接枝共聚物，将亲水链接枝到疏水聚合物上 的方法，及其制品 【技术领域】
本发明涉及将亲水链接枝到聚合物，特别是疏水聚合物上的新的合成方法。这里也描述了由这些合成方法制得的接枝共聚物，以及由这些聚合物所制备的制品，包括具有塑性和抗血栓性质的膜和制品。背景技术
具有亲水性的商品化聚合物有很多的用途，例如对油和蛋白质具有更好的吸附抗性、生物相容性、较少的静电荷累积、以及对某些材料，如胶水、墨水、涂料和水的更好的可浸润性(wettability)。这类聚合物的应用包括滤水膜，以及生物相容的医疗器械和制品。
在很多应用中，具有最佳的机械、热学和化学稳定性的聚合物是疏水的。由于疏水的聚合物或制品难于浸润并且易于结垢，因此，这类制品可以通过共价连接或者吸附，用亲水性的物质包被，或用其他方法处理使之获得亲水性。用这种方法包被的制品需要额外的加工步骤，因此增大了这类制品地制造成本。如果这类物品用于膜，则包被可能会减小孔的尺寸，从而使通透性降低。而且，非共价连接的涂层，其化学和机械稳定性可能不够高。即使是共价连接的涂层，例如那些通过表面接枝聚合的方法进行制备的，那些在共价连接反应中残存下来的反应物也需要在使用前提取出来。
而且，接枝聚合涂层的表面覆盖难于控制。膜分离表面的包被并不能阻止其内部孔道的结垢。
接枝共聚物的发展使得克服上述的众多缺点成为可能。“接枝共聚物”，是通过将一种待接枝的物质，也称作共聚单体，与提供了该接枝共聚物骨架的母体聚合物进行共价连接而制备的。由母体聚合物得到的接枝共聚物，通常用于提供具有某些特殊性质的材料，同时，母体聚合物的一些优良性质也被保留了下来。
接枝共聚物最常见的合成方法是通过自由基反应，在共聚单体的存在下，通过将聚合物暴露于致电离辐射和/或自由基引发剂下而进行引发。但是，利用这种方法的自由基合成可能是一个不受控制的过程。为数众多的自由基不但存在于聚合物上，而且也存在于共聚单体上，而共聚单体可能会产生自由基均聚反应，从而产生均聚物和接枝共聚物的混合物。因此，此类自由基技术的一个很重要的缺陷就是产物通常是接枝共聚物和均聚物的混合物。而且，由于自由基合成过程无法控制，因此聚合物骨架可能会发生降解和/或交联。
因此，需要通过一种简单易行的、成本较低的方法来制备接枝共聚物。发明内容
本发明的一方面提供了一种方法，该方法包括如下步骤：提供一种催化剂，该催化剂包含至少能与一个配体进行配位的过渡金属卤化物，并且，通过催化剂，引发在乙烯基和母体聚合物之间的反应，该母体聚合物包括包含一个二级(secondary)卤素原子的重复单元。
本发明的另一方面提供了一种制品，该制品包含微相分离(microphase-separated)的梳状聚合物，该梳状聚合物具有包含一个二级碳原子的骨架重复单元中。聚合物中的多个该二级碳原子直接与亲水侧链相连，并且，该聚合物具有由该侧链提供的亲水区域(hydrophilic domains)。
本发明的另一方面提供了一种包含梳状聚合物的制品，该梳状聚合物具有疏水骨架，并且其中的骨架重复单元中包含一个与卤素原子直接相连的二级碳原子。多个亲水侧链与骨架上的二级碳原子相连。该梳状聚合物骨架的分子量不小于相应的母体聚合物骨架的分子量。
本发明的另一方面提供了一种滤水膜。这种膜包含微相分离的聚合物，该聚合物包括平均直径小于3纳米的亲水区域，其中的亲水区域为水的输送提供了通道。
本发明的另一方面提供了一种滤水膜，这种膜包含微相分离的聚合物，该聚合物包括亲水区域。这种膜是自支撑的。
本发明另一方面提供了一种滤水的方法。该方法包含如下步骤：提供一种包含包括亲水区域的微相分离的聚合物的膜，以及，允许水通过亲水区域完全地穿过该膜。
本发明的另一方面提供了一种制品，该制品包含具有疏水骨架的接枝共聚物。骨架重复单元中包含一个与卤素原子直接相连的二级碳原子。该制品也包含多个与骨架上的二级碳原子相连的亲水侧链。梳状聚合物骨架的分子量不小于对应的母体聚合物骨架的分子量。这种制品对于细胞和蛋白质吸附具有抗性，从而使得制品所吸附的蛋白质少于对应母体聚合物所吸附蛋白质的90％。在另一个实施方案中，该多个侧链包含塑化剂，从而使得该梳状聚合物的玻璃转变温度要比对应的母体聚合物的玻璃转变温度低至少5℃。在又一个实施方案中，这种制品进一步包含了与细胞相连的配体(cell-binding ligands)，其与接枝共聚物的1-100％的亲水侧链相连。
本发明另一方面提供了包含接枝共聚物的制品。该接枝共聚物包含一个骨架，该骨架中包含聚砜或聚碳酸酯衍生物。所述制品中进一步包含了亲水侧链，其与骨架中的氧亚苯基(oxyphenylene)单元直接相连。接枝共聚物骨架的分子量不小于对应的母体聚合物骨架的分子量。
如果将本发明下述的详细描述和相应的附图结合起来考虑，那么本发明其他的优点、新特征和目的将会变得更加明显。附图是示意性的，并非按比例绘制。在这些图中，出现在许多幅不同的图之中的每一个相同或基本相同的部分，都用一个数来表示。如果对于本领域的普通技术人员理解本发明来说并不必要，那么为了更加清楚，并非每幅图中的每一个部分都被标了出来，也不是每一个实施例中的每一个部分都被表示了出来。附图说明
图1表示按照本发明通过ATRP制备接枝共聚物的总体方案，涉及将乙烯基单体向聚合物重复单元(表示为“[R-X]”)的加成，其中，过渡金属卤化物催化剂表示为M+ZXn，配位的配体表示为“Lm”；
图2表示通过ATRP合成PVDF-g-POEM的方案；
图3表示(a)PVC和(b)PVDF-g-POEMb的1H NMR谱图和化学结构，其中标为sn的共振是由氘化硝基苯所产生的溶剂峰；
图4表示(a)PVDF250K和(b)PVDF-g-POEM9的1H NMR谱图，其中标为sn的共振是由氘化DMF所产生的溶剂峰，标为ht和hh的共振分别是由头-尾和头-头PVDF重复单元所产生的；在每一个PVDF重复单元上的一个或两个氟原子作为单体加成的起始点(b，插入的化学结构)；
图5表示(a)PVDF250K，和(b)PVDF-g-POEMb的母体聚合物的GPC结果，结果(c)是PVDF-g-POEMb，随后在大体积的水中抽提48小时；使用PMMA为标准校正分子量标度。
图6表示PVDF、PVDF-g-POEMb和PVDF-g-PMAA的差式扫描量热(DSC)分析的结果。
图7表示用四氧化钌染色的PVDF-g-POEM的TEM图像；
图8表示(a)PVDF250K，(b)PVDF-g-PtBMA和(c)PVDF-g-PMAA的1H NMR谱图，其中标为sn的共振是由氘化DMF所产生的溶剂峰；由PtBMA向PMAA的定量水解，通过(c)中t-丁基峰b的消失以及酸质子峰e的出现而加以确认；
图9表示(a)PVDF250K，和(b)PVDF-g-PMAA的母体聚合物的凝胶渗透色谱(GPC)的结果；使用PMMA为标准校正分子量标度；
图10表示作为接枝共聚物含量的函数的表面氮原子百分比，由XPS在基于PVC的铸态(as cast)薄膜(实心符号)和基于PVDF的膜(空心符号)的表面上测得，所用样品在20℃下在含有10.0克/升牛血清清蛋白的溶液中温育了24小时；
图11表示细胞的形态，这些细胞在由(a)纯的PVC，(b)PVC加10wt％PVC-g-POEMb和(c)纯的PVC-g-POEMb所构成的铸态薄膜，以及由(d)纯的PVC，(e)PVC加10wt％PVC-g-POEMb和(f)纯的PVC-g-POEMb所构成的高压灭菌薄膜上温育了24小时；将样品浸于去离子水中，在121℃下高压灭菌6小时；按箭头标示扩散的或正在扩散的细胞；放大倍数10X；图12表示在(a)铸态条件下，(b)浸于去离子水中的同时121℃高压灭菌6小时的纯PVC薄膜的高分辨率的C 1s XPS谱图；
图13表示(a)纯的PVDF膜，(b)纯PVDF-g-POEMb的蒸发铸态薄膜，(c)含有5wt％PVDF-g-POEMb的膜，及(d)含有10wt％PVDF-g-POEMb的膜的拟合的C 1s包络线；对于(b)、(c)和(d)，计算得出的体积和表面组成根据POEM的重量比标出；对于(b)，表面组成是两个样品的平均值；
图14表示(a)纯的PVDF膜，(b)纯PVDF-g-PMAA的蒸发铸态薄膜，及(c)含有10wt％PVDF-g-PMAA的膜的拟合的C 1s包络线；对于(b)和(c)，计算得出的体积和表面组成根据PMAA的重量比标出；对于(b)，表面组成是两个样品的平均值；
图15表示在通过含有PVDF-g-PMAA的膜时流量的pH依赖性，对具有体积组成10wt％PVDF-g-PMAA的在水中121℃高压灭菌1小时的纯净的PVDF膜，以缓冲溶液流量对pH作图；及
图16表示在通过高压灭菌的纯PVDF膜及具有体积组成10wt％PVDF-g-PMAA的高压灭菌的膜时，缓冲溶液流量的pH响应可逆性，此时使用的pH在8和2之间交替；每一个半循环由1分钟的平衡过滤和后续的第二个1分钟的重量流量测定所构成。详细描述
本发明涉及通过受控自由基过程制备接枝聚合物的方法。该制备方法还包括一个单步合成过程。本发明也提供了包含接枝聚合物的制品，其中，一种亲水性物质被接枝到疏水聚合物上，从而提供了一种制备具有生物相容性的生物医学器件的方法。此处描述的其他接枝共聚物是微相分离的，具有由接枝上去的亲水性物质所形成的亲水区域。此类共聚物可以用于制备新型滤水膜材料，其中的亲水区域为水通过该膜提供了主要的运输模式。
