離子液體(ILs)因其具有機(jī)械柔性并可以與水相互作用，被廣泛應(yīng)用于傳感器或驅(qū)動(dòng)器中。雖然基于單體ILs的濕度傳感器具有快速響應(yīng)，但恢復(fù)時(shí)間長(zhǎng)。通過(guò)將ILs引入疏水性聚合物基質(zhì)，構(gòu)造基于ILs固定在聚合物支鏈上(PILs)的濕度響應(yīng)材料，可以實(shí)現(xiàn)更快的響應(yīng)和恢復(fù)速度。
基于此，來(lái)自希臘帕特雷大學(xué)的Denisa Druvari和Joannis K. Kallitsis帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了新型IL官能化的P(VBCImCn-co-AA20)共聚物，將其與補(bǔ)充性共聚物P(SSAmC16-co-GMA20)混合并通過(guò)熱誘導(dǎo)反應(yīng)進(jìn)行化學(xué)交聯(lián)，制備出了自立的、濕度響應(yīng)的單層膜，這種單層膜還具有高抗菌活性。
圖1. PIL的結(jié)構(gòu)示意圖及其疏水性和抗菌性
（圖片來(lái)源：ACS Appl. Mater. Interfaces）
研究人員合成了不同烷基鏈長(zhǎng)度的咪唑官能化共聚物，通過(guò)核磁和ATR-FTIR光譜證實(shí)了其結(jié)構(gòu)。對(duì)合成的共聚物進(jìn)行熱重分析(TGA)，檢測(cè)它們?cè)跓崃飨碌男袨椤⑺鼈兘宦?lián)到具有很高的抗菌活性反應(yīng)性共聚物P(SSAmC16-co-GMA20)來(lái)制備膜。探究了兩種共聚物的交聯(lián)條件和活性基團(tuán)的比率對(duì)所得膜穩(wěn)定性的影響。
圖2. PIL的具體合成步驟和結(jié)構(gòu)
（圖片來(lái)源：ACS Appl. Mater. Interfaces）
研究人員通過(guò)SEM觀察了合成的咪唑基聚合物膜的形態(tài)，并探究其在水中浸泡后的表面變化。由于烷基鏈形成的疏水區(qū)域和咪唑基團(tuán)的親水區(qū)域之間的不相容性，具有較長(zhǎng)烷基尾部的PILs分散在水中，可以觀察到緊密堆積的親水性微觀結(jié)構(gòu)。為了研究合成的聚合物材料鏈長(zhǎng)對(duì)親水性的影響，研究人員進(jìn)行了水接觸角測(cè)量。
圖3. PIL在水中浸泡前后的SEM圖像
（圖片來(lái)源：ACS Appl. Mater. Interfaces）
為了檢查膜對(duì)濕度的響應(yīng)性，研究人員首先測(cè)定了薄條狀膜在接近濕濾紙時(shí)的彎曲角度。前共聚物P(VBC-co-AA20)對(duì)濕度沒(méi)有響應(yīng)性，因?yàn)樗鼪](méi)有足夠的親水基團(tuán)與水分子相互作用。相反，在室溫下，功能化離子液體的共聚物膜即使沒(méi)有直接接觸濕紙，也能對(duì)濕度做出響應(yīng)性。隨著共聚物中烷基鏈長(zhǎng)度的增加，膜的彎曲角度增加，符合疏水性在聚合物濕度響應(yīng)性中的作用。較大的厚度會(huì)降低彎曲角度和膜的驅(qū)動(dòng)速度。研究人員進(jìn)一步研究了P(VBCImC12-co-AA20)/P(SSAmC16-co-GMA20)=3:1膜的濕機(jī)械行為。膜的彎曲運(yùn)動(dòng)是由高相對(duì)濕度環(huán)境下表面吸收水分子引起的。在分子水平上，水與共聚物的咪唑基之間形成氫鍵，導(dǎo)致聚合物鏈的膨脹。經(jīng)過(guò)短暫時(shí)間，水化膜表面釋放水分子到大氣恢復(fù)到其原始狀態(tài)，然后再次被水結(jié)合，開(kāi)始另一個(gè)循環(huán)的濕度機(jī)械翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
圖4. 交聯(lián)膜與濕濾紙接觸后的響應(yīng)照片
（圖片來(lái)源：ACS Appl. Mater. Interfaces）
最后，研究人員對(duì)其抗菌性能進(jìn)行了探究。離子液體的疏水烷基鏈一旦通過(guò)靜電作用吸附在細(xì)菌表面，就會(huì)通過(guò)親脂相互作用進(jìn)入細(xì)胞膜的疏水區(qū)，導(dǎo)致膜崩解和細(xì)菌死亡。結(jié)果顯示較短的烷基鏈對(duì)大腸桿菌具有更好的抗菌行為，而較長(zhǎng)的烷基鏈對(duì)金黃色葡萄球菌更**。與固定季銨鹽功能化共聚物相比，共聚物的結(jié)構(gòu)更大，側(cè)鏈的可動(dòng)性更高，增強(qiáng)了對(duì)病原體的靶向殺菌效率具有更好的抗菌特性。綜上所述，本研究合成了一系列具有不同烷基鏈長(zhǎng)的咪唑基共聚物，并將其與已知具有高抗菌活性的互補(bǔ)反應(yīng)性共聚物相結(jié)合，得到了穩(wěn)定、自立和濕度響應(yīng)的單層膜。為構(gòu)建生物醫(yī)學(xué)中的傳感器和用于控制**和診斷的智能設(shè)備提供了思路。
原文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.3c01017
原文作者：
Denisa Druvari, Fotini Kyriakopoulou, Georgia C. Lainioti, Alexios Vlamis-Gardikas, and Joannis K. Kallitsis
DOI: 10.1021/acsami.3c01017
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