高分子材料具有结构独特、易改性、易加工等特性，在科学技术、国防建设和国民经济等领域发挥着重要作用，已成为现代社会生活中不可或缺的材料[1]。两性离子聚合物具有独特的链结构，其分子链中同时含有阴离子基团和阳离子基团，且正负电荷总数相等，使其具有出色的化学性能、热稳定性和水化性能，且具有“反聚电解质效应溶液行为”[2]，近年来，在两性离子聚合物链内引入－OH、－COOH、－SO3H等亲水基团，使其具有抗蛋白污染性质、抗细菌粘附性，因此被广泛应用于生物医药、石油工业、污水处理和织物印染等领域。两性离子聚合物作为一种潜在的生物材料系统[3]，可用于设计通用材料与生物环境之间的防污界面。研究表明，两性离子聚合物体系对人体蛋白质、血细胞、组织细胞、一般细菌、海洋贝类等生物成分能够表现出优异的抗吸附、抗凝、抗粘附和抗附着功能，两性离子聚合物在生物惰性材料、生物医疗器械、膜生物分离、医用支架、药物输送载体等领域具有重要的应用价值。迄今为止，大量新型的、功能化的两性离子聚合物被合成，并广泛应用于各个领域[4]。本文将重点介绍两性离子聚合物的分类和制备方法及其在海洋防污、药物递送、膜分离技术等方面的应用。1两性离子聚合物及涂层制备方法1.1两性离子聚合物的分类及其防污特性两性离子聚合物是一类具有相同数量阳离子和阴离子官能团、整体呈电中性的材料[5]。两性离子聚合物能够通过与水分子之间形成超强水化层抑制蛋白质等污染物的表面吸附，因此具有突出的防污特性。目前得到广泛研究的两性离子材料主要包括两类：一类是在同一单体单元上同时带有阳离子和阴离子基团的甜菜碱；另一类是共聚的两性聚电解质，两个不同的单体单元上带相同数量的正电荷和负电荷基团[6]。本文重点介绍同时带有阴阳离子的甜菜碱类两性离子。常见阳离子组分为季铵盐阳离子，常见的阴离子组分主要为：磺酸根负离子、羧酸根负离子、磷酸根负离子。季铵盐阳离子与不同类型的阴离子组合得到磺酸甜菜碱(SB)、羧酸甜菜碱(CB)和磷酰胆碱(PC)(图1)[7]。SB、CB、PC等3种常见的两性离子基团各有其独特的性质。10.14028/j.cnki.1003-3726.2024.23.283.F001图1具有代表性的两性离子基团Figure 1Representative zwitterionic groups(1)磺基甜菜碱型(SB)第一个合成的聚磺基甜菜碱(PSB)可以追溯到20世纪50年代，Hart和Timmerman[8]报道了聚(4-乙烯基吡啶-N-丁基磺基甜菜碱)的合成。由于其仿生性质、超低污染特性、热稳定性和商业可靠性，PSB被广泛用于多种防污材料。目前最常研究的是甲基丙烯酸磺基甜菜碱(sulbetaine methacrylate, SBMA)。SB基团的水化层能够保留较多数量的水分子，其与离子间的相互作用和阳离子类型无关，并且具有一定程度的自缔合行为。其部分自缔合可以通过改变两性离子的化学和拓扑结构来调节聚合物的性质[9]，并且部分自缔合现象可用于制备物理交联的水凝胶[10]，以及通过“锁定”机制[11,12]增强弱水凝胶。与其他甜菜碱聚合物不同，PSB表现出明显更高的偶极矩，导致在水溶液中产生强烈的分子间和分子内偶极相互作用，进一步导致聚合物链的可逆自缔合[13,14]。可逆分子间缔合为材料在损伤后自我修复提供了物理机制[15,16]，将PSB与其他各种成分混合可以制备出具有自修复特性的水凝胶。(2)羧基甜菜碱型(CB)Ladenheim和Morawetz[17]于1957年合成了第一个聚羧基甜菜碱(PCB, polycarboxybetaine)——聚(4-乙烯基吡啶甜菜碱)。目前最常见的PCB是由带有羧基的季铵构成，结构与甘氨酸甜菜碱相仿，甘氨酸甜菜碱作为一种广泛的渗透保护剂，存在于生物系统中。PCB制成的表面涂层或水凝胶在复杂介质中表现出优异的抗污行为，可以有效抑制许多界面生物反应，包括细菌/细胞附着、异物反应、干细胞分化等。PCB可通过羧基的酯化或酰胺化实现进一步功能化，为功能材料的设计提供更多可能性。羧酸盐功能化的PCB衍生物也可以通过CB酯单体合成，这些PCB酯水解后使电荷由正变为中性[18]。该材料以酯的形式存在时，通过静电相互作用与带负电的生物大分子相互作用；水解后变成两性离子并通过水合效应排斥吸附的分子。