本发明的一方面提供了接枝共聚物的一种简单易行的合成方法。“接枝”涉及预备一种在部分或全部重复单元上都有反应活性部位的母体聚合物，以及将待接枝的物质(也称为共聚单体)在反应活性部位上加成到母体聚合物上。由母体聚合物得到的接枝共聚物可以用于生产具有某些特殊性质而同时又保留了母体聚合物优良特性的材料。
本发明提供了一种接枝反应，可以在一个合成步骤中进行，而且基本上不会形成那些不想要的物质，例如均聚物和链降解产物，而这些可能会在不受控的自由基反应中产生。在一个实施方案中，该方法涉及原子转移自由基聚合反应(ATRP)，这是一种受控的自由基聚合反应。由于在反应中，自由基的浓度保持较低并且主要集中于母体聚合物上，阻止了大量不想要的反应的发生，因此该反应是受控的。已经给出了没有均聚物形成的证据，例如，在分子量的讨论中或者实施例1中。
虽然此前已经有人将ATRP技术用于制备接枝共聚物，但一般认为，母体聚合物需要反应活性很强的基团作为活性部位。对于很多聚合物而言，与二级碳原子直接相连的卤素原子(如氯或氟)和乙烯基直接反应是比较难的。因此，此前的ATRP接枝反应包括一个附加的步骤，即用反应活性更强的基团取代二级卤素原子，例如用氯代乙酸酯基团。例如，Paik等人(大分子快讯(Macromolecules Rapid Communications)1998，19，47)报道了将苯乙烯和不同的甲基丙烯酸甲酯侧链接枝到基于聚氯乙稀的宏引发剂上(macroinitiator)，其中，宏引发剂被修饰以引入活性的氯代乙酸酯基团作为单体ATRP聚合反应的活性部位。实际上，Paik等人曾说过“PVC骨架上的二级氯原子结合的过于紧密，以至于不能通过与Cu(I)复合物反应而引发聚合”。
本发明的方法涉及提供一种催化剂，该催化剂包含至少能与一个配体进行配位的过渡金属卤化物。该方法还涉及通过催化剂引发在乙烯基和母体聚合物之间进行的反应，其中，该母体聚合物所包含的重复单元中包括一个二级卤素原子(也就是与二级碳原子相结合的卤素原子)。在一个实施方案中，该重复单元包括该聚合物骨架。“骨架”是指聚合物中最长的连续的键链。在这个实施方案中，该重复单元包括位于骨架上的二级碳原子，在骨架上，该二级碳原子与卤素原子相结合。因此，本发明可以直接使用具有二级卤素原子的聚合物，而不需要进行额外的步骤以便用反应活性更强的离去基团取代卤素原子。
图1为按照本发明通过ATRP制备接枝共聚物的总体方案，大致描述了将一个乙烯基单体加成到聚合物重复单元(表示为[R-X])上的“活化-增长-失活”的过程。“R”是一个二级碳原子，X是一个卤素原子，也就是说，X是一个二级卤素原子。“R”可以与两个卤素原子结合，或者与一个卤素原子及另一种原子或基团相结合。为了清楚起见，此处只表示出了一个R-X键。乙烯基单体可以与另一个有机基团R’相结合。过渡金属卤化物催化剂表示为M+ZXn，配体表示为“Lm”，此处，与过渡金属卤化物配位的配体L，可以包含一个二或多配位基的配体(m＝1)，或一个或多个单配位基的配体，这要取决于具体的过渡金属卤化物。在一个实施方案中，配体包含至少一个氮供电子原子，并且，优选的是，该氮供电子原子能够与过渡金属发生相互作用。
在活化步骤中，R-X键被活化，产生了一个以碳为中心的自由基[R’]以及氧化金属复合物[M+(Z+1)Xn+1]。在增长步骤中，自由基可以和乙烯基单体发生反应。在失活步骤中，聚合物转变为休眠状态的、卤素封端的链。
与标准的自由基技术相比，ATRP合成的优点在于：休眠状态和活化状态的链末端分子之间的平衡强烈地倾向于休眠状态的分子。因此，在整个聚合过程中，自由基的总浓度是受控制的，并且始终处于较低的浓度。终止和链转移反应发生的可能性更小了，而在标准的自由基聚合中，终止和链转移反应导致了不受控的链分枝、交联及多分散性增大。但是，由于聚合反应按照自由基机理进行，因此ATRP的进行不像活性离子聚合那样对于试剂纯度有严格要求。
产物是接枝共聚物，包含共价连接于母体聚合物上的共聚单体。在一个实施方案中，该接枝共聚物包含与母体聚合物相同的骨架。接枝共聚物与母体聚合物的区别在于：在接枝共聚物中，在活性位点处有多个从骨架上伸出来的侧链。如果活性位点在母体上每隔一定距离有规律的出现，则接枝共聚物中的侧链也基本上每隔一定距离有规律的出现。这类接枝共聚物像一把梳子，因此也称为“梳状聚合物”。在一个实施方案中，该梳状聚合物是两亲性的，也就是说，该聚合物的一部分是疏水的，而另一部分是亲水的。优选地，该接枝共聚物有亲水性(极性)侧链和疏水性(非极性)骨架。
在一个实施方案中，该接枝共聚物骨架的分子量不小于母体聚合物骨架的分子量。因为此前的通过不受控自由基反应形成的接枝共聚物会产生链降解，降解产物的骨架长度比母体聚合物的骨架要小(也就是说，分子量要低一些)。本发明的方法不会产生此类降解产物，接枝共聚物骨架的分子量通常至少与母体聚合物骨架的分子量相等。
在一个实施方案中，乙烯基作为亲水链的一部分，也就是说，乙烯基共价连接到亲水性物质(例如图1中的R’)上。因此，本方法提供了一种简单易行的途径，可以将亲水性物质直接连接到聚合物上，特别是将亲水链连接到疏水性聚合物或制品上。
例如，亲水链可以包含聚环氧乙烷(PEO)。已经熟知，PEO具有抗蛋白质吸附的能力，这是因为它具有亲水性，有较强的参与形成氢键的倾向，有较大的排除体积(excluded volume)，并且它在水溶液中可以和周围的水分子的独特配位。表面接枝的PEO已经用于制备不易抗油和蛋白质结垢的超滤膜。优选的是，PEO具有至少5个环氧乙烷单元。该方法可以将较小的PEO寡聚物或者更大分子量的聚合物加成到母体聚合物的骨架上。包含连接在PEO上的乙烯基的亲水链的实例有：聚氧乙烯甲基丙烯酸酯(polyoxyethylene methacrylate，POEM)，聚甲基丙烯酸乙二醇酯，聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯[poly(ethylene glycol)methyl ether methacrylate]，聚甲基丙烯酸羟乙基酯，聚丙烯酸羟乙基酯，水解的聚甲基丙烯叔丁基酸酯，水解的聚丙烯酸叔丁基酯，聚丙烯酰胺，聚N-乙烯吡咯烷酮，聚氨基苯乙烯，聚甲基丙烯酸甲基磺酰基乙烯基酯[poly(methyl sulfonyl ethylmethacrylate)]，以及包含其组合的共聚物。
图2给出了通过ATRP合成PVDF-g-POEM的示意图。合成过程包括将POEM直接(也就是没有中间连接物)加成到含有二级卤素原子的母体聚合物上。聚偏氟乙烯(PVDF)的每一个重复单元中都含有两个与一个二级碳原子相连的氟原子。PVDF与POEM的反应，是由与一个二配位基氮-供体配体，联吡啶(bipyridine，bpy)配位的过渡金属卤化物CuCl所引发的。从PVDF中去掉一个氟原子后，产生了以二级碳原子为中心的自由基，同时过渡金属被氧化。POEM在活性碳位点处加成，使得POEM直接连在二级碳原子上。
在图2中，接枝了POEM的PVDF聚合物被称为聚(偏氟乙烯)-g-聚氧乙烯甲基丙烯酸酯(PVDF-g-POEM)，包括共聚物，其中，在至少一部分二级碳原子上的一个或两个氟原子被POEM所代替。其他接枝聚合物的实例包括：聚氯乙烯-g-聚氧乙烯甲基丙烯酸酯(PVC-g-POEM)，氯化聚丙烯-g-聚氧乙烯甲基丙烯酸酯(cPP-g-POEM)。并不是每个重复单元都要与乙烯基反应。但是，在很多应用中，覆盖上高密度的接枝共聚物是较好的。
很多聚合物可以大规模商业化生产，而且，由于它们具有机械、热学和化学稳定性，因此它们也被用于制造各种制品。但是，这些聚合物是疏水的，从而使得它们在很多情况下不能使用，除非对其进行预处理。通常，该预处理涉及用一种物质对制品进行涂敷，使得制品适于在某些情况下使用。因此，本发明的一个特征是，这些聚合物可以通过此处描述的接枝法使其变为亲水性的。其他可能的母体聚合物包括：聚(氯乙烯)，聚(偏氯乙烯)，聚(溴乙烯)，聚(偏氟乙烯)，聚(偏氯乙烯)-co-氯乙烯(“-co-”表示共聚物)，氯化聚(氟乙烯)，氯化聚(氯乙烯)，氯化聚乙烯，聚(氟乙烯)，聚(四氟乙烯)，聚(1，2二氟乙烯)，聚(氯三氟乙烯)，以及包含其组合的共聚物，例如聚(氯乙烯-co-异丁基乙烯基醚)，聚(氯乙烯-co-丙烯酸乙烯基酯)，聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)，聚(氯乙烯-co-丙烯酸乙烯基酯-co-马来酸)，聚(偏氯乙烯-co-丙烯酸甲酯)，等等。
本发明的另一方面提供了一种包含微相分离的梳状聚合物的制品。该梳状聚合物包含的骨架重复单元包括一个二级碳原子。该聚合物中的多个二级碳原子与亲水侧链直接相连。如前所述，“直接相连”表示在骨架的二级碳原子和亲水侧链之间，没有任何中间原子或基团。“微相分离”表示第一种成分(例如该梳状聚合物的骨架)和化学上不相似的第二种成分(例如该梳状聚合物的侧链)之间的相分离。在本发明的制品中，亲水区域是由侧链形成的，也就是说，所产生的多个亲水侧链可以聚集形成亲水区域，这些亲水区域分散于包含骨架的疏水区域之中。区域的大小是由侧链的大小以及在骨架上的间隔所决定的，如果这些数值已知，那么本领域的普通技术人员可以确定区域的大小。在一个实施方案中，亲水区域的平均直径小于约3纳米，优选小于约2纳米，更优选小于约1纳米。
