一种抗蛋白吸附陶瓷复合膜的制备方法 技术领域 本发明涉及一种抗蛋白吸附陶瓷复合膜的制备方法， 特别涉及到采用硅烷化的 POEGMA( 聚甲基丙烯酸寡聚乙二醇酯 ) 分子刷接枝改性制备抗蛋白吸附陶瓷膜的方法， 该 方法特别适用于对多孔陶瓷膜进行表面接枝改性。
背景技术 在蛋白质的分离与纯化过程中， 膜分离技术作为一种新型分离技术， 由于具有能 耗低、 设备简单、 常温操作、 选择性高、 无相变及化学变化等优点日益受到人们的关注。 但在 陶瓷膜分离蛋白质过程中， 膜的表面及孔内容易吸附蛋白质分子形成膜污染， 使其分离性 能及通量降低， 而采用化学和物理清洗去除膜污染又会对膜本身造成破坏， 缩短膜的使用 寿命。因此， 开发具有抗蛋白吸附性能的功能型陶瓷膜具有重大的现实意义。
研究表明， 以丙烯酸类化合物为功能性单体， 对材料表面进行改性可有效提高材 料的抗蛋白吸附性能。J.Ladd 等 (Bimacromolecules， 2008， 9(5) ： 1357 ～ 1361) 对几种具 有抗蛋白吸附功能的的接枝聚合物的性能进行了比较， 结果表明 OEGMA( 甲基丙烯酸寡聚 乙二醇酯 )、 SBMA( 磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯 )、 CBMA( 羧基甜菜碱甲基丙烯酸酯 ) 改性过的 材料表面的抗蛋白吸附性能相对于用聚乙二醇 (OEG)、 三甲胺 / 磺酸 (TMA/SA)、 三甲胺 / 羧 酸 (TMA/CA) 改性过的材料表面大大提高。 HanBang 等人 (Applied Surface Science， 2009， 255 ： 8860 ～ 8866) 采用表面引发原子转移自由基聚合 (SI-ATRP) 法在聚醚砜膜表面接枝 了 POEGMA 分子刷， 提高了膜的纯水通量和抗蛋白吸附性能。
目前， 智能或功能型陶瓷膜的制备方法主要是采用表面改性法， 即在陶瓷膜表面 接枝一些基团或聚合物分子， 从而改变膜的表面性质。CN101318836A 和 CN101537316A 中 采用从表面接枝法 (grafting from)， 用硅烷偶联剂 KH-570 对陶瓷膜进行硅烷化改性， 然 后在引发剂的作用下， 引发功能性单体在膜表面接枝聚合， 制备 pH 敏感型和温度敏感响应 型智能陶瓷复合膜 ； CN101108311A 中采用含双键的硅烷偶联剂处理陶瓷膜， 在膜上引入具 有反应活性的乙烯基， 然后引发表面接枝反应， 制备亲水性复合渗透汽化分离膜。但在实 际应用体系中， 用于蛋白质体系分离纯化的的陶瓷膜为多孔的微滤超滤膜， 采用从表面接 枝法对陶瓷膜进行接枝改性时， 反应液中的反应物分子尺寸很小， 可以透过膜进入膜孔内， 在膜表面和孔内进行反应， 导致膜的孔结构和膜孔径的变化。如采用该方法对平均孔径为 7.4nm( 如图 2 所示 ) 的膜管进行接枝改性， 改性后膜管的平均孔径为降低到 2.9nm( 如图 3 所示 )。
发明内容
本发明的目的是提供一种抗蛋白吸附陶瓷复合膜的制备方法， 它主要是针对陶瓷 膜用于蛋白质体系的分离和纯化时， 膜污染严重， 通量恢复困难所提出的一种解决方法。