这种特性已被用来开发pH或光响应材料[19]，可用于抗菌和基因传递(实现基因载货的触发释放)。此外，将叔胺与羧酸酯偶联可以制造疏水性前体，通过简单的水解按需生成两性离子表面[20]，从而实现无需表面涂层的独立防污弹性体。(3)磷酰胆碱型(PC)2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱(2-methacryloyloxyethylphosphorylcholine, MPC)是最经典的PC型两性离子单体，其聚合可得到聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱)(PMPC)。PMPC的合成由Kadoma等[21]于20世纪70年代末报道，旨在模拟细胞膜的结构脂质——磷酰胆碱。PC基团是磷脂分子的重要组成部分，而后者又是生物膜的主要组分。含有PC基团的两性离子聚合物具有与磷脂分子类似的性质，可作为仿生物膜高分子材料。经过近半个世纪的发展，PMPC已实现工业化，并在化妆品和医疗领域得到应用。PMPC最广泛的应用形式是具有疏水成分的共聚物体系，该体系在2000年就已获得监管机构批准，并用于许多医疗器械上。此外，市场上还有PMPC移植人工关节和PMPC基隐形眼镜[22]。1.2两性离子聚合物制备方法两性离子聚合物大多数采用自由基聚合来合成，其合成路线主要有两种：一是将一种或几种单体进行聚合后直接得到产物(直接合成法)，另一种是将简单的单体聚合后再进行功能化改性(间接合成法)。(1)直接合成法直接合成法中使用的两性离子单体一般通过含有叔胺基团的单体与小分子的反应获得，再通过两性离子单体的自由基聚合来制备得到聚合物。该方法适用于多种官能团以及少量水，对于本身具有一定吸湿性的两性离子单体而言是较为合适的一种聚合方法。近年来，活性可控自由基聚合法(controlled/living radical polymerization, CRP)被广泛应用于两性离子聚合物的合成，如原子转移自由基聚合法(atom transfer radical poly-merization, ATRP)[23]和可逆加成-断裂链转移自由基聚合法(reversible addition-fragmentation chain transfer polymerization, RAFT)等[24]。值得注意的是，该方法主要适用于烯烃类的两性离子聚合物单体。直接合成法能保证聚合物所有单体的侧链上均含有两性离子基团，但聚合物的表征较为困难。Bowman等[25]通过可逆加成断裂链转移(RAFT)聚合，将甲基丙烯酸二甲氨乙酯与N,N-二甲基丙烯酰胺共聚(图2)，得到了数均分子量Mn为5 kDa的聚合物。10.14028/j.cnki.1003-3726.2024.23.283.F002图2RAFT法合成分子量可控的聚合物Figure 2Synthesis of polymers with controllable molecular weight by RAFT method龚伟等[26]利用ATRP法合成了多巴胺端基修饰的两性离子聚合物DOPA-PSBMA (图3a)(DOPA, dopamine, 多巴胺)，接枝密度较高，聚合物层厚度可控，所得聚合物性能更加优异。Liang等[27]利用叔丁基二甲基氯硅烷将盐酸多巴胺的羟基进行保护，再利用电子转移活化再生催化剂原子转移自由基聚合法(electronic transfer activate regeneration atom transfer radical polymerization, ARGET-ATRP)，将其与甲基丙烯酸磺基甜菜碱引发聚合，最后使用四丁基氟化铵脱去保护基团得到最终聚合物(图3b)。与ATRP法相比，ARGET-ATRP法更加简捷，不需要提前进行除氧，使用微量催化剂与过量还原剂即可，将催化剂量降低到ppm级，简化或消除了催化剂的后处理工艺，且对聚合过程的可控性不产生影响。10.14028/j.cnki.1003-3726.2024.23.283.F003图3(a) ATRP法与(b) ARGET-ATRP法制备两性离子聚合物[27] (2019 Elsevier B.V.