本发明中梳状聚合物的实例包括接枝共聚物，包括任何与此前讨论的由母体聚合物和亲水链得到的这类接枝共聚物。
本发明的另一方面提供了一种包含具有疏水骨架的梳状聚合物的物品。一个骨架重复单元包含与卤素原子直接相连的二级碳原子，也就是说，重复单元包括一个二级卤素原子。该梳状聚合物进一步包含了多个亲水侧链，其中每一个侧链都与二级碳原子相连。在一个实施方案中，该梳状聚合物中至少约5mol％的二级碳原子与亲水侧链相连。根据混合物的组成，至少约10mol％、25mol％、50mol％、75mol％、90mol％、甚至几乎全部的二级碳原子都与亲水侧链相连。
该梳状聚合物骨架的分子量不小于对应的母体聚合物骨架的分子量。在一个实施方案中，这种梳状聚合物骨架的分子量可以通过前述的任何方法获得，优选通过在母体聚合物上进行ATRP合成。一项检测构成制品的梳状聚合物是否被本发明所包括的筛选测试，包含检测聚合物的绝对分子量(例如，通过本领域的普通技术人员所熟知的光散射技术)，以及使用NMR方法检测聚合物的总体化学组成以及与二级碳原子相结合的亲水侧链之间连接的化学性质，也就是说，是否存在直接连接，这一点是本领域的普通技术人员所熟知的。
这方面包括此处描述的任何骨架、亲水侧链及接枝共聚物。在一个实施方案中，该聚合物是微相分离的，并且可以具有包含前述组成和尺寸的亲水区域。
本发明还有一个特征是发现滤水膜可以由本发明的接枝共聚物来制备。滤水膜允许水(透膜物)穿过膜，而阻止目标物质(滞留物)穿过膜。从细菌或其他微生物到蛋白质、盐和其他离子性物质的溶质可以被滤出。
滤膜可以分为有孔膜和无孔膜。在有孔膜中，运输壁垒是基于透膜物和滞留物大小的不同。在无孔膜中，例如那些用于反渗透的，物质是通过在膜材料中的溶解度和/或扩散率来加以分离的。对于无孔膜和有孔膜的纳米过滤，膜材料和透膜物、也就是水之间较差的化学亲和性可能会抑制透膜物的渗透性。因此，具有最好的机械、热学和化学性质的疏水聚合物，在制造此类膜的时候用处并不大，因为它们是不可浸润的，因此不允许水透过膜。由于这个原因，在制备反渗透和纳米过滤膜的时候，使用了更多的亲水聚合物，例如醋酸纤维素和聚酰胺。但是，这些材料表现出了相对较差的热学和机械性质，并且很容易发生化学降解或在水环境中水解。
为了克服这些缺陷，制备了薄膜式复合膜，其中，在疏水多孔膜的表面涂敷了亲水涂层，其中的疏水的多孔膜起到了机械支撑的作用。为获得适于RO应用的膜，Kim等人(J.MembraneSci.2000，165，pp.189-199)通过在多孔聚砜膜表面进行界面聚合，制备了包含聚(氨基苯乙烯)的表面涂层。Nunes等人(J.Membrane Sci.1995，106，49)溶液涂敷的多孔PVDF膜与聚醚-b-聚酰胺共聚物(b＝嵌段)，以创造一种能够保留少至1500克/摩尔的溶质的无孔表面涂层。但是，此类薄膜式复合膜的缺点是，膜分离表面的有效过滤面积被限制在包含支撑膜表面的孔在内的表面面积，通常小于总面积的10％。而且，涂层的应用除了需制备支撑膜以外，还需要好几个额外的加工步骤，大大增加了制造成本。最后，有人发现Nunes等人的涂层会在酸性或碱性溶液中降解。
因此，本发明的另一方面提供了一种滤水膜，包含微相分离的聚合物，该聚合物包括小于约3纳米、优选小于约2纳米(例如用于反渗透的)并且更优选小于约1纳米的亲水区域。本发明的一个特征是：由于对水的化学亲和性，亲水区域提供了水的输送通道，这有助于水的输送，使之优先于滞留物。
本发明优于薄膜式复合膜的一个优点是：横跨膜表面区域的亲水区域参与了透膜物(也就是水)的输送。在理想的情况下，亲水区域提供了所有的输送通道，但实际上，膜上可能有小孔或其他缺陷，允许水从中穿过。在一个实施方案中，亲水区域提供了水的主要输送模式，也就是至少50％的输送通道，优选的是至少90％的输送通道，较为优选的是至少95％的输送通道，更为优选的是至少99％的输送通道。
微相分离的聚合物可以是接枝共聚物，优选的是梳状聚合物，按照此处描述的方法制备。例如，该接枝共聚物可以通过ATRP制备。如果残余量的过渡金属卤化物催化剂保留在接枝共聚物中，就可以通过对已完成的膜进行热处理，很容易地实现疏水区域的交联，进一步提高稳定性。
可以通过膜孔的形态和亲水区域的大小能有效地控制水输送的选择性。对于指定的过滤用途而言，亲水区域的最佳大小可以通过改变梳状聚合物的侧链长度和/或沿接枝共聚物骨架的间隔而加以实现。本发明的另一个优点是：整个膜可以只通过一个步骤制造完成，即常规的浸没沉淀方法(immersion precipitationprocess)。本发明的膜的另一个优点是：与通过溶液涂敷方法制备的薄膜式复合膜相比，本发明的膜稳定性有所提高。
在一个实施方案中，该膜进一步包含了提供了机械、化学和热学稳定性的疏水区域。
在一个实施方案中，该膜完全是由包括亲水区域的微相分离的聚合物制备的，也就是说，它是“自支撑”的(参见下面的关于“自支撑”的讨论)。在另一个实施方案中，该“自支撑”的膜可以包含微相分离的聚合物和至少一种其他聚合物的混合物。此处的其他聚合物优选为疏水聚合物，其实例包括：聚(偏氟乙烯)以及其他合适的含氟聚合物，聚砜，聚醚砜，聚芳砜，等等，以及聚烯烃衍生物。
该混合物可以包含任意百分比的微相分离聚合物，只要在制造出来的膜中，膜的致密表层的主要成分是接枝共聚物即可。本发明的一个特征是，即使接枝共聚物在多孔的膜亚层中只是次要成分，接枝共聚物也可以是膜的致密表层的主要成分，因为在通过浸没沉淀制造膜的过程中，两亲性的共聚物优先定位于表面上。
在一个实施方案中，该微相分离的聚合物在该混合物中的存在量按重量计至少为5％。本发明的一个特征是，由于该混合物能够表面偏析，因此微相分离的聚合物的存在量可以较小，以获得良好的表面性质。一种成分的表面偏析产生于某种热力学驱动力，也就是说，如果两种成分之间界面自由能的降低，多于对去混合(de-mixing)后组合熵损失的补偿，在放热混合的情况下，就是混合焓的损失。因此，即使只存在少量的微相分离聚合物，也可以有很大一部分聚合物占据临近膜表面的区域。在另一个实施方案中，微相分离的聚合物在该混合物中的存在量按重量计为5％到10％。这部分小比例的聚合物在临近表面的浓度按重量计可以为至少约20％，优选为至少约30％，更加优选为按重量计至少约40％。
目前，许多商品化的滤水膜包含不对称结构，该不对称结构具有相对致密的、0.1到1微米的表层，覆盖于高度多孔的亚层上。膜的分离特性是由表层中孔的尺寸分布所决定的，同时，多孔的亚层提供了机械支持。在膜表面实现了分离，同时，相对较高的流量可以从较大的孔通道里通过，这些较大的孔通道包含了膜的大部分体积。可以通过用亲水基团对表层进行涂敷，在该结构上获得亲水表面。但是，这种涂敷可能会堵塞孔道。而且，流速可能会下降，因为水要穿过好几层。
因此，本发明的另一个方面提供了一种滤水膜，包含微相分离的聚合物。该聚合物包括亲水区域。本发明的一个优良特征是，这种膜是自“支撑的”，也就是说，这种膜不需要额外的机械支持，如同Kim等人所讨论的。(见前述内容)
如前所述，微相分离的聚合物优选能抗蛋白质吸附并具有足够的可浸润性。而且，这种聚合物有足够的特性以达到所期望的机械性质。在一个实施方案中，这种膜可以包含微相分离的聚合物和至少一种其他聚合物的混合物。此处的其他聚合物优选为疏水聚合物，并且可以包括上述的任何疏水聚合物。
在某些实施方案中，此处描述的任何制品都抗结垢。结垢可能是蛋白质、细胞、或其他更大的生物物种例如微生物发生沉淀的结果。在具有了亲水表面化学之后，结垢的敏感度显著下降了。在一个实施方案中，制品抗细胞和蛋白质吸附，从而使得制品所吸附的蛋白质少于对应母体聚合物所吸附蛋白质的90％，优选为少于对应母体聚合物所吸附蛋白质的50％、20％、10％或5％。通常，对应的母体聚合物是疏水的，并允许蛋白质和细胞沉淀。制品抗细胞和蛋白质吸附的程度可以通过XPS测定。例如，将膜浸入含有牛血清清蛋白(BSA)的溶液中，可以检测由于BSA吸附而具有的氮(见实施例4)。生物类例如细胞的吸附可以通过显微镜检测。
虽然这些实施方案中包括了包含任何上述接枝共聚物的制品，本发明也可以包含混合物，此处的混合物包括与至少一种其他聚合物混合了的接枝共聚物。一个实例包括与PVC混合的接枝共聚物聚(氯乙烯)-g-POEM。这种混合物可以在制品的表面产生增强的蛋白质和细胞抗性。
在本发明的一个实施方案中提供了抗蛋白质吸附的包含聚氯乙烯(PVC)的制品。PVC是一种对于医疗器械的制造具有重要商业意义的聚合物，这类医疗器械包括IV和血袋、注射管、循环管、气管内导管、胃导食管、排脓管、导尿管及外科绷带。但是，由于其疏水性，PVC在水溶液中容易发生蛋白质吸附。在用于接触血液时，蛋白质吸附会导致血小板的激活和聚集，并随之形成血栓；也会导致补体系统的激活，从而产生系统免疫反应，可能会导致器官机能障碍。在另一些应用中，例如PVC气管内导管，蛋白质吸附可能会导致细菌感染的风险提高。
在另一些实施方案中，此处描述的任何梳状聚合物包含共价连接的塑化剂。在一个实施方案中，该梳状聚合物包含多个的侧链，例如此处描述的任何侧链，其中包含塑化剂，从而使得该梳状聚合物的玻璃转变温度比对应母体聚合物的玻璃转变温度至少低5℃。在其他实施方案中，玻璃转变温度比对应的母体聚合物的玻璃转变温度至少低约10℃、20℃、50℃或100℃。例如，在许多应用中，如果不加入塑化剂，PVC的机械性能就达不到要求。塑化剂也改善了可加工性。由于塑化剂通常包含小分子有机化合物，因此，对于柔韧性好的、可以由多至45％的添加剂(包括塑化剂)所构成的PVC医疗器械而言，一个问题是：血液、消化液和其他与其接触的介质会将小分子塑化剂从中抽提出来。除了潜在的毒效应以外，从接触时间较长的PVC器械(例如胃导食管和排脓管)中泄漏的塑化剂，还可能引起器械变硬以及由此引发的对病人的伤害。