本发明的技术方案如下 ： 在制备过程中， 为了有效抑制聚合物在膜的孔内接枝对 膜性能造成的影响， 本发明采用接枝到表面法 (grafting to)， 以 OEGMA 为功能性单体， 制备硅烷化的 POEGMA 分子刷， 该分子刷的分子量大， 无法通过膜进入膜孔内， 从而有效控制 接枝反应只在膜的表面进行。首先将可引发原子转移自由基聚合 (ATRP) 反应的引发剂硅 烷化 ； 然后在催化剂的作用下， 用硅烷化的引发剂引发功能性单体聚合， 制备出硅烷化的聚 合物分子刷 ； 将该聚合物分子刷与陶瓷膜表面羟基发生反应， 从而得到抗蛋白吸附陶瓷复 合膜。
本发明的具体技术方案为 ： 一种抗蛋白吸附陶瓷复合膜的制备方法， 其具体步骤 如下 ：
(1) 引发剂硅烷化 ：
以三乙胺为缚酸剂， 将硅烷偶联剂和引发剂以摩尔比 1 ∶ 1 ～ 5 溶于溶剂中， 在 -5℃～ 5℃、 无水无氧条件下酰胺化反应 4h ～ 10h， 产物在 30℃～ 50℃下真空干燥， 得到 硅烷化的引发剂 ；
(2) 硅烷化聚甲基丙烯酸寡聚乙二醇酯， 简称硅烷化 POEGMA 分子刷制备 ：
在催化体系的作用下， 将步骤 (1) 中所得的硅烷化的引发剂与功能性单体甲基丙 烯酸寡聚乙二醇酯 (OEGMA) 以摩尔比 1 ∶ 10 ～ 60 溶于溶剂中， 在 20℃～ 80℃、 无水无氧 条件下， 发生原子转移自由基聚合 (ATRP) 反应 4h ～ 12h， 制备硅烷化的 POEGMA 分子刷。 (3) 陶瓷膜表面接枝 POEGMA 分子刷 ：
将含水质量分数为 2％～ 10％的乙醇溶液加酸调节 pH 值为 1 ～ 4 后， 与步骤 (2) 制备的硅烷化的 POEGMA 分子刷混合， 得到含 POEGMA 分子刷质量分数 10％～ 30％的混合溶 液； 将该混合溶液与陶瓷膜表面接触反应 0.5h ～ 3h 后， 在 70℃～ 120℃下脱水反应 2h ～ 10h， 制得抗蛋白吸附陶瓷复合膜。
本发明中， 步骤 (1) 中的硅烷偶联剂为末端为氨基的烷氧基硅烷 ； 优先选用 3- 氨 基丙基三乙氧基硅烷或 4- 氨基丁基三乙氧基硅烷。
本发明中， 步骤 (1) 中的引发剂为溴代碳链酰溴或氯代碳链酰氯 ； 优先选用 2- 溴 丙酰溴或 2- 氯丙酰氯。
本发明中， 步骤 (1) 中的三乙胺与引发剂的摩尔比为 1 ～ 2 ∶ 1 ； 三乙胺与溶剂的 体积比为 1 ∶ 8 ～ 25。
本发明中， 步骤 (1) 中的溶剂为回流干燥过的二氯甲烷或四氢呋喃 ； 步骤 (2) 中的 溶剂为回流干燥过的异丙醇、 甲醇或乙醇。
本发明中， 步骤 (1) 及步骤 (2) 中无水无氧条件通过对所有溶剂及缚酸剂进行预 回流干燥处理、 采用高纯氮或氩气为保护气氛实现的。
本发明中， 步骤 (2) 中催化体系为 CuX/CuX2/2， 2- 联吡啶体系， 其中 X 为 Br 或 Cl ； CuX2 和 CuX 的摩尔比为 0 ～ 1 ∶ 10， Cu 元素与 2， 2- 联吡啶的摩尔比为 1 ∶ 1 ～ 3， Cu 元 素与步骤 (1) 中所得的硅烷化的引发剂的摩尔比为 2 ∶ 1 ～ 3。
本发明中， 步骤 (3) 中调节 pH 值所用的酸为冰醋酸或盐酸。
本发明中， 步骤 (3) 中采用的陶瓷膜为至少含 Al、 Zr、 Ti 或 Si 元素中一种元素的 氧化物所制得的多孔陶瓷膜， 平均孔径为 4nm ～ 500nm ； 陶瓷膜为平板膜或管式膜， 其中管 式有单管和多通道 ； 通道形状是圆形、 扇形、 方形、 星型和六角形。
本发明中， 步骤 (3) 中通过控制接枝聚合物的混合溶液浓度和接枝反应时间来控 制聚合物分子刷在陶瓷膜表面的接枝率， 制备不同的抗蛋白吸附陶瓷复合膜。
有益效果 ：
1、 采用接枝到表面法对陶瓷膜进行表面改性， 可有效控制聚合物分子刷仅在陶瓷 膜表面接枝， 抑制其在膜孔内接枝所带来的通量下降、 截留率不稳定等不利效果。