版权许可)Figure 3Preparation of zwitterionic polymers by ATRP method and by ARGET-ATRP method (Reprinted with permission from Ref. [27]; Copyright 2019 Elsevier B.V.)(2)间接合成法间接合成法是先将侧链带有叔胺基团的单体进行聚合形成前体聚合物，再利用叔胺基团与不同小分子化合物间的反应引入两性离子基团[28]。优势在于前体聚合物的制备较易，聚合过程可控且聚合物表征较为方便。但邻基效应可能会影响后续两性离子化反应的动力学，且两性离子的功能化率很难达到100%[29]。以SB型两性离子为例，SB型两性离子基团的引入主要通过两种方法实现，一种是通过叔胺与烷基磺酸内酯发生开环反应，常用的磺酸内酯为1,3-丙磺酸内酯或1,4-丁磺酸内酯，另一种是叔胺与卤代烷基磺酸盐发生取代反应，具体反应机理如图4所示。10.14028/j.cnki.1003-3726.2024.23.283.F004图4间接合成法制备两性离子聚合物Figure 4Typical indirect synthetic routes for zwitterionic polymersYang等[30]在RO膜上合成了交联的聚(甲基丙烯酸二甲氨乙酯-co-乙二醇二甲基丙烯酸酯)薄膜，然后聚甲基丙烯酸二甲氨乙酯嵌段与1,3-丙磺酸酯置于60托、80 ℃的真空烘箱中反应形成两性离子结构(图5a)；Anthony等[31]在氩气氛围下将N-甲基二烯丙基胺和1,3-丙磺酸内酯以摩尔比1:1.1溶解在二氯甲烷中，40 ℃搅拌48 h，进一步离心、洗涤、干燥后得到最终产物二烯丙基封端的磺基甜菜碱(图5b)。这两个反应都是通过叔胺与烷基磺酸内酯发生开环反应进而引入两性离子。对于叔胺与卤代烷基磺酸盐发生取代反应，田静怡[32]以3-氯-2-羟丙基磺酸钠为磺化剂与叔胺反应，反应过程中缓慢滴加NaOH水溶液，控制反应体系的pH保持在8左右，反应完成后减压蒸留提纯，得到羟丙基磺基甜菜碱(图5c)。相比之下，在具体应用中第一种方法使用较多。10.14028/j.cnki.1003-3726.2024.23.283.F005图5叔胺和烷基磺酸内酯开环反应：(a)将2-(二甲氨基)乙基甲基丙烯酸酯两性离子化[30] (2011 American Chemical Society版权许可)和(b)合成二烯丙基封端的磺基甜菜碱[31] (2022 American Chemical Society版权许可)，(c)叔胺与卤代烷基磺酸盐发生取代反应制备羟丙基磺基甜菜碱Figure 5(a) Zwitterionization of 2-(dimethylamino) ethyl methacrylate (Reprinted with permission from Ref. [30]; Copyright 2011 American Chemical Society) and (b) synthesis of diallyl-terminated sulfobetain by ring-opening reaction with tertiary amine and alkyl sulfonolactone (Reprinted with permission from Ref. [31]; Copyright 2022 American Chemical Society), (c) preparation of hydroxypropyl sulfobetaine by substitution reaction between tertiary amine and haloalkyl sulfonate1.3两性离子聚合物涂层制备方法利用物理的、化学的或者其他方法，在基体表面形成具有一定厚度、不同于基体材料且具有一定的强化、防护或特殊功能的覆盖层，即为涂层。两性离子聚合物涂层的制备方法主要包括表面接枝法、溶胶-凝胶法、原位生成法、表面自组装等。(1)表面接枝法将两性离子固定到材料表面最常见的方法是表面接枝法。表面接枝是表面改性的一种手段，是指通过化学反应在膜表面引入表面改性基团，为膜带来特定的功能性，可分为“grafting to”和“grafting from”两种。