本发明另一方面提供了一种制品，包含梳状聚合物，该梳状聚合物包含聚(氯乙烯)骨架和亲水侧链。亲水侧链可以包含具有蛋白质和细胞抗性的基团。在一个优选实施方案中，亲水侧链包含聚(环氧乙烷)，其中，此类侧链的一个具体实例是聚氧乙烯甲基丙烯酸酯。亲水侧链的其他实例包括聚(甲基丙烯酸羟乙基酯)，聚(丙烯酸羟乙基酯)，聚丙烯酰胺，聚(N-乙烯吡咯烷酮)，聚(乙烯醇)，等等，以及包含上述任何一种的共聚物，及诸如此类。亲水侧链产生了提高的抗血栓性及塑化效应。此处的接枝共聚物可以被容易地加工成工业制品。由于亲水侧链和PVC骨架之间为共价连接，因此它们不容易泄漏到生物流体中去。
虽然本发明包括基本由本发明的接枝共聚物所构成的制品，但是本发明也可以包含一种混合物，此处的混合物包括与至少一种其他聚合物混合了的接枝共聚物。一个实例包括与PVC混合的接枝共聚物聚(氯乙烯)-g-POEM。该混合物可以在物品表面产生提高的蛋白质和细胞抗性。
在某些其他实施方案中，此处描述的任何制品能够被自发浸润。可浸润性对于滤水膜来说是一种重要的性质。如果膜不能被浸润，那么水就不能穿过该膜。表面的可浸润性可以量化：向表面上滴上水滴，然后测量水滴和表面之间的接触角。疏水表面，例如纯的PVDF，是不能被浸润的，滴在纯的PVDF膜上的水滴具有较大的接触角，并且在水滴最终蒸发之前，接触角随时间的变化很小。可浸润的表面具有较小的接触角，优选的接触角为小于约。“自发”浸润的能力可以通过测量水滴的接触角达到0°所需要的时间而加以测定。本发明的膜优选为可在不超过约5分钟内浸润，优选为不超过约3分钟，优选为不超过约1分钟。
本发明另一方面提供了包含接枝共聚物的物品，包含卤代疏水骨架和亲水侧链，具有非特异的对蛋白质吸附和细胞的抗性，以及由于相连的生物配体而具备的特异性的细胞信号能力。此类配体包括粘连肽、细胞信号肽及生长因子。在一个实施方案中，相连的生物配体通过亲水侧链或侧链末端，通过共价键直接或间接地与之相连。此类制品的实例包含接枝共聚物，该接枝共聚物具有卤代疏水骨架和含有活性-OH基团的亲水侧链，其中的-OH基团作为生物配体的连接位点。具有活性-OH基团的亲水侧链的实例包括：聚(甲基丙烯酸乙二醇酯)，聚(甲基丙烯酸羟乙基酯)，及聚(乙烯醇)。本发明的生物配体的实例包括：RGD和其他的粘连肽，EGF，TGF和其他的生长因子，肝素，及诸如此类。本发明的疏水骨架包括：聚(偏氟乙烯)，氯化聚乙烯，聚(氟乙烯)，聚(四氟乙烯)，聚(1，2-二氟乙烯)，聚(氯三氟乙烯)，卤化聚丙烯，卤化聚乙烯，卤化聚砜，卤化聚醚砜，卤化聚芳砜，及诸如此类，以及包含上述任何一种的共聚物。
通过下述的实例，本发明的这些实施方案以及其他实施方案的功能和优点将会被理解的更加充分。下述的实施例用于解释本发明的优点，而不是用于举例说明本发明的全部范围。
实施例1：由二级卤素原子引发的通过ATRP
的接枝共聚物合成
材料聚(偏氟乙烯)(PVDF)( Mn ca.107,000克/摩尔， Mwca.250,000克/摩尔)，聚(氯乙烯)(PVC)(特性粘度0.51)，氯化聚乙烯(cPE)(40wt％Cl)，POEM( Mn＝475克/摩尔)，甲基丙烯酸叔丁基酯(tBMA)，氯化亚铜(I)(CuCl)，4，4’-二甲基-2，2’-联吡啶基-(bpy)，1，1，4，7，10，10-六甲基三乙烯四胺(HMTA)，对-甲苯磺酸(TSA)，1-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)，以及N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，购自阿尔德里西化学公司(Aldrich ChemicalCo.)(Milwaukee，WI)。氘化的溶剂购自VWR.。所有试剂均可直接使用。
PVC-g-POEM合成方案在一个典型反应中，称取PVC(5克)加入到含有特氟隆搅拌棒的锥形瓶中，将其溶于DMF(40毫升)中。再向反应混合物中加入POEM(20毫升)、CuCl(0.06克)和HMTA(0.42克)，然后用橡胶隔膜将锥形瓶封口。边搅拌边向反应混合物中吹入氩气，使之起泡，持续15分钟。然后立即将反应器放入已预热到90℃的油浴中，反应24小时。将接枝共聚物在含有1份甲醇、1-2份石油醚及少量HCl的混合物中进行沉淀，并通过过滤回收。将聚合物再次溶于NMP中，并在相似的甲醇/石油醚混合物中重复沉淀三次，来对其进行纯化。最后，在室温下对聚合物进行真空干燥过夜。
鉴定组成使用Bruker DPX 400分光计，在氘化硝基苯中通过1H核磁共振(NMR)谱对PVC及其接枝共聚物进行鉴定。PVC和PVC-g-POEMb的1H NMR谱图表示在图3中。在PVC-g-POEM谱中，～4.3ppm处POEM的共振c和PVC的共振a缠结在一起。接枝上的POEM的摩尔分数可估算为：XPOEM(PVC)=137(Id+Ie+23Ie)137(Id+Ie+23Ie)+I(a+c)-23Ie---(1)]]>其中Ix为共振x的强度；关系式Ic=23Ie---(2)]]>是由化学计量法假定的。接枝共聚物的组成列于表1中。
表1母体聚合物和接枝共聚物的性质
接枝共聚物 Mn 接触角(°)聚合物
组成 (g/mol) θadv θrecPVC - 71 700 90.2 82.3PVC-g-POEMa 19wt％POEM 88 000 73.0 42.9PVC-g-POEMb 50wt％POEM 143 200 42.6 32.4PVDF - 107 000 87.5 75.9PVDF-g-POEMa 44wt％POEM 189 400 65.0 28.5PVDF-g-POEMb 67wt％POEM 323 200 38.8 ＜5PVDF-g-PMAA 49wt％PMAA 211 300 - -cPE - - 96.9 84.2cPEg-POEM 49wt％POEM - 26.3 16.5cPP - 254 200 96.2 93.7cPP-g-POEM 48wt％POEM 490 300 84.8 41.0PSf - 26 000 81.4 74.5PSf-g-POEM 50wt％POEM 30 600 72.1*,52.4** 53.2*,38.5**由GPC得来，以聚苯乙烯为标准物来自制造商利用方程式(3)基于1H NMR测得的组成而估算得出*接触角测量是在PSf/10wt％PSf-g-POEM混合物上进行的**接触角测量是在PSf/20wt％PSf-g-POEM混合物上进行的
分子量 在30℃下，对四氢呋喃(THF)中的母体PVC及其PVC-g-POEM产物进行凝胶渗透色谱(GPC)测定，使用聚苯乙烯为校正标准物。PVC的GPC结果显示，其聚苯乙烯标准分子量为 Mn＝71,700克/摩尔， Mw＝131,500克/摩尔。PVC-g-POEMa和PVC-g-POEMb的GPC结果显示，分子量的单峰分布分别移到了 Mn＝80,900克/摩尔， Mw＝177,000克/摩尔，以及Mn＝105,100克/摩尔， Mw＝170,400克/摩尔。该单峰分布表明，没有明显的均聚物污染。但是，通过GPC得到的接枝共聚物产品的分子量，并不是它们实际分子量的良好估计值，因为具有相同分子量的线状和枝状聚合物，其流体动力学体积并不相同。因此，所有接枝共聚物的数量平均分子量，是根据1H NMR测得的组成而估算得出的，使用下式：M‾n,graft=M‾n,base(1+xM0POEMM0base)---(3)]]>此处， Mn，base为基体聚合物的数量平均分子量，x为1H NMR测得的共聚物中POEM单元与基体聚合物重复单元的摩尔比，M0POEM和M0base分别为POEM和基体聚合物重复单元的分子量。如此计算出来的接枝共聚物的分子量列于表1中。在最后两次沉淀后取出的共聚物等分试样，GPC和NMR均无法分辨。
PVDF-g-POEM合成方案如上所述，在一个典型反应中，在一个锥形瓶内，将PVDF(5克)、POEM(50毫升)、CuCl(0.04克)和bpy(0.23克)共溶于NMP中。类似的，向反应器中吹入氩气，然后在90℃下反应19小时。如上所述，在甲醇/石油醚混合物中连续进行沉淀，对聚合物进行回收和纯化，并在室温下进行真空干燥过夜。
鉴定组成PVDF及其POEM接枝共聚物在氘化DMF中通过1H NMR进行鉴定。PVDF和PVDF-g-POEMb的1H NMR谱图表示在图4中。由于头-尾(ht)和头-头(hh)键排列，PVDF谱图中有两个明显的峰。POEM接枝到PVDF上之后，由于PEO侧链中的O-CHx键环境，在3.2-4.3ppm区域出现了峰。通过分析纯氘化DMF，得到了溶剂峰s2和s3相对于溶剂峰s1的已知强度，并将溶剂峰s2和s3从谱图中减去。然后，PVDF共聚物中POEM的摩尔分数可以按下式计算：XPOEM(PVDF)=137(Ic+Id+Ie)137(Ic+Id+Ie)+12(Ia(ht)+Ia(hh))---(4)]]>其中Ix为共振x的强度；PVDF及其POEM接枝共聚物的组成列于表1中。