2、 POGEMA 分子刷具有优异的抗蛋白吸附效果， 将其接枝到陶瓷膜表面上， 可有效 抑制蛋白质在陶瓷膜表面的吸附， 延长膜清洗周期， 简化膜清洗工艺， 从而提高陶瓷膜的使 用效率和寿命。 附图说明
图 1 接枝前后膜表面的全反射红外光谱图 ： (a) 接枝前膜片表面的红外谱图， (b) POEGMA 分子刷接枝后膜片表面的红外谱图 ；
图 2 陶瓷膜接枝前对葡聚糖截留的曲线， 单管孔径为 7.4nm ；
图 3 陶瓷膜接枝 POEGMA 分子刷后对葡聚糖的截留曲线， 单管孔径为 2.9nm ；
图 4 从表面接枝法接枝 POEGMA 分子刷反应机理 ； 为多孔陶瓷膜 为反应过程 中生成的自由基 ；
图 550nm 管式膜接枝前后牛血清白蛋白溶液的截留率随截留时间的变化， 未 接枝膜管， 接枝后膜管 ；
图 6 接枝到表面法接枝 POEGMA 分子刷反应机理 ： a) 硅烷化引发剂引发 OEGMA 单 体聚合制备硅烷化的聚合物分子刷， b) 硅烷化的聚合物分子刷与陶瓷膜表面羟基反应形成 共价键 ； P 为 POEGMA 分子刷。 具体实施方式
实施例 1 ： 采用接枝到表面法制备抗蛋白吸附陶瓷膜， 机理图见图 6
(1) 将 3.5ml3- 氨基丙基三乙氧基硅烷、 3.35ml 三乙胺和 30ml 二氯甲烷混合溶液 在氮气保护下冰浴降至 0℃， 然后向其中缓慢加入 3ml2- 溴丙酰溴溶液和 15ml 二氯甲烷的 混合溶液后， 反应 6h， 在 45℃下真空干燥。
(2) 将 9.5gOEGMA、 0.143gCuBr、 0.0223gCuBr2、 0.344g2， 2- 联 吡 啶 和 15ml 异 丙醇在氮气保护下加热到 40 ℃， 然后向其中加入 0.37g(1) 中所制备的硅烷化的引发剂 2- 溴 -2- 甲基 -N-(3- 三乙氧基硅烷基 - 丙基 ) 丙酰胺和 25ml 异丙醇的混合溶液反应 6h， 得到含硅烷化 POEGMA 分子刷的溶液。
(3)50ml 无水乙醇和 5ml 去离子水混合搅拌 30min， 加入冰醋酸调成 pH 值为 3 混合搅 拌， 然后将混合溶液中加入以上制备的 POEGMA 分子刷溶液中， 用蠕动泵带动混合溶液， 使其在 直径为 1.8cm 的 18nmTiO2 片式陶瓷膜表面循环流动 1h， 放入 70℃恒温干燥箱脱水干燥 3h。
得到的陶瓷复合膜的全反射红外光谱图如图 1 所示， (a) 接枝前膜片表面的红外 -1 -1 谱图 ： 图中 1109.34cm 和 1031.75cm 处的较弱的吸收峰为终端 Ti-O 键的伸缩振动吸收 ； (b)POEGMA 分子刷接枝后膜片表面的红外谱图 ： 图中 Ti-O 和 Si-O 有机硅振动吸收加强了 -1 -1 1108.65cm 和 1026.24cm 处的吸收 ； 1722.01cm-1 为 POEGMA 上的 O ＝ C-O 的特征吸收峰， 说明 POEGMA 分子刷已接枝到膜表面。
对比例 ：
采用从表面接枝法制备抗蛋白吸附陶瓷膜， 机理图见图 4。(1) 在烧杯中加入 98ml 无水乙醇和 0.5ml0.01mol/L 的 HCl 溶液混合搅拌 1h， 然 后再向混合溶液中加入 2.5ml 3- 氨基丙基三乙氧基硅烷超声搅拌后， 将膜 7.4nm 的 TiO2 单管陶瓷膜浸泡在反应液中反应 30min， 反应结束后取出膜管， 用乙醇和水反复清洗后， 在 120℃下干燥 3h。
