表面接枝聚季铵盐型抗菌超滤膜的制备及表征

赵军强 ，杨 景 ，赵义平 ，陈 莉

（1.天津工业大学 省部共建分离膜与膜过程国家重点实验室，天津 300387；2.天津工业大学 材料科学与工程学院，天津 300387）

在过去的20 年中，膜技术越来越多地应用于水净化和废水处理领域[1-2]。然而，膜污染，特别是由细菌粘附和增殖引起的生物污染，仍然是限制膜广泛应用的关键问题[3]。膜生物污染可以通过对水或废水预处理、优化操作条件以及对膜进行周期清洗来缓解[4-5]，然而这些传统方法会对膜造成伤害。因而，抗菌膜因其抗菌效果显著，同时对膜分离过程的工艺操作和成本影响较小，在缓减膜微生物污染方面受到广泛关注[6]。

目前用于改性膜的抗菌物质众多，根据其分子结构，可分为无机抗菌剂（如无机纳米粒子Ag、Au 和Cu 等）[7]、碳纳米材料[8]、有机抗菌剂（壳聚糖、赖氨酸、季铵盐及其共聚物）[9-10]。与易流失从而造成二次污染的无机抗菌剂相比，带正电的小分子季铵盐和高分子聚季铵盐作为常用高效的有机抗菌剂广泛应用于抗菌膜改性[11]。当其与负电性的细菌接触时，季铵盐的长疏水烷基链会渗透到细胞膜中，导致细菌胞内物质外渗从而杀死细菌[12]。

使用季铵盐或其聚合物通过共混改性和表面改性是制备抗菌超滤膜的两种重要方法。通过共混小分子抗菌季铵盐制备的改性膜可以达到杀菌的效果[13-14]，然而，在共混方法中，大量季铵盐混入膜基质中，而膜表面存在的季铵盐量有限，膜的抗菌性受限[15]。相比之下，对于表面接枝或构建表面涂层的策略，大量抗菌剂存在于膜表面，可以有效地抑制生物膜在膜表面的形成。有机高分子聚季铵盐抗菌剂具有高化学稳定性、低残留毒性和长效抗菌性。然而，如何在化学反应惰性的膜材料表面构建抗菌聚季铵盐涂层仍面临着挑战。

受海洋生物贻贝启发，研究人员发现多巴胺仿生粘附化学具有广泛适用性以及后功能化改性的潜力，多巴胺在氧气的作用下在弱碱性溶液中自聚合形成聚多巴胺（PDA），其可以通过氢键、螯合、静电和疏水相互作用粘附到几乎所有类型的基材上[16]，因此，PDA 在膜研究领域受到特别关注。更重要的是，PDA涂层提供了一种化学和物理通用的平台，可进一步修饰改性。例如，邻苯二酚基团可以通过迈克尔加成或席夫碱反应与巯基或氨基封端的物质形成共价键[17]。在本文工作中，以甲基丙烯酸二甲氨基乙酯-丁基溴化铵（DB）为单体，通过可逆加成-断链转移自由基聚合（RAFT）合成了PDB。然后利用多巴胺仿生粘附化学对超滤膜进行改性，将聚多巴胺作为二次反应平台，在NaBH4作用下将PDB 的末端还原为巯基，通过迈克尔加成反应，将PDB 接枝在PVDF 膜表面制备抗菌改性超滤膜，研究不同PDB 反应液浓度对改性膜表面理化性能、抗菌性和渗透性的影响。

1 实验部分

1.1 实验试剂与仪器

试剂：聚偏氟乙烯（PVDF，分子质量153 ku），比利时Solvay 公司产品；甲基丙烯酸二甲氨基乙酯（DMAEMA，98%）、1-溴丁烷（BB，98%）、偶氮二异丁腈（AIBN，97%）、D2O（99.8%），天津希恩思生化科技有限公司产品；氯化锂（LiCl，98%）、N，N-二甲基甲酰胺（DMF，99.5%）、四氢呋喃（THF，99%）、无水乙醇（98%），天津科密欧化学试剂有限公司产品。AIBN 经乙醇重结晶后备用，RAFT 试剂根据相关文献制备[18]。

