Advanced Functional Materials:一种可控功能化聚合物表面的通用涂层策略

构建可控功能化聚合物表面在界面构筑及应用领域是非常必要但极具挑战的。目前广泛报道的儿茶酚类粘附、硅烷偶联类聚合物有着操作简单、反应温和等优势,但却存在结合力弱和耐候性差等缺陷。而其他一些常规策略(利用主客体或金属配位效应)在设计过程中都需要考虑特定的反应或配体,往往难以适用于通用性的基底材料。在纷繁的化学反应中,我们发现环氧基和氨基的配对开环过程,是一类反应性强且高效的独特反应。例如,常见的环氧树脂具有良好的物化性能,在固化后可以实现对金属和非金属材料的表面快速粘接且兼具优异的强度。因此,如果能将这一反应通过合理的设计引入聚合物涂层,开发通用稳定的表面涂层,必将极大地改善当前表面涂覆方法仅限于特定类型的基材或表面结合力很弱,缺乏适用于通用表面等缺点。

浙江工业大学杨晋涛教授和美国阿克伦大学郑洁教授团队提出一种利用环氧开环反应制备一种简单通用的稳定表面功能化方法。首先利用简单的自由基反应,将甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)和不同类型的功能性单体引发、共聚合为特定的功能化聚合物链;随后这些功能化聚合物链与胺基化的通用表面发生环氧开环反应,从而实现可控表面功能的锚定和 涂层材料的多功能性。

特别地,(1) 杀菌涂层的构筑:当通用表面锚定上杀菌性共聚物(poly(GMA-co-METAC))时,涂层表面将具有优异的杀菌性性能(大肠杆菌杀菌率~95.1%和金黄色葡萄球菌杀菌率~94.8%),并可通过调控共聚物的含量来得到不同杀菌率的功能表面;(2)响应性涂层的构筑:所设计的温敏、盐敏和pH敏感性的聚合物涂层(poly(GMA-co-NIPAM)、poly(GMA-co-DVBAPS)、poly(GMA-co-DMAEMA))在不同的对应外界刺激下,聚合物链段的构象将经历坍塌或舒张性地可逆变化,并实现表面亲疏水性的可逆变化。有趣地是,研究者利用观察表面的细菌可控释放的现象来进一步阐述这一过程,并实现~90%的可控释放;(3)荧光涂层的构筑:研究者设计三基色(红、绿、蓝)荧光聚合物涂层(poly(GMA-co-SPMA)、poly(GMA-co-NDBCB)、poly(GMA-co-PyMA))可在365 nm的紫外光激发下,发射强烈的红、绿、蓝色荧光;其中绿光聚合物涂层在接触水溶性Hg2+离子的情况下可迅速将荧光发射区由绿光段蓝移至蓝光段,具有良好的传感检测能力(~ 0.001 μM Hg2+)。

进一步地,在经历胺基开环过程后,含有胺类残基可经季铵化处理来赋予表面以杀菌功能。研究者选用盐敏性poly(GMA-co-DVBAPS)为例,调控并同时在不同的基底上实现接触杀菌(~81.5%)和盐敏细菌释放(~92.3%)。相关论文日前发表在Advanced Functional Materials (DOI: 10.1002/adfm.202004633)上。该工作提供了一种将多样化功能性GMA基的聚合物附着到潜在的表面上的涂层策略,来实现通用表面的可控功能化,对表面工程领域具有很大影响,也将促进聚合物涂层的进一步发展。