醚砜鑄膜液。最后制備了改性聚醚砜膜包裹的改性石墨烯小球（如圖6所示）。聚醚砜殼層中羧基和磺酸基的引入賦予了小球較好的血液相容性；脲酶的引入賦予了石墨烯核較好的尿酸分解能力。研究結(jié)果表明，在尿酸初始質(zhì)量濃度為80 mg/dL時(shí)，改性小球?qū)δ蛩岬姆纸饬靠蛇_(dá)約650 mg/g。

圖6 抗凝血改性聚醚砜包裹脲酶改性石墨烯核-殼結(jié)構(gòu)小球的制備示意圖[69]Fig.6 Schematic diagram of PES enwrapped urease modified graphene oxide core-shell particle with anti-coagulation performance[69]

3 展 望

目前，雖然針對(duì)血液透析用聚醚砜膜的血液相容性已有大量研究，且效果顯著，但距離真正臨床應(yīng)用，不論是改性方法、功能化材料的選擇以及后期的性能測(cè)試評(píng)估等，仍然有諸多任務(wù)需要完成。改性后的穩(wěn)定性及安全性是極為重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。刺激響應(yīng)聚醚砜膜的種類已經(jīng)十分豐富，今后的研究應(yīng)當(dāng)以問題和社會(huì)需求為導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)刺激響應(yīng)功能化膜的實(shí)際應(yīng)用。用于水處理的功能化聚醚砜膜，則應(yīng)當(dāng)在兼具性能的前提下，在制備方法和成本上加以簡(jiǎn)化和控制?？傊瑢?duì)于聚醚砜，不論是原料的生產(chǎn)、膜制備工藝的優(yōu)化、更優(yōu)異功能化的方法，還是新功能的賦予，都還有許多工作值得我們探索和研究。