“grafting to”是将预先形成的具有活性末端的聚合物链连接到带有活性基团的基材表面。Zhu等[33]通过简单的表面接枝反应制备磺基甜菜碱ZNG-g-PVDF膜，为了引入用于表面接枝的表面锚定位点，首先将 聚偏二氟乙烯(poly(vinylidene difluoride), PVDF)膜浸入碱溶液中进行碱处理，在PVDF膜表面形成活性基团，例如羟基和C＝C双键，再通过丙烯酸的自由基诱导表面聚合，形成足够的羧基，发生酰胺反应将磺基甜菜碱纳米水凝胶结合在膜表面上(图6a)。聚合物在表面改性之前已经预先制备，更好地控制其组成、构型或链长，可以控制用于表面改性的亲水性聚合物结构，但是大都需要另外引入活化基团，使得过程复杂，且膜表面改性密度低。10.14028/j.cnki.1003-3726.2024.23.283.F006图6采用(a) “grafting to”[33] (2018 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim版权许可)和(b) “grafting from”[34]进行表面接枝Figure 6Surface grafting by (a) “grafting to” (Reprinted with permission from Ref. [33]; Copyright 2018 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim) and (b) “grafting from”[34]“grafting from”是利用特定表面自由基引发聚合手段，事先将引发剂固定到基底表面，而后单体直接从表面引发聚合形成亲水性聚合物大分子。表面诱导原子转移自由基聚合(SI-ATRP)和表面诱导可逆加成-断裂链转移(SI-RAFT)聚合是常见的接枝方法。该方法可以提高改性剂在改性表面密度，但是接枝过程和机理比较复杂，难以修饰多用途基体、复杂的几何形状和大规模生物材料表面，最终得到的改性表面难以表征。Baker等[34,35]通过含有活性马来酰亚胺化合物的引发剂单元与蛋白质表面的氨基的偶联反应，将带正电荷的ATRP引发剂化学附着在模型蛋白溶菌酶上，用于以增加两性离子CBMA (carboxybetaine methacrylate, 3-[[2-(甲基丙烯酰氧)乙基]二甲基铵]丙酸酯)聚合物生长长度，最后通过SI-ARGET-ATRP反应将BMA刷在接枝到蛋白质表面，合成了具有高接枝密度和不同聚合物链长度的溶菌酶-聚合物偶联物(图6b)。接枝法有效改进了传统涂覆改性涂层不稳定的问题，两性离子单体可以通过物理、化学法接枝在表面上。“grafting from”法需要首先将引发剂锚定在固体表面上，然后单体在溶液中聚合，其优点是具有高聚合物接枝密度和稳定性；而在“grafting to”方法中，事先合成的两性离子聚合物通过物理相互作用或化学键固定在固体表面上。与“grafting from”相比，“grafting to”法在改性过程中更简单，反应环境不需要太苛刻。它是一种更经济的表面改性方法，但表面接枝密度和接枝层的均匀性难以控制。(2)溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法主要包括浸渍法(dip-coating)和旋涂法(spin-coating)两种[36]。浸渍法又称提升法，它是将基片浸渍在溶胶中，再以恒定的速度从溶胶中提升出来，从而在基片表面上形成膜。浸渍法涂膜操作简单快捷，基片两面可以同时镀膜，但均匀性难以控制。旋涂法又称甩胶法、离心法，是将基片固定在旋转的圆盘上，再将镀膜液倒在基片上，由于旋转扩展形成均匀的液膜，所得膜较为均匀，但不适合大面积成膜。(3)原位合成法原位合成工艺是在一定条件下，通过元素和元素之间的物理化学反应(置换反应、氧化还原反应、相变、化合和分解反应等)，在基体表面原位形成一种或多种高强度、高硬度的增强颗粒从而起到强化基体的作用，避免了与基体相容性不良的问题，且界面结合强度高，不易出现增强相的团聚或偏析，生成颗粒细小。