仪器：JA2204 型电子天平，上海卓精电子科技有限公司产品；Nicolet iS50 型全反射傅里叶变换红外谱仪（ATR-FTIR）、AVANCE 400 核磁共振氢谱仪（1HNMR），均为瑞士Bruker 公司产品；S-4800 型扫描电子显微镜（SEM），日本 Hitachi 公司产品；DSA 100 型接触角测试仪，德国 Krüss GmbH 公司产品；TU-1901 型紫外-可见分光光度计，北京普析通用仪器有限公司产品；SHA-B 型水浴恒温振荡器，金坛区西城新瑞仪器厂产品。

1.2 PDB 的制备与表征

根据文献[19]中的合成步骤成功制备了DB 单体，收率为95%。通过RAFT 聚合合成PDB，其制备示意图如图1 所示。

图1 PDB 的合成示意图Fig.1 Synthetic route of PDB monomer

将 0.084 g AIBN（0.51 mmol）、0.604 g RAFT 试剂（1.50 mmol）和 6.48 g DB（30 mmol）溶解在 33 mL 甲醇中，然后将混合溶液加入100 mL Schlenk 管中。混合物溶液经过真空除氧后，将反应管置于63 ℃水浴中24 h。反应结束后，在35 ℃下旋蒸除去溶剂，将旋蒸后的聚合物溶液滴加到四氢呋喃中并搅拌0.5 h。将过滤后获得的聚合物在室温下置于真空烘箱12 h。干燥后获得黄色粉末产物，收率为82%。

采用FTIR 表征DB 和PDB 的化学结构。以DMSO-d6和 D2O 为溶剂对 DB 和 PDB 进行1HNMR 表征。

1.3 抗菌PVDF 膜的制备

抗菌超滤膜的制备过程如图2 所示。

将PVDF（8 g）、LiCl（4 g）和DMF（63 g）加到三口烧瓶中，在65 ℃油浴条件下，机械搅拌12 h，得到均一的铸膜液。将均匀的铸膜液在真空烘箱中于60 ℃下真空脱泡，随后用刮膜机通过浸没沉淀相转化法制备300 μm 的PVDF 膜，在去离子水中浸泡48 h 后备用（标记为M-P 膜）。

图2 抗菌膜制备示意图及巯基化PDB 的制备反应过程Fig.2 Schematic of process to fabricate antibacterial membrane and preparation of thiolated PDB

将制备好的M-P 膜在乙醇中预处理30 min，随后用蒸馏水冲洗，浸泡于质量浓度为1.0 mg/mL 多巴胺的 Tris（pH 值 8.5）缓冲液中，在恒定速率（90 r/min）的摇床中进行涂覆改性2 h。反应结束后，将改性膜用乙醇多次冲洗除去不稳定的聚多巴胺颗粒，得到聚多巴胺改性膜（标记为：M-PD 膜）。

然后，将PDB 溶解在除氧的Tris-HCl 缓冲液中，其质量浓度分别为0.5、1.0 和2.0 mg/mL。聚合物溶解后，将NaBH4（与聚合物的摩尔比为3 ∶1）加到溶液中，在真空状态下反应1 h，随后加入膜M-PD，置于28 ℃的摇床反应24 h。反应结束后，将膜用蒸馏水冲洗干净，真空烘干，得到PDB 改性膜（标记为：M-PD/PDB0.5、M-PD/PDB1.0和 M-PD/PDB2.0）。

1.4 膜表面理化性能表征

利用ATR-FTIR 表征膜改性前后表面的化学组成。测试之前，将制备的膜冻干至恒重。在10 kV 条件下采用SEM 观察膜表面形貌。通过接触角仪在室温下测量膜表面的接触角变化，评价不同膜表面亲水性。测试步骤为：剪取10 mm×30 mm 的膜作为测试样品，将其贴在载玻片上，压平，将2 μL 的液滴滴在膜表面，测量水滴接触膜表面0 ～40 s 内的接触角，每个样品测量3 次取平均值。

1.5 膜渗透性能

使用有效膜面积为7.07 cm2的错流装置测试膜渗透通量[20]。在测试之前，将膜在0.12 MPa 下预压1 h，稳压后在0.1 MPa 下测试其水通量，记为J（L·m-2·h-1），按公式（1）进行计算。

