生物相容性、抗菌性能和药物输送能力是某些材料和产品的关键性能指标。通过对高分子刷、聚电解质多层膜或水凝胶等进行巧妙的材料设计,也能实现的这些性能指标。在对这些材料的界面特性进行调节时的一个重要参数是分子层构象如交联和水合度。
表面上的高分子构象对界面性质的影响
具有不同构象的高分子和聚电解质如高分子刷、聚电解质多层膜或水凝胶也即交联高分子网络，在许多需要调整界面特性以促进其与周围环境的某种相互作用的应用中被使用。蛋白质吸附、防止细菌粘附和药物释放等是一些典型的应用。
由于界面处的分子构象不同，高分子刷、聚电解质多层膜或水凝胶都或多或少地存在水合化和粘弹性。分子构象会对界面性质具有重大影响，而界面性质则反过来会影响其与环境的相互作用。
为了调节材料以得到其与环境所需的相互作用，诸如促进蛋白质吸附、防止细菌粘附或以刺激响应方式释放药物等，我们就需要表界面高分子的构象行为进行表征。对表面变化敏感的QCM-D技术是一种可以用于评价分子层构象的检测手段。
监测薄膜的水释放和交联
为了研究并定向调节分子薄膜的表界面特性，表征和了解诸如水合程度、从水合状态到塌陷状态或交联状态的转变等的构象行为非常重要，反之亦然。图1中，高分子刷和其他薄膜的溶胀和塌缩可以通过QCM-D和其他技术来表征，这些技术通过检测质量变化而感知水的吸附和释放。
图1. 从左到右，图中显示厚且水合度高的薄膜如何在表面上释放水并塌缩成薄层薄膜。
塌缩和交联示例
作为水合状态和脱水状态之间转换的一个示例，让我们来看一下由壳聚糖制备的高分子刷的膨胀和塌缩[1]。 壳聚糖分子刷的构象取决于pH值和反阴离子的大小。在低pH值时，高分子刷是水溶性的，而当pH值大于6.5时，它是塌缩线团且不溶于水。
先在QCM-D芯片上涂覆高分子。
然后，将高分子刷暴露于不同pH值和反阴离子型溶液中，观察其对薄膜厚度的影响。
图2中的结果显示，分子层在高pH值时溶胀，在低pH值时发生塌缩。
图21. 暴露于不同pH值和反阴离子型溶液时壳聚糖层的厚度。
也可以使用阴离子来交联高分子刷[1]。 如图3所示，当以柠檬酸根阴离子取代乙酸根阴离子时，它与高分子刷上的铵阳离子形成离子交联，这导致了高分子刷的塌缩。
图31. （上部）暴露于不同溶液pH值和反离子时壳聚糖分子刷的厚度。（下部）壳聚糖分子刷的结构随pH值和反离子类型变化的示意图。
这些实验结果显示了pH值和反离子的变化是如何引起薄膜的塌缩和交联。研究结果可以帮助我们深入了解环境pH值和反离子大小对高分子刷构象的影响。
如需详细了解如何表征聚合物层的溶胀、交联和塌缩，请下载附件中应用文摘。
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