原位合成生产工艺简单、成本低，在保证材料具有较好的韧性和高温性能的同时，可较大幅度地提高材料的强度和弹性模量。Wang等[37]合成了具有自催化性能的两性离子前体，即有机烷氧基硅烷前体(N-甲氧基酰基乙基)-3-氨丙基三乙氧基硅烷，它能够在碱性或中性环境中自催化水解原位生成两性离子结构。该方法使得膜的制备更加简捷，且界面之间的结合强度较高(图7)。10.14028/j.cnki.1003-3726.2024.23.283.F007图7PDMS-xTMAP涂层在周围环境下原位生成的两性离子基团[37] (2021 Elsevier B.V.版权许可);Figure 7The zwitterionic groups generated in situ by PDMS-xTMAP coating under ambient environment (Reprinted with permission from Ref. [37]; Copyright 2021 Elsevier B.V.)(4)表面自组装表面自组装技术是通过溶液中目标化合物与基片表面功能基团的强相互作用(如化学键等)或弱相互作用(如静电引力、氢键、配位键等)，驱使目标化合物自发地在基体上缔合形成结构完整、性能稳定、具有某种特定功能薄膜[38]。目前主要包括单层自组装和层层自组装，其中层层自组装可对组装单元进行修饰改性，进而达到在分子水平上对表面材料的性质进行调控。利用组装单元特殊的环境响应特性，组装后多层膜中分子之间的相互作用根据周围环境刺激(如湿度、温度、酸碱度、电场等)进行调节，进而引发分子的迁移和重排，获得具有特定表面微结构图案，形成智能表面材料。Vaterrodt等[39]在制备涂层时，为得到使用时间更长的涂层材料，采用层层自组装进行表面改性。将表面带正电荷的3-氨丙基三乙氧基 (3-aminopropyl triethoxysilane, APTS)官能化基底浸入聚苯乙烯磺酸钠(poly(styrenesulfonate), PSS)溶液中10 min，然后用蒸馏水洗涤两次，每次5 min。然后将PSS涂布的基材浸入带相反电荷的聚电解质溶液中(pH=6)，持续10 min，随后用蒸馏水洗涤两次，每次5 min，以除去表面非粘附的聚电解质。阳离子或阴离子聚电解质的这种交替沉积重复三次，直到获得稳定的层状体系(图8)。使用该方法合成的涂层稳定性和抗菌性均得到了提升，且可以减少使用过程中生物膜的形成。10.14028/j.cnki.1003-3726.2024.23.283.F008图8具有不同聚合物构建块的APTS预改性硅(晶圆)或硅胶(PDMS)表面上逐层组装的示意图[39] (2016 American Chemical Society版权许可)Figure 8Schematic representation of layer-by-layer assembly on APTS premodified silicon (wafer) or silicone (PDMS) surfaces with different polymeric building blocks (Reprinted with permission from Ref. [39]; Copyright 2016 American Chemical Society)除了这些常规方法之外，近些年来利用多巴胺进行辅助沉积的方法开始出现。与贻贝有着很相似的黏附现象，聚多巴胺(PDA，polydopamine)可以轻松地沉积在几乎所有类型的基材上，包括疏水性材料表面，且PDA上的活性位点可进行二次官能化反应，用于制备多种类型的附加涂层，例如在碱性环境下通过迈克尔加成反应或席夫碱反应接枝大分子聚合物。Chang等[40]通过PDA与PMPC在碱性条件下同时沉积，来修饰疏水表面，为其提供亲水性和水下超疏油性涂层，该方法将原本复杂的涂覆过程简化至一步即可实现(图9)。Xu等[41]也借助邻苯二酚的粘附性做了相关研究，利用CuSO4和H2O2引发PDA和PSBMA在PU管表面共沉积，所得涂层具有良好的抗菌能力。多巴胺辅助沉积法是一种简便、快速的表面功能性修饰方法，可以将带有氨基、巯基等基团的分子一步固定在各种类型的材料表面，形成牢固、稳定的功能性聚多巴胺复合涂层[42]。