分子量在30℃下，在含有1％硝酸锂的DMF中，利用GPC对PVDF和PVDF-g-POEMb进行鉴定，使用PMMA标准校正分子量标度。两种聚合物的GPC结果表示在图5中。接枝反应使得分子量显著增加，PMMA标准分子量由PVDF250K的 Mw＝1,218,300变为PVDF-g-POEMb的 Mw＝2,979,900。接枝共聚物的分子量分布为双峰。在大体积dW(聚POEM的优良溶剂)中抽提48小时后，GPC的结果实际上没有变化，这表明双峰并不是由于POEM的均聚(图5c)。双峰分布可能是在聚合过程中，链的自由基-自由基耦联而产生的，这一点在前面的ATRP接枝共聚中也观察到了，其可以产生多峰分子量分布。虽然此类终止反应一般是不利的，但实施例3中表明，在PVDF膜的制造过程中，这类终止反应并未破坏PVDF-g-POEM的表面偏析能力，表面化学非常理想。
由于线型PMMA标准物和基于PVDF的接枝共聚物的链柔韧性不同，以及具有相同分子量的线状和枝状聚合物的流体动力学半径也不相同，因此，PMMA标准分子量并不是接枝共聚物实际分子量的准确估计值。PVDF-g-POEM的数量平均分子量的更准确的估计值，是根据NMR数据由方程式3得到的。如此计算出的分子量列于表1中。
热分析使用Perkin Elmer Pyris1热量计进行差式扫描量热(DSC)分析。所有试样都要进行预处理：在210℃下保温15分钟，以10℃/分钟的速度冷却至130℃，在此温度下保温15分钟，再以10℃/分钟的速度冷却至50℃。然后通过以10℃/分钟的加热速度从50℃到230℃进行扫描，获得DSC曲线。PVDF和PVDF-g-POEMb的DSC曲线示于中。PVDF-g-POEMb是半结晶的，与纯的PVDF相比，其熔点下降了。
形态学通过透射电子显微镜(TEM)鉴定PVDF-g-POEMb的形态。将大量聚合物样品置于真空电炉中，在200℃下平衡12小时。然后，使用RMC(Tucson，AZ)MT-XL超微切片机在-55℃下将其切成50纳米厚的切片。将切片放于铜网上，用四氧化钌室温下染色20分钟。已经熟知，四氧化钌可以对PEO中的醚部分进行选择性染色。通过JEOL 200CX显微镜获得切片的TEM图像。图7就是这样的一幅图像，其中被染色了的PEO为黑色。大约为10-20埃的黑色区域在整个试样中都有出现。这大概是单个9 EO单元POEM侧链的预期大小。这些结果表明，PVDF-g-POEM产生了微相分离，其中单个POEM侧链在疏水PVDF基体上形成了亲水区域。
PVDF-g-PMMA合成方案在50℃下，将PVDF(5克)溶于NMP(40毫升)中。将混合物冷却至室温，然后加入tBMA(50毫升)、CuCl(0.041克)和bPy(0.23克)，用橡胶隔膜将反应器封口。边搅拌边向反应混合物中吹入氩气，使之起泡，持续15分钟。然后立即将反应器放入已预热到90℃的油浴中，反应20小时。将接枝共聚物放于1∶1的水/乙醇混合物中进行沉淀。然后将其再次溶于NMP中，并在相似的水/乙醇混合物中重复沉淀，对其进行纯化。接枝共聚物PVDF-g-PtBMA通过过滤回收，并真空干燥过夜。将PVDF-g-PtBMA(5.52克)切成约2毫米的厚块，并浸没于无水甲苯(300毫升)中。聚合物在溶剂中显著膨胀，但并未溶解。向反应器中加TSA(31克)，然后马上用橡胶隔膜将反应器封口，猛烈搅拌，使TSA溶解。向反应混合物中吹入氩气，使之起泡，持续15分钟。然后将反应器放入已预热到85℃的油浴中。7小时后，将反应混合物倒入过量甲醇(TSA的优良溶剂)中。很大一部分聚合物仍为“厚块”，虽然有一部分已经分散的很细小。过滤回收聚合物，然后再将其溶于DMF中，在含有4份己烷和1份乙醇的混合物中进行沉淀，然后再次过滤回收。为了进一步纯化聚合物，将聚合物放于大体积的THF(聚合物在其中膨胀，但并不溶解)中搅拌过夜，再次在己烷/乙醇混合物中沉淀。最后，接枝共聚物PVDF-g-PMAA在室温下进行真空干燥过夜。
鉴定组成PVDF、PVDF-g-PtBMA和PVDF-g-PMAA在氘化DMF中通过1H NMR进行鉴定。聚合物的NMR谱图表示在图8中。tBMA接枝到PVDF上之后，由于t-丁基质子，在1.5ppm处出现了一个峰。尽管水解反应具有不均一性，但PtBMA侧链水解成PMAA的反应还是定量的，这一点可从t-丁基峰的完全消失看出来。由于羧酸质子，PVDF-g-PMAA的谱图也在12.6ppm处有一个共振。PVDF-g-PtBMA和PVDF-g-PMAA的组成均可由它们的NMR谱图计算出来。在这两种情况下，通过对纯氘化DMF进行NMR分析，得到了溶剂共振s3相对于溶剂峰s1的已知强度，并将溶剂共振s3减去。PVDF-g-PtBMA之中tBMA的摩尔分数可以根据图8b按下式计算出来：,XtBMA=Ib9Ib9+12(Ia(ht)+Ia(hh))---(5)]]>其中Ix为图8中共振x的强度。类似地，PVDF-g-PMAA之中MAA的摩尔分数可以根据图8c按下式计算出来：XMAAt=IeIe+12(Ia(ht)+Ia(hh))---(6)]]>
计算出的数值分别为，XTbma＝0.403，XMAA＝0.438。这两个值符合的很好，这充分表明：水解反应是有选择性的，是定量的，并且共聚物水解后的大部分甲基丙烯酸单元是质子化的。表1中报道的PVDF-g-PMMA的组成，是将上述的两个摩尔分数进行平均而得到的。
分子量在30℃下，使用PMMA标准物，在含有1％硝酸锂的DMF中，对PVDF-g-PMAA进行GPC。PVDF和PVDF-g-PMAA的GPC结果表示在图9中，可以看出，接枝反应使得分子量显著增加。与PVDF-g-POEM不同，PVDF-g-PMAA的分子量分布是单峰的，这表明均聚和自由基-自由基耦联反应均未发生。与上述的PVDF-g-POEM相似，PVDF-g-PMAA的数量平均分子量的更准确的估计值，是根据NMR数据由一个与方程式3相似的方程式得到的。这样计算出的分子量列于表1中。
热分析按照上述的对PVDF-g-POEMb进行操作的方法，对PVDF-g-PMAA进行DSC测量。纯的PVDF和PVDF-g-PMAA的DSC曲线示于图6中。PVDF-g-PMAA是半结晶的，与纯的PVDF相比，其熔点稍微有所下降。
cPE-g-POEM合成方案如上所述，在一个锥形瓶内，将cPE(5克)、POEM(50毫升)、CuCl(0.04克)和HMTA(0.23克)溶于NMP中。类似地，向反应器中吹入氩气，然后在90℃下反应24小时。在甲醇/石油醚混合物中连续进行沉淀，对聚合物进行回收和纯化。
鉴定cPE及其接枝共聚物在氘化DMF中通过1H NMR进行鉴定。cPE的1H NMR谱图中，在0.8-2.3ppm(C-CHx)区域出现了多个峰。POEM接枝到cPE上之后，在3.2-4.3ppm(O-CHx)区域出现了一些清晰的峰，这些峰与在PVC和PVDF的POEM接枝共聚物中观察到的峰完全相似。在按照纯氘化DMF的NMR谱图所得到的数据将溶剂峰减去之后，cPE-g-POEM之中的POEM的摩尔分数可以根据O-CHx和C-CHx共振的总强度之比粗略地估算出来。这样得到的组成的估算值列于表1中。
实施例2：薄膜涂层
材料氯化聚丙烯(cPP)(全同立构的，26wt％Cl)，聚砜(PSf)( Mn ca.26,000克/摩尔)，氧化锌(ZnO)以及氯甲基醚，购自阿尔德里西化学公司(Aldrich Chemical Co.)(Milwaukee，WI)。氯仿和氘化溶剂购自VWR.。(十三氟-1，1，2，2-四氢辛基)-1-二甲基氯代硅烷从格雷斯特公司(Gelest，Inc.)(Britol，PA)获得。细胞培养试剂购自吉布科(Gibco)。所有试剂均可直接使用。
额外接枝共聚物的合成cPP-g-POEM合成方案如上所述，在一个锥形瓶内，将cPP(5克)、PEOM(50毫升)、CuCl(0.04克)和HMTA(0.23克)溶于NMP中。类似地，向反应器中吹入氩气，然后在90℃下反应48小时。在甲醇/石油醚混合物中连续进行沉淀，对聚合物进行回收和纯化。
鉴定cPP及其接枝共聚物在氘代苯中通过1H NMR进行鉴定。cPP的1H NMR谱图中，在0.8-2.3ppm(C-CHx)区域和3.3-4.5(C-CHxCl)区域出现了多个峰。POEM接枝到cPP上之后，在3.2-4.3ppm(O-CHx)区域出现了一些清晰的峰，这些峰与在PVC和PVDF的POEM接枝共聚物中观察到的峰完全相似。对于cPP-g-POEM，POEM的摩尔分数可以根据O-CHx和C-CHx共振的总强度之比粗略地估算出来。这样得到的组成的估算值列于表1中。
PSf-g-POEM合成方案首先，将购得的含有氧亚苯基(oxyphenylene)重复单元的PSf改性，通过亲电置换引入侧基氯甲基。向ZnO(1.2克)的氯甲基甲醚(12克)溶液中，逐滴加入PSf(6克)的氯仿(40毫升)溶液。在40℃回流3-5小时后，通过在甲醇和水中连续沉淀对聚合物进行回收和纯化。如上所述，在一个锥形瓶内，将获得的聚合物PSf-CH2Cl(5克)、POEM(50毫升)、CuCl(0.04克)和HMTA(0.23克)溶于NMP中。类似地，向反应器中吹入氩气，然后在90℃下反应19小时。在甲醇/石油醚混合物中连续进行沉淀，对聚合物进行回收和纯化。