(2)1.5ml2- 溴丙酰溴、 1.5ml 三乙胺和 100ml 二氯甲烷混合搅拌后， 将膜管 (1) 浸 泡在其中， 反应 30min， 反应结束后， 用二氯甲烷和乙醇清洗， 在氮气保护下 60℃真空干燥。
(3) 将 10mlOEGMA、 0.1gCuBr、 0.24g2， 2- 联 吡 啶、 50ml 纯 水、 50ml 甲 醇 以 及 膜 管 (2) 加入通氮气保护的反应器中反应 1h， 反应后取出用去离子水反复清洗， 在氮气保护下 60℃真空干燥。
该膜接枝前后对葡聚糖的截留曲线见图 2 和图 3， 从膜孔径的计算结果可以看出， 接枝后膜的平均孔径由 7.4nm 减小到 2.9nm。
实施例 2 ：
(1) 将 1.75ml3- 氨基丙基三乙氧基硅烷、 3.35ml 三乙胺和 15ml 四氢呋喃在氮气 保护下混合搅拌降至 5℃， 再向其中缓慢滴加 3ml2- 溴丙酰溴溶液和 15ml 四氢呋喃混合溶 液后， 5℃下反应 4h 后， 在 50℃下真空干燥。 (2) 将 19gOEGMA、 0.286gCuBr、 0.614g2， 2- 联 吡 啶 和 40ml 甲 醇 在 氮 气 保 护 下 混合搅拌热至 60 ℃， 再在其中加入 0.37g(1) 中所制备的硅烷化的引发剂 2- 溴 -2- 甲 基 -N-(3- 三乙氧基硅烷基 - 丙基 ) 丙酰胺和 30ml 甲醇的混合溶液反应 4h， 得到含硅烷化 POEGMA 分子刷的溶液。
(3)100ml 无水乙醇和 5ml 去离子水混合搅拌 30min， 加入盐酸调成 pH 值为 1， 然后 将混合溶液中加入以上制备的 POEGMA 分子刷溶液中， 用泵带动混合溶液， 使其在 10cm 长的 50nmZrO2 单管陶瓷膜表面循环流动 2h， 将反应后的陶瓷膜用去离子水及表面活性剂水溶液 反复清洗后， 放入 90℃恒温干燥箱反应 5h， 即得到抗蛋白吸附陶瓷复合膜。
该膜接枝前后对牛血清白蛋白溶液的截留率如图 5 所示， 由于抗蛋白吸附聚合物 分子刷的存在， 使蛋白质分子不能在陶瓷膜表面吸附， 形成凝胶层， 使得接枝后的陶瓷膜的 截留率的上升速度明显低于接枝前的陶瓷膜 ； 而膜对于 BSA 溶液的初始截留率相同， 说明 在接枝改性后， 聚合分子刷对膜孔径的无影响。
实施例 3 ：
(1) 将 3ml4- 氨基丁基三乙氧基硅烷、 4.5ml 三乙胺和 50ml 二氯甲烷在氩气保护 下混合搅拌降至 -5℃， 再向其中缓慢滴加 3.3ml2- 氯丙酰氯和 35ml 二氯甲烷混合溶液后， 反应 10h 后， 在 30℃下真空干燥。
(2) 将 28.5gOEGMA、 0.099gCuCl、 0.027gCuCl2、 0.413g2， 2- 联 吡 啶 和 15ml 乙 醇混合搅拌， 水浴加热至 80 ℃， 再在烧瓶中加入 0.51g(1) 中所制备的硅烷化的引发剂 2- 氯 -2- 甲基 -N-(3- 三乙氧基硅烷基 - 丁基 ) 丙酰胺和 15ml 乙醇的混合溶液， 反应 10h。
(3)50ml 无水乙醇和 2ml 去离子水混合搅拌 30min， 加入冰醋酸调成 pH 值为 4， 然 后将混合溶液中加入以上制备的聚合物分子刷溶液中， 用泵带动混合溶液， 使其在 10cm 长 的 200nmAl2O319 通道陶瓷膜表面循环流动 3h， 将反应后的陶瓷膜用去离子水及表面活性 剂水溶液反复清洗后， 放入 120℃恒温干燥箱中脱水反应 10h， 即得到抗蛋白吸附陶瓷复合 膜。