生物相容性、抗菌性能和藥物輸送能力是某些材料和產品的關鍵性能指標。通過對高分子刷、聚電解質多層膜或水凝膠等進行巧妙的材料設計,也能實現的這些性能指標。在對這些材料的界面特性進行調節時的一個重要參數是分子層構象如交聯和水合度。
表面上的高分子構象對界面性質的影響
具有不同構象的高分子和聚電解質如高分子刷、聚電解質多層膜或水凝膠也即交聯高分子網絡，在許多需要調整界面特性以促進其與周圍環境的某種相互作用的應用中被使用。蛋白質吸附、防止細菌粘附和藥物釋放等是一些典型的應用。
由于界面處的分子構象不同，高分子刷、聚電解質多層膜或水凝膠都或多或少地存在水合化和粘彈性。分子構象會對界面性質具有重大影響，而界面性質則反過來會影響其與環境的相互作用。
為了調節材料以得到其與環境所需的相互作用，諸如促進蛋白質吸附、防止細菌粘附或以刺激響應方式釋放藥物等，我們就需要表界面高分子的構象行為進行表征。對表面變化敏感的QCM-D技術是一種可以用于評價分子層構象的檢測手段。
監測薄膜的水釋放和交聯
為了研究并定向調節分子薄膜的表界面特性，表征和了解諸如水合程度、從水合狀態到塌陷狀態或交聯狀態的轉變等的構象行為非常重要，反之亦然。圖1中，高分子刷和其他薄膜的溶脹和塌縮可以通過QCM-D和其他技術來表征，這些技術通過檢測質量變化而感知水的吸附和釋放。
圖1. 從左到右，圖中顯示厚且水合度高的薄膜如何在表面上釋放水并塌縮成薄層薄膜。
塌縮和交聯示例
作為水合狀態和脫水狀態之間轉換的一個示例，讓我們來看一下由殼聚糖制備的高分子刷的膨脹和塌縮[1]。 殼聚糖分子刷的構象取決于pH值和反陰離子的大小。在低pH值時，高分子刷是水溶性的，而當pH值大于6.5時，它是塌縮線團且不溶于水。
先在QCM-D芯片上涂覆高分子。
然后，將高分子刷暴露于不同pH值和反陰離子型溶液中，觀察其對薄膜厚度的影響。
圖2中的結果顯示，分子層在高pH值時溶脹，在低pH值時發生塌縮。
圖21. 暴露于不同pH值和反陰離子型溶液時殼聚糖層的厚度。
也可以使用陰離子來交聯高分子刷[1]。 如圖3所示，當以檸檬酸根陰離子取代乙酸根陰離子時，它與高分子刷上的銨陽離子形成離子交聯，這導致了高分子刷的塌縮。
圖31. （上部）暴露于不同溶液pH值和反離子時殼聚糖分子刷的厚度。（下部）殼聚糖分子刷的結構隨pH值和反離子類型變化的示意圖。
這些實驗結果顯示了pH值和反離子的變化是如何引起薄膜的塌縮和交聯。研究結果可以幫助我們深入了解環境pH值和反離子大小對高分子刷構象的影響。
如需詳細了解如何表征聚合物層的溶脹、交聯和塌縮，請下載附件中應用文摘。