鉴定PSf、PSf-CH2Cl及PSf-g-POEM在氘代氯仿中通过1H NMR进行鉴定。PSf的1H NMR谱图中，在0.8-3.2ppm(C-CHx)区域和6.8-8.0(芳香族C-H)区域出现了多个峰。向PSf中加入氯后，在PSf-CH2Cl的1H NMR谱图中，产生了4.5(C-CHxCl)附近的峰。POEM接枝到PSf-CH2Cl上之后，在3.2-4.3ppm(O-CHx)区域出现了一些清晰的峰，这些峰与在PVC和PVDF的POEM接枝共聚物中观察到的峰完全相似。对于PSf-g-POEM，POEM的摩尔分数可以根据O-CHx和芳香族C-H共振的峰强度之比粗略地估算出来。这样得到的组成的估算值列于表1中。
薄膜的制备将PVC、PVDF、cPE、cPP、PSf及它们相应的POEM接枝衍生物分别溶于合适的溶剂中，得到含有重量百分比为2-3％的聚合物的溶液。同时，将PVC和PVC-g-POEM共溶，以制备含有5，10，20，40以及60wt％的PVC-g-POEM的聚合物混合物。使用的溶剂为THF(PVC和cPP及它们的共聚物)、甲苯(cPE及其共聚物)、氯仿(PSf及其共聚物)以及甲基乙基酮(80℃，PVDF及其共聚物)。在2000rpm下，将薄膜旋转涂敷在硅晶片(PVDF，PSf，cPE和cPP)或者玻璃包片(coverslips)(PVC)上。为了增强PVDF均聚物与氧化硅表面的附着性，有必要使用氟化氯代硅烷，(十三氟-1，1，2，2-四氢辛基)-1-二甲基氯代硅烷对基片进行表面修饰。30℃下，将基片浸没在氯代硅烷的2wt％的乙醇溶液中10分钟，然后在空气中于110℃下进行10分钟的固化，从而将氯代硅烷共价耦联在该表面上。将薄膜在真空中放置过夜，除去所有残余溶剂。将一部分基于PVC的薄膜浸没在去离子水(dW，Millipore Milli-Q，18.2MΩcm)中，在121℃下进行高压灭菌。这种处理意在模拟对一些PVC医疗器械进行的高压灭菌。
薄膜的特性接触角测量使用去离子水对薄膜进行前进和后退接触角的测量(先进表面技术公司(Advanced SurfaceTechnologies，Inc.)，VCA2000)。
X-光光电子分光镜(XPS)应用XPS测量薄膜近表面组成。XPS实施条件如下：表面科学仪器(Surface Science Instruments)SSX-100分光计(Mountain View，CA)，使用单色的Al Kαx-射线(hv＝1486.7eV)，其发射角度(takoff anlge)相对样品平面45度。首先应用结合能范围在0-1000eV的粗查光谱(survey spectra)，然后应用C 1s区域的高分辨率光谱。C 1s区域的峰拟合是通过线性地扣除背景，并且按照Gaussian-Lorentzina sum函数描述的C 1s各个组成的包络线来进行的，Gaussian-Lorentzina sum函数参见先前文章(Hester，J.F.；Banerjee，P.；Mayes，A.M.大分子(Macromolecules)1999，32，1643)。
静态蛋白吸附测量 为了研究由PVC和PVC-g-POEM所构成的混合物的蛋白质抗性，将基于PVC的薄膜浸没在含有牛血清清蛋白(BSA Fraction V，Sigma)的溶液当中。用磷酸盐缓冲液(0.01M PBS pH7.4)将薄膜冲洗1小时，然后室温下将其在含有10.0克/升BSA的PBS溶液中保温24小时，然后交替使用PBS以及去离子水冲洗三次，共5分钟。最后，样品在真空恒温箱中于室温下进行干燥。通过使用XPS检测BSA中含有的氮，来定量BSA的表面覆盖率。应用在结合能0-1000eV之间的粗查光谱，通过数字化的积分峰区域，并应用标准敏感系数得以确定近表面原子组成。
细胞培养实验 进行细胞附着试验以评估PVC/PVC-g-POEM混合物的生物相容性。在改性的Eagle培养基(MEM-α)中培养转染了野生型人表皮生长因子受体的NR6纤维原细胞(WTNR6)，其培养基中补充有7.5％的胎牛血清，L-谷氨酰胺，非必需氨基酸，丙酮酸钠，青霉素-四环素以及庆大霉素抗生素。对薄膜进行的细胞附着试验操作如下：将样品放置在聚苯乙烯组织培养皿中，在每一种聚合物表面，接种大约34,000个/平方厘米的细胞到1毫升含有血清的生长因子培养基中。样品在37℃下保温24小时，之后应用Zeiss Axiovert 100相差显微镜对细胞的粘附特性及其形态进行评定。
纯接枝共聚物的接触角测量 表1中列出了纯母体卤化聚合物及其POEM接枝共聚物的水接触角。列于表1中的所有接触角的标准方差小于2°。与对应的母体聚合物相比，纯接枝共聚物薄膜的前进和后退接触角都有相当大的减小。PVDF-g-POEMb尤其明显，其后退接触角接近0°。接枝共聚物接触角的显著滞后暗示，当这些材料与水接触的时候，在其表面发生了显著的重组(reorganization)。虽然接枝共聚物具有亲水性以及吸水性，但是没有一种是水溶性的。
基于PVC的混合物的接触角测量铸态(as-cast)条件和121℃高压灭菌6小时后的两种情况下，含有5-60wt％PVC-g-POEMb的基于PVC的混合薄膜呈光学清澈状态，这说明在这些混合物中不存在尺度大于可见光波长的相分离结构。表2中列出了分别含有0，5，10，20，40，60以及100wt％PVC-g-POEMb的铸态下基于PVC的薄膜的前进和后退水接触角。其中所有接触角的标准方差小于2°。添加接枝共聚物添加物很大程度地减小了前进和后退接触角。根据纯组分的接触角数据，可以利用Israelachvili和Gee方程(Israelachvili，J.N.；Gee，M.L.Langmuir1989,5,288)估算出铸态混合物的表面组成。方程如下：
(1+coSθeq)2＝φcopolymer(1+cosθeq，copolymer)2
(7)其中θeq是混合物平衡接触角，φx是组分x的近表面体积分数，θeq，x是纯组分x的平衡接触角。在所有情况下，θeq可以被看作是θadv和θrec的平均数。表2中列出了估算出的表面组成。方程7仅能够提供对于表面组成比较粗略的估计，特别是对于具有较大的接触角滞后的体系。然而，结果暗示在用PVC铸态旋转涂敷的混合物中会出现表面被PVC-g-POEM优先占据的现象，这是由于两种成分在THF溶液中的沉淀速度不同而造成的。
表2铸态PVC/PVC-g-POEMb薄膜的性质体积组成 接触角(°) 表观表面组成(wt％PVC-g-POEMb) θadv θrec (wt％)0 90.2 82.3 05 80.9 68.6 2010 74.0 57.2 3920 67.7 45.3 5940 61.3 38.0 7460 54.3 36.1 84100 42.6 32.4 100
根据方程(5)估算
基于PVC的混合物的抗蛋白吸附性 铸态基于PVC的薄膜暴露在BSA溶液中24小时，积分XPS光谱中如下的各峰：Cl 2p(201eV)，C 1s(285eV)，N 1s(399eV)和O 1s(531eV)，得到铸态基于PVC的薄膜近表面组成。图10中绘制了由BSA贡献的氮在薄膜近表面的浓度与混合物组成的函数关系图。当混合物含有少至10-20wt％的PVC-g-POEMb的时候，获得了可观的抗BSA吸附的性质。暴露在BSA溶液中的纯PVC-g-POEMb薄膜上则观测不到BSA的存在。
基于PVC的混合物的抗细胞性 NR6纤维原细胞在基于PVC的薄膜上培养24小时，其形态见图11。在所有的情况下，细胞与样品周围的用于组织培养的聚苯乙烯融合在一起，没有迹象表明其具有毒性。在纯铸态PVC表面培养的细胞(见图11a)发生了黏附，许多细胞已经扩散或者开始扩散(黑箭头标示)。在PVC-g-POEMb含量在10％(图11b)到100％(图11c)之间的铸态薄膜上培养的细胞，只有很少发生了黏附，并且在表面上发现的细胞呈圆形或者凝聚成块，这说明黏附较弱。因此，仅仅10％的接枝共聚物添加物就能导致PBC表面生物惰性的显著增强。
铸态PVC薄膜在水中于121℃下高压灭菌6小时(图11d)，在经过上述处理的薄膜表面上，细胞以很高的密度黏附并且发生很强的扩散，这说明附着作用很强。应用XPS分析铸态与高压灭菌后的纯PVC薄膜表面化学的差异，其结果也许可以解释为什么高压灭菌后细胞的吸附性显著增强。通过积分在XPS粗查光谱中C 1s，Cl 2p以及O 1s峰，得到了薄膜近表面原子组成信息，列于表3中。铸态薄膜中Cl/C的原子比例大约为0.5，这与PVC的化学计量学理论值相一致。高压灭菌导致了Cl/C比例的显著减小以及氧的大量出现。
表3铸态以及高压灭菌后纯PVC薄膜的近表面组成 近表面(原子％) C Cl O 原子比 Cl/C铸态PVC高压灭菌后PVC 66.27 33.73 69.10 20.93 9.97 0.51 0.30
XPS光谱C s1区域高分辨率扫描图谱在图12中显示。纯PVC的图谱(Fig.12a)与两个熟知的以285.90eV(CH2)和287.00eV(CHCl)为中心的等面积峰以及与少量烃污染物相对应的位于285.00eV的峰被拟合(±1ev)。高压灭菌后的PVC谱图(Fig.12b)在高结合能区段存在肩形区域，因此对其的拟和需要额外的峰。增加了位于289.24eV的峰的信息之后，便能够得到对上谱最佳的拟合结果，这个峰与羧酸的存在相对应；在高分辨率图谱中，～289.26eV被指认为羧酸对应的峰。以上结果与高压灭菌中PVC降解相一致，PVC的热降解将导致薄膜表面脱去氯化氢反应的发生和氧化基团的掺入。已知热、光子诱导以及辐射诱导导致的有氧情况下，PVC的降解将导致极性过氧羟基以及羧酸基团的产生，猜测这些基团能够促进细胞的黏附。