尽管目前人们对多巴胺在基材上的沉积机理持有不同观点，但在生物医学领域方面已被人们广泛应用，例如用于生物成像、药物/基因传递、抗凝血和抗菌材料等[43]。10.14028/j.cnki.1003-3726.2024.23.283.F009图9PDA和poly(MPC)共沉积涂层的示意图[40] (2016 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim版权许可)Figure 9Schematic illustration of PDA and poly(MPC) co-deposition coating (Reprinted with permission from Ref. [40]; Copyright 2016 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)2两性离子聚合物涂层的应用2.1海洋防污微生物、植物、动物可聚集并附着于水下物体表面形成海洋生物污损，海洋生物污垢对海洋活动产生不利影响。利用两性离子对表面进行改性，其超强的亲水性能使其在材料表面形成紧密结合的水化层，从而有效阻碍蛋白质等生物分子的吸附。两性离子功能化表面能够有效排斥海洋微生物和宏观生物污垢，如细菌、硅藻、藻类、藤壶和贻贝等。目前使用较多的是含有电荷平衡的磺基甜菜碱和羧基甜菜碱基团的两性离子材料。Jiang等[44]利用表面引发ATRP将羧基甜菜碱聚合物刷接枝到PDMS表面，涂层表现出良好的防污性能，但进行表面接枝的制备过程复杂、反应条件苛刻。Zhang等[45]使用ATRP法将PSBMA刷接枝到玻璃表面，表现出显著的抗硅藻沉降能力。Webster等[46]制备了一系列聚(磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯)三嵌段共聚物，并将其掺入PDMS聚氨酯涂料中。这些涂料对细菌和硅藻表现出良好的防污效率，但随时间的推移，防污组分逐渐降低，其防污性能可能会下降。Ulbricht等[47]将SB两性离子聚合物引入PDMS基质中，形成互穿聚合物网络，表现出对蛋白质的低吸附性；还采用逐层组装的方法，用两性离子聚合物对有机硅弹性体进行改性，以减少生物膜的形成[39]。但两性离子增加了有机硅的亲水性，影响了涂层的溶胀比和模量，从而削弱了防污能力。同时，随着表面响应材料的不断发展，本课题组[48]此前通过ATRP法合成了具有温度响应性的两性离子三嵌段共聚物聚乙二醇-聚[2-(甲基丙烯酰氧基)乙基]磺酸基甜菜碱-聚甲基丙烯酸二甲氨基乙酯(MPEG-b-PSBMA-b-PDMAEMA)，该聚合物具有抑制非特异性蛋白质吸附的特性，表现出优异的防污性能。与羧基甜菜碱相比，磺基甜菜碱单体更容易合成和处理，SB基团之间的链内与链间的相互作用更强，结合的水分子数量比CB基团更多，且受pH影响较小。针对用于海洋环境的防污材料，还必须研究它们在高盐浓度溶液中的性能。Chen等[49]分析研究了三甲胺N-氧化物聚合物刷的表面水合作用以及盐和蛋白质对这种表面水合作用的影响。结果显示，即使暴露于高浓度盐溶液，表面水化依旧保持良好，且可以有效抵抗盐类和蛋白质引起的破坏，有望作为一种出色的防污材料用于海洋防污中的高盐环境。除了被动防污之外，两性离子涂料中还可以通过加入杀菌活性成分以增强其防污性能。Zhang等[50]利用Bi5O7I与两性离子氟化聚合物来发挥水合和光催化的协同作用(图10a)。一方面，两性离子聚合物水合形成屏蔽层以抵抗细菌和藻类的附着；另一方面，光照射激发Bi5O7I产生－OH和－O2-等活性氧，使细菌和藻类中的DNA和蛋白质受损而死亡。2021年，他们开发了一种“杀灭-抑制-更新”的方法(图10b)，用于生物污垢排斥的涂层实现动态防污[51]，合成了带有N-(2,4,6-三氯苯基)马来酰亚胺基团的两性离子CB-酯，攻击性TCPM片段可以杀死微生物细胞，然后水解释放。残留的两性离子链段具有超亲水性，可抑制各种生物污损的附着。