式中：V为渗透液体积（L）；A为膜的有效面积（m2）；Δt为过滤时间（h）。

1.6 膜抗菌性测试

将膜剪成10 mm×10 mm 的膜样品，紫外杀菌1 h后，将其浸入含有大肠杆菌（E.coli）或金黄色葡萄球菌（S. aureus）的细菌悬浮液（107CFU/mL），接触培养24 h 后，将细菌溶液梯度稀释后涂到固体培养基上，用平板计数法来评价膜的抗菌性质。实验以膜M-P 作为空白对照。根据平板上菌落数量来计算改性膜的抗菌率，按公式（2）进行计算。

式中：Eb为膜的抗菌率；Np为与原膜接触培养后的菌液在培养基生长的菌落数；Nm为与改性膜接触培养后的菌液在培养基上生长的菌落数。

2 结果与讨论

2.1 聚合物化学结构表征

图 3 为 DB 和PDB 的 FTIR 谱图。从图 3 中可以看到，在1 492 cm-1处观察到DB 和PDB 谱图中特有的C—N+基团的特征吸收峰[19]。通过对比，在PDB 的谱图中，1 652 cm-1处单体DB 的C=C 的特征吸收峰消失[21]，且在3 442 cm-1处出现RAFT 试剂中羧基上—O—H 的特征吸收峰[22]，证明了PDB 成功合成。

图3 DB 和PDB 的红外谱图Fig.3 FTIR spectra for DB and PDB

图 4 为 DB 和 PDB 的1H-NMR 谱图。

图 4 DB 和 PDB 的 1H-NMR 谱图Fig.4 1H-NMR spectra of DB and PDB

由图 4（a）中 DB 的1H-NMR 光谱可知，化学位移在 5.81 和 6.12（a）处对应于=C 上 H 的特征吸收峰，在3.43（f）处的化学位移对应于DB 中与季铵氮相连的—CH2—中的H 质子，同时在化学位移1.31（h）和1.69（g）处出现烷基链中—CH2—的特征峰，结果表明DB 成功制备[19]。由图 4（b）中 PDB 的1H-NMR 光谱可知，化学位移在1.23（n）处的特征峰是RAFT 试剂中—CH2—的特征峰[23]，并且在化学位移为 1.33（k）处观察到DB 结构重复单元中—CH2—的特征峰，同时在3.92（g）处的特征化学位移对应于PDB 中与季铵氮结合的—CH2—中的H 质子[19]。通过计算化学位移1.23 ～1.33（n，k）和 3.92（g）处特征峰的积分面积，得到 PDB的聚合度为16。

2.2 膜表面化学结构表征

图5 为不同膜的ATR-FTIR 谱图。

图5 不同膜的红外谱图Fig.5 ATR-FTIR spectra of different membranes

由图5 可知，与纯PVDF 膜M-P 相比，膜M-PD、M-PD/PDB 的光谱在1 623 cm-1处出现新的特征峰，为 PDA 中 N—C=O 的伸缩振动吸收峰[13，15]，证明聚多巴胺涂覆到膜表面。进一步观察到膜M-PD/PDB 的红外光谱在1 727 cm-1处出现C=O 的特征峰[24]，且随着PDB 反应液浓度的增加膜M-PD/PDB 表面C=O伸缩振动吸收峰逐渐增大，结果表明PDB 通过迈克尔加成反应成功接枝到膜表面。

2.3 膜表面形貌

图6 为不同膜的表面SEM 图像。由图6 可见，纯PVDF 膜表面孔均匀分布，在涂覆聚多巴胺后，膜表面形成聚多巴胺涂层，出现了多巴胺的聚集颗粒，但膜表面的孔仍然清晰可见，聚多巴胺改性后并没有造成膜表面大面积的堵孔。接枝PDB 后膜表面的聚多巴胺颗粒明显减少，这是因为PDB 在膜表面均匀存在。在PDB 改性质量浓度为2.0 mg/mL 时，膜表面孔相比于膜M-PD/PDB1.0有所减少，这表明接枝浓度太高会导致部分膜孔堵塞。

2.4 膜亲水性

图7 所示为不同膜的接触角测试结果。由图7 可知，由于纯膜固有的疏水性，膜M-P 的初始水接触角高达91°，且随着时间延长，接触角变化不大。多巴胺改性后膜M-PD 的初始水接触角减小为73°，随着时间的延长接触角逐渐降低，这是由于膜表面上的聚多巴胺层含有羟基和氨基，其容易与水形成氢键，膜的亲水性提高[6]。接枝PDB 后，改性膜M-PD/PDB 的亲水性明显提高，改性膜初始接触角均在60°以下，且在20 s 内能够完全浸润，这是由于接枝PDB 后膜表面存在大量阳离子，因此水滴会迅速在膜表面渗透和扩散，表明改性剂PDB 的引入提高了膜的亲水性。