纤维原细胞对于含有10wt％PVC-g-POEMb的薄膜表现出较低的亲和力(Fig.12e)。在这些薄膜上，细胞呈现为圆形或者聚集成团。偶尔出现一个细胞在表面扩散(箭头处)。当高压灭菌的薄膜中接枝共聚物添加物的含量增加的时候，在表面上观察到的细胞密度下降，偶而发生的细胞扩散也被抑制，以至于在含有40％-100％的PVC-g-POEMb的薄膜表面上，没有观察到细胞的扩散(Fig.12f)。含有接枝共聚物添加物的PVC混合物在广泛发生氧化降解之后，保留了其很大一部分的生物惰性，这个现象非常明显，而这种降解是PVC医疗器械的日常灭菌过程中一个潜在的问题。
实施例3：膜
材料PVDF534K( Mw ca.534 000g/mol)、PVDF250K( Mn ca.107000g/mol， Mw ca.250 000g/mol)和聚砜(PSf)( Mn ca.26 000克/摩尔)，购自阿尔德里西化学公司(Aldrich Chemical Co.)(Milwaukee，WI)，所有试剂均可直接使用。
膜的制备 以含有聚合物、甘油以及N，N-二甲基乙酰胺(DMAc)的铸造液制备膜，铸造液的具体组分见表4。各溶液过滤并脱气后，通过有8密耳宽度(gate)的铸造栏浇铸在一级表面光学镜面上。然后将镜面浸没在90℃的去离子水浴中。当膜与镜面完全脱离后，将其从该水浴中取出，浸没在第二个20℃的去离子水水浴中过夜。最后，将膜在20℃空气中干燥。第I、II和III类的膜分别含有0，5和10wt％的PVDF-g-POEM。第IV和V类膜分别含有0和10wt％的PVDF-g-PMAA。
表4膜铸造液成分g/100g铸造液 PVDF534K PVDF250K PSf PVDF-g-POEM PVDF-g-PMAA PSf-g-POEM 甘油 DMAc I II III IV V VI VII 18.0 18.0 18.0 - - - - - - - 18.0 18.0 - - - - - - - 20.0 18.0 - 0.95 2.0 - - - - - - - - 2.0 - - - - - - - - 2.0 3.3 1.0 1.0 10.0 10.0 - - 78.7 80.1 79.0 72.0 70.0 80.0 80.0
膜的特性 对膜进行接触角测量、XPS分析以及静态蛋白吸附实验，方法如前面的薄膜涂层部分所述。
基于PVDF的混合膜的近表面组分 含有PVDF-g-POEM的膜。拟合XPS光谱的C 1s区域，得到分别含有5-10wt％PVDF-g-POEMa和PVDF-g-POEMb的膜以及纯PVDF-g-POEMb薄膜样品的近表面组分。从5％的DMAc溶液中蒸发铸造得到纯接枝共聚物薄膜，由于蒸发速度较慢，所以可以认为其表面组分表征了平衡组分。以285.0eV的烃的峰位为参照，限定(±1eV)各个表征组分的峰正中位置如下：C-COO，285.72eV；CH2(PVDF)，286.44eV；C-O，281.50eV；COO，289.03eV以及CF2，290.90eV。以上数值与利用高分辨率的仪器测量得到的纯PVDF、PMMA和PEO均聚物的数值相对应。根据化学计量要求，PVDF组分当中CH2和CF2的峰面积被限定为相等，同理甲基丙烯酸酯环境中C-COO和COO的峰面积也被限定。C-O与COO的峰面积之比被限定为18，即其化学计量比之值。对所有的膜来说，XPS分析都在其制备过程的沉淀步骤中面向水浴的一个面上进行。在膜分离时，也正是这个面与种液接触。
表5纯PVDF-g-POEMb和含有PVDF-g-POEM膜的
C 1s组分峰面积占总面积的百分比
CH2 C-O样品 HC C-COO (PVDF) (PEO) COO CF2膜，纯PVDF 3.77 - 48.12 - - 48.12膜，10wt％PVDF-g-POEMa 5.52 1.57 31.52 28.29 1.57 31.52膜，5wt％PVDF-g-POEMb 7.42 2.26 23.60 40.86 2.26 23.60膜，10wt％PVDF-g-POEMb 8.64 3.23 13.31 58.27 3.23 13.31膜，纯PVDF-g-POEMb 11.48 3.30 11.19 59.54 3.30 11.19
这些膜和纯PVDF-g-POEMb的成分峰面积百分比见表5。对分别含有0，5和10wt％PVDF-g-POEMb的膜的光谱谱图中C 1s区域进行拟合，结果见图13。POEM的近表面摩尔分数通过以下公式计算：XsPOEM=ACOOACOO+ACF2---(8)]]>
其中ACOO和分别是拟合后COO和CF2峰的峰面积。将近表面POEM含量转换成为重量百分数，和整体POEM含量一同列在表6中。显然，浸没沉淀法单步制膜过程中，PVDF中的两亲接枝共聚物发生了显著的表面偏析，这是由于两亲组分和水之间的界面能相对较低。因此，根据XPS分析，对于含有5和10wt％的PVDF-g-POEMb膜来说，接枝共聚物添加物是其大约60埃厚的近表面区域的主要成分，尽管接枝共聚物添加物是整个膜中的次要成分。
表6基于PVDF的膜的性质铸造液类型 膜的组成共聚物单体组成 (wt％)整体 表面 θadv，原始 浸润行为 I III II III V 纯PVDF 10wt％PVDF-g-POEMa 5wt％PVDF-g-POEMb 10wt％PVDF-g-POEMb 10wt％PVDF-g-PMAA 0 0 4.4 27 3.4 42 6.7 64 4.9 29 89.9±4.1 不浸润 76.5±3.7 部分浸润 60.4±2.3 浸润，147±83s 53.5±7.0 浸润，16±10s 75.6±1.0 部分浸润
定义为在水中浸没12小时之后原先干燥的膜变为部分透明； 当1微升的水滴滴在膜的表面，其接触角达到0°所需要的时间。
含有PVDF-g-PMAA的膜 将含有PVDF-g-PMAA的膜的XPS谱图中的C 1s区域用五个成分的峰进行拟合。以位于285.0eV的烃峰为参照，并根据先前确定的PVDF和PMAA均聚物的峰位，限定谱图中各个表征组分的峰正中位置(±1eV)如下：C-COOH，285.80eV；CH2(PVDF)，286.44eV；COOH，289.33eV；以及CF2，290.90eV。PVDF组分当中的CH2以及CF2的峰面积被限定为相等，同理C-COOH和COOH的峰面积比也被限定。图14为拟合后的C 1s包络线，其对象为样品(a)纯PVDF膜，(b)从DMAc当中蒸发铸造的纯PVDF-g-PMAA薄膜，和(c)10wt％PVDF-g-PMAA的整体组成的铸态膜。样品的成分峰面积百分比列于表7中。根据XPS拟合结果，PMAA的近表面摩尔分数通过以下公式计算，nsPMAA=AC‾OOHAC‾H2(PVDF)+AC‾OOH.---(9)]]>样品的整体和近表面组成参见图14。
表7纯PVDF-g-PMAA和含有PVDF-g-POEM膜的
C 1s成分峰面积占总面积的百分比 样品 HC C- CH2 COOH CF2 COOH (PVDF)纯PVDF-g-PMAA膜10wt％PVDF-g-PMAA膜 21.83 5.41 33.68 5.41 33.68 28.74 9.19 26.44 9.19 26.44
在纯梳状薄膜中，PMAA的近表面浓度明显低于由1H NMR测得的其总体浓度，该纯梳状薄膜是在与制备PVDF-g-POEM薄膜时相同的慢速条件下，采用蒸发铸造的方法得到的。此结果表明，PMAA是以长链形式接枝到PVDF表面的，而此种形式能够采取远离空气表面的取向形式，从而最大程度的暴露其低能量的氟化主链。铸态膜(c)的近表面组成显示，PVDF-g-PMAA在表面大量定位，并且PMAA在表面显著表达，以至于近表面的PMAA浓度是整体浓度的6倍多。
含有PSF-g-POEM的基于PSf混合膜的近表面组成 通过拟合其XPS光谱的C 1s区域，得到纯PSf膜和含有10wt％PSf-g-POEM的PSf膜的近表面组成。以在285.0eV的烃峰为参照，限定(±1Ev)谱图中成分峰的正中位置如下：芳族C，284.70eV；芳族C-SOO，285.31eV；C-COO，285.72eV；芳族C-O，286.34eV；CH2-O(PEO)，286.45eV；以及COO，289.03eV。这些数值与利用高分辨率仪器得到的纯PSf和PEO均聚物的各项数值相对应。根据化学计量要求，PSf组分当中的芳族C-SOO以及芳族C-O的峰面积被限定为相等，同理甲基丙烯酸酯环境中C-COO和COO的峰面积也被限定。
表8含有PSf-g-POEM膜的C 1s区域成分峰面积
占总面积的百分比
芳族 C- 芳族 CH3-O样品 芳族C HC C-SOO COO C-O (PEO) COO膜，纯PSf 73.08 11.54 7.69 - 7.69 - -膜，10wt％PSf-g-POEM 54.81 14.55 5.63 2.49 5.63 14.94 1.95
这些膜和纯PVDF-g-POEMb的组分峰面积百分比见表8。POEM的近表面摩尔分数通过以下公式计算，XsPOEM=APEO/2.96(APEO/2.96)+(AaromaticC-0/2)---(10)]]>其中ACOO和AaromaticC-O分别代表拟合后的COO以及芳族C-O的峰面积。混合膜的近表面POEM含量转换为重量百分比是59wt％，而POEM的整体含量是5wt％。显然，浸没沉淀法单步制膜过程中，在PSf中的两亲接枝共聚物发生了显著的表面偏析，这是由于两亲组分和水之间的界面能相对较低。因此，根据XPS分析，对于含有10wt％的PSf-g-POEM膜来说，接枝共聚物添加物是其大约60埃厚的膜近表面区域的主要成分，尽管接枝共聚物添加物是整个膜中的次要成分。
基于PVDF膜的浸润性 修饰有PVDF两亲接枝共聚物的PVDF膜浸润性提高。当一滴水滴在纯PVDF膜表面时，其呈现出较大的接触角，并且接触角几乎不随时间变化，直至水滴完全蒸发。相反，当一滴水滴在含有5-10％PVDF-g-POEMb膜上的时候，其首先呈现出中度的接触角(＞50°)，然后随着时间延长，接触角逐渐接近于零，最后将膜浸润。这种行为被定义为自发浸润。在此，将1微升去离子水滴在表面，测量起始阶段的前进接触角(θadv)，并测量接触角到达0°的时间，从而对膜的浸润性进行评估。这些数据在表6中给出。修饰有PVDF-g-POEMb的膜的这种延迟浸润的行为表明，当膜与水接触时，膜的表面发生了重排从而使POEM在与水接触的地方得到表达。
含有PVDF-g-POEMb的混合物制备得到的膜的浸润行为是最值得关注的。仅含有5wt％此种添加物的膜(相当于POEM整体浓度仅为3.4％)能够在2-3分钟的时段内自发浸润。如果PVDF-g-POEMb含量达到10wt％，完全浸湿所需要的时间缩短到几秒钟。含有10wt％的PVDF-g-POEMa(其POEM含量低于PVDF-g-POEMb)或PVDF-g-PMAA的膜不发生自发润湿。但是，当这些膜浸没在水中几个小时之后，膜的某些部分呈透明状，这说明发生了部分浸润。纯的PVDF膜没有这种行为。将这个发现与先前得到的含有梳状添加物P(MMA-r-POEM)的结果(Hester，J.F.；Banerjee P.；Mayes，A.M.大分子(Macromolecules)1999，32，1643)相比较，会得到比较有趣的结果。此种添加物含有50wt％的POEM(大于PVDF-g-POEMa)，并且此种膜的制作工序与本文介绍的相似。虽然含有P(MMA-r-POEM)PVDF的PVDF膜充分显现出抗结垢能力，但是它们并未展现出自发的或者是“部分”浸润的行为。
含有PVDP-g-POEM的膜的蛋白质吸附抗性POEM在膜表面的存在导致对蛋白吸附的显著抗性。将膜暴露在BSA溶液中24小时，积分在XPS粗查光谱中的各个峰：C 1s(285eV)，N 1s(399eV)，O 1s(531eV)和F 1s(685eV)，从而得到膜的近表面氮含量。图10中绘制了由吸附的氮在薄膜近表面的浓度与整体混合物组成的函数关系图。与具有相同接枝共聚物含量的PVC/PVC-g-POEMb混合物相比(见上)，含有PVC-g-POEMb的PVDF膜的蛋白质抗性显著增强。这很可能是因为在制膜工序中发生的程度较高的PVDF-g-POEMb的表面偏析。事实上，仅仅整体含量为5wt％的接枝共聚物就可以使得蛋白吸附发生显著的减小。
含有PVDP-g-PMAA的膜pH依赖滤过性 利用浸没沉淀法制备膜的过程中将孔径大小控制在埃的量级是非常困难的。更糟的是，由于结垢和孔紧缩问题的存在，操作过程中，膜的分离特性总是随时间改变。因此，目前聚合物膜在应用中，例如在大分子(例如蛋白质)的分离方面，并不十分有效。有鉴于此，目前的工作开创了一条前景诱人的新道路，此道路将致力于环境响应膜(environmentally responsive，ER)的开发。这种所谓的“智慧的”膜能够对环境的刺激做出响应，从而调控自身的孔径大小。因此，对于蛋白质分离来说，我们可以想象ER膜具有和反馈回路相同的性质，它可以连续测量透过溶质的大小，还能够对一些种液进行调节，这些都归功于它能够保持特定的分离特性。
研究最多的ER膜是通过将弱多聚酸链通过表面接枝聚合反应连到支持膜上而制备的(例如，Ito，等人，美国化学会志(Journal of the American Chemical Society)1997 119，1619-1623)。这种方法中常用的单体包括丙烯酸和甲基丙烯酸。在接枝链上的弱酸基团通过解离一个质子而带有负电荷，
HA＝A-+H+ (10)
并且，解离程度比较敏感地依赖于局部pH值以及离子强度。在较高的pH下，解离程度较高，相邻同种电荷之间的相互排斥使链形成一种伸展的构象，从而使膜孔关闭。在较低的pH下，链基本上变为中性，呈现出更加卷曲的(collapsed)构象，从而使孔张开。因此，该链充当了一种机械化学“孔径阀门”，通过它可以调控分离特性以及跨膜流量，这种调控仅仅需要对种液的pH值和离子强度进行调节。这种作用完全可逆而且非常显著——“开”和“关”两种状态下的跨膜离子流差异达到一个数量级。ER膜的这种对于pH值以及葡萄糖浓度敏感的特性可以被用来评价药物输送胶囊(delivery capsules)，这种胶囊可以根据环境刺激在适当的时候释放药物。一些具有可以在光及热诱导下发生构象变化的接枝链的膜也已经被制备出来。
利用滤过测量评估含有PVDF-g-PMAA的膜的透过性的pH依赖性。实验前，膜在121℃水中高压灭菌1小时。此步骤的目的是消除在流体穿过铸态纯PVDF膜时的不可逆的pH依赖性。这种行为可能是不定型的PVDF的pH依赖的膨胀造成的。121℃(＞0.7·Tm)下对于膜的热处理能够促进PVDF膜的结晶从而使其在凝结的时候无法进入不定型状态。一个直径25-mm的圆形膜被放置在Amicon 8010转盲端UF单元中(Millipore)，此单元的有效滤过面积为4.1cm2。利用不锈钢压力分配容器(Millipor)将种液传送到该单元中，其中压力是由氮气气缸提供的。为了模拟真实滤过操作时的流量情况，在膜的上方放置一个搅拌棒，并与可调速搅拌平板(VWR)连用，从而提供与膜平面平行的匀速和可测的液体流速。膜在放入该单元前，用甲醇预润湿，然后在蒸馏水中浸泡30分钟。
将预装缓冲液盐成分(HydrionTM，Aldrich)溶解于去离子水中，得到缓冲范围在pH 2-8的缓冲溶液。将膜放置在UF格中，在高致密化压力Pc下利用滤过pH 8的缓冲液60分钟，将膜预致密化，然后在测量压Pm压力下滤过pH 8的缓冲液30分钟。Pc和Pm的值列于表9当中，不同的膜的类型对应不同的值。
表9 pH值响应试验中致密化和测量压力
膜 Pc(psig) Pm(psig)
纯PVDF 70 50
10wt％PVDF-g-PMAA 20 5
在预致密化之后，清空压力容器，这样氮气可以直达UF格。连续的清空格子并注入不同pH值的缓冲液，在Pm压力下按重量测量每种溶液的通量。每次测量包括1分钟的平衡时间，然后是测量第二个1分钟内的重量通量。为了评估对于pH值响应的可逆性，对通过膜的通量进行测量，先测量pH为8的溶液，然后测量pH为2的溶液，此过程循环10次。之后通过进行pH从2到8的连续测量，对通过膜的通量对pH的依赖性进行测量，间隔为一个pH单位。所有的致密化和滤过步骤都在20C、搅拌速度为500rpm下进行。
图15曲线显示表面聚集有PVDF-g-PMAA的高压灭菌膜的缓冲溶液的膜通量对于pH值的依赖性。数据中关于混合物的点取自三种不同的膜的混合物的平均值。自组织膜呈现出超过一个数量级的通量差异，从在pH 2下的506.5L/m2h到pH 8下的29.0L/m2h。高压灭菌过的纯PVDF膜在不同的pH值下呈现出极小的通量差异。图15当中的实线与下面的对称方程拟合得很好，J=C-D[Bx-A-B-(x-A)Bx-A+B-(x-A)]---(12)]]>
其中x是种液的pH值，A，B，C和D是拟合系数。拟合的目的不仅仅是为数据寻求一种特定的方程形式，而是通过得到在曲线折点的pH值(参数A)估计出表观pKa。位于pH～4.7的折点的位置，与其他一些研究人员从被PMAA表面接枝聚合修饰的膜中所得到的结果相当。
图16显示这些能够自组织的、环境敏感的膜的通量响应，实验条件是在40分钟的时间内将种液的pH值在pH 8和pH 2之间变化。同样，这些关于混合物的数据是三种不同的膜的平均值。首先进行1到2个平衡循环，在平衡循环中膜表面可能发生重组，将接枝共聚物添加物的PMAA侧链表达出来。这样之后，通量响应在这段时间将完全可逆。每半个循环包括1分钟的过滤平衡阶段，然后是第二个1分钟的通量测量阶段。虽然没有进行对于通量响应速度的定量的评估，但是能够观察到在转换滤过缓冲液后通量在几秒钟内发生实质性的改变。
这个实施例说明了如何利用PVDF-g-PMAA作为混合物成分制作PVDF膜，其中接枝共聚物能够不通过额外的工序使膜具有环境响应的分离特性。
对于本领域的熟练技术人员来说，他们可以很容易地意识到这里列出的一些参数只是示意性的，真正操作过程中的参数决定于本发明的方法和装置的具体应用。因此，应当明白，上述的实施例仅仅是示例性的，在所附的权利要求及其等同对象的范围内，本发明可以按照与所述的具体方法不同的方式加以实施。