图6 不同膜的表面SEM 形态Fig.6 Surface SEM morphologies images of different membranes

图7 不同膜接触角测试Fig.7 Surface water contact angle of different membranes

2.5 膜渗透性能

图8 所示为不同膜的水通量测试结果。由图8 可知，对于膜M-PD，由于膜表面聚多巴胺含有羟基和氨基，与膜M-P 的纯水通量（167±8.1）L/（m2·h）相比，其水通量有所提高（177±7.2）L/（m2·h）。在接枝PDB后，改性膜表面大量亲水性聚季铵盐阳离子使其水通量均比膜M-PD 高，且发现随着PDB 浓度的增加改性膜的水通量呈现先增加后减小的趋势，膜M-PD/PDB1.0的通量最大为191 L/（m2·h），这是由于随着PDB 改性浓度增加，接枝到膜表面的PDB 含量增加，导致膜水通量提高，当改性浓度继续增加时，接枝到膜表面的大量PDB 覆盖部分膜孔，导致膜M-PD/PDB2.0的水通量相较于膜M-PD/PDB1.0有所下降。

图8 不同膜在0.1 MPa 下的纯水通量Fig.8 Water flux（0.1 MPa）of different membranes

2.6 膜抗菌性能测试

通过将膜样品浸入含有E.coli和S. aureus的细菌悬浮液（107CFU/mL），震荡24 h 来评价膜的抗菌性能。图9 显示了不同膜对E.coli的抗菌结果。

图9 不同膜对大肠杆菌的抗菌效果图Fig.9 Antibacterial effect of different membranes against E.coli

由图9 可见，与膜M-P 和膜 M-PD 相比，接枝PDB 后，改性膜M-PD/PDB 接触培养后的菌液在琼脂板上形成的菌落数量明显减少，这表明接枝PDB 后改性膜具有优异的抗菌性能，这是由于接枝在膜表面的阳离子PDB 可以与细菌细胞膜表面的负电荷物质结合，破坏酶的功能，且季铵盐的烷基链（亲油基团）能够溶解菌体表面脂肪壁，破坏细菌半渗透膜，造成细菌死亡[13，25]。图 10 计算了不同膜对E.coli和S.aureus的抗菌率。

图10 不同膜的抗菌率Fig.10 Antibacterial rate of different membranes

由图10 可知，与M-P 相比，膜M-PD 具有微弱的抗菌性，这源自于聚多巴胺自身的抗菌特性。接枝PDB 后，改性膜抗菌能力显著提高，膜M-PD/PDB1.0和M-PD/PDB2.0对革兰氏阴性菌E.coil和革兰氏阳性菌S.aureus的抗菌率均在95%以上，且两种浓度的改性膜抗菌率相差不大，结果表明，PDB 改性质量浓度为1.0 mg/mL 时，即可以达到较好的抗菌效果。

3 结 论

（1）以DB 为单体，通过RAFT 聚合成功制备了结构可控的聚合物PDB，其聚合度为16。

（2）以制备的PVDF 超滤膜为基膜，利用多巴胺仿生粘附化学对膜进行接枝改性，使用不同浓度的PDB反应液制备了抗菌PVDF 膜。接枝PDB 后膜表面的亲水性显著提高，改性膜的水通量相较于纯膜有所提高，其中PDB 反应液质量浓度为1.0 mg/mL 时，膜M-PD/PDB1.0的水通量最大，为191 L/（m2·h）。

（3）PDB 改性膜均展现出良好的抗菌性，且改性膜的抗菌性随着PDB 反应液浓度的增加而提高，当质量浓度为1.0 mg/mL 和2.0 mg/mL 时改性膜对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的抗菌率均达到95%以上。

（4）PDB 反应液浓度太大时，膜表面接枝的聚季铵盐含量较多，会对部分膜孔造成堵塞，膜通量有所下降。因此，分析实验结果可知，在保证抗菌性的同时，PDB 反应液质量浓度为1.0 mg/mL 时，改性膜展现出最优的渗透性能和抗菌性能。