10.14028/j.cnki.1003-3726.2024.23.283.F010图10(a) Bi/Bi5O7I/AFBP复合涂料防污性及自我更新过程[50] (2021 The Royal Society of Chemistry版权许可)；(b) TCB-TCPM的水解产生防污基团TCPM (杀灭)和两性离子基团(抗性)[51] (2021 American Chemical Society版权许可)Figure 10(a) Bi/Bi5O7I/AFBP composite coating antifouling and self-renewal process (Reprinted with permission from Ref. [50]; Copyright 2021 The Royal Society of Chemistry); (b) Hydrolysis of TCB-TCPM produces antifouling groups TCPM (killing) and zwitterionic groups (resistance)(Reprinted with permission from Ref. [51]; Copyright 2021 American Chemical Society)2.2药物传递药物递送是现代医学中一个重要的议题，选择合适的药物载体能够有效增强药物的溶解性、延长体内循环时间、增强药物疗效、降低副作用等。生物污垢是积累在生物材料表面上的生物分子、细胞等，会导致输送系统或装置的故障。这就使得设计可持续、生物相容性、细胞毒性最小化、无免疫原性、高稳定性、长循环时间并且能够避免被免疫系统识别的新型药物递送载体的紧迫性。作为药物输送载体的理想候选者，两性离子材料几乎满足了所有条件。两性离子聚合物的超亲水性和抗蛋白质吸附等性能使其成为一种重要的药物递送材料。此外，它还具有良好的生物相容性，对机体的免疫刺激较弱，产生的抗体水平较低[52]，体内循环时间较长。在蛋白质药物递送方面，由于蛋白质存在半衰期短、容易失活等问题，因此提高蛋白质药物的循环时间更有利于释放药效。Zhang等[53]用两性离子聚羧基甜菜碱(PCB)网络以及聚乙二醇(PEG)封装尿酸酶，合成了具有相似流体动力学尺寸(约30 nm)的PCB修饰尿酸酶和聚乙二醇化尿酸酶，实验结果表明，PCB在提高免疫原性蛋白质药物的治疗效果方面比PEG更有效。Cao等[54]开发了线形和星形的含有磺基甜菜碱的共聚物，采用溶剂蒸发法形成该共聚物的自组装胶束，增强药物在水中的溶解度，延长循环时间，减少副作用，提高药物的生物利用度。在蛋白质药物递送方面，羧基甜菜碱的应用比磺基甜菜碱广泛。聚羧基甜菜碱已被证明在不同介质中具有显著的水合性能，并且PCB的羧酸盐基团可以与含有氨基(抗体、配体、荧光染料)的生物分子发生离子相互作用，是用于药物递送的理想候选者。并且羧基甜菜碱相比于磺基甜菜碱和磷酰胆碱具有更强的防污性以及生物相容性，可以更好地适用于药物递送。在生物可降解药物传递系统方面，聚合物载体和缀合物是设计药物递送载体的关键[55]，两性离子聚合物和共聚物作为纳米聚集体以胶束、囊泡、脂质、纳米凝胶、薄片、圆柱形胶束和双层的形式自组装(图11)，是作为纳米尺寸载体递送治疗剂的流行选择。这些纳米载体可以帮助溶解难溶性药物，改善药代动力学特征，减少对正常组织的细胞毒性，并且其表面化学性质可以很容易地进行修饰，以缀合能够识别特定组织或细胞的靶向分子。10.14028/j.cnki.1003-3726.2024.23.283.F011图11用于药物递送的具有不同结构的两性离子聚合物[55](2021 John Wiley & Sons Ltd.版权许可)Figure 11Zwitterionic polymer having different architectures applied in drug delivery (Reprinted with permission from Ref. [55]; Copyright 2021 John Wiley & Sons Ltd.)在SB基生物可降解药物载体方面，Luo等[56]通过ε-己内酯与SB官能引发剂的开环聚合或通过开环聚合/ATRP，合成了聚己内酯(PCL)衍生的两性离子聚合物。前一种策略简单易行，问题在于引入的两性离子数量非常有限。他们进一步将pH敏感的含叔胺片段引入共聚物的主链，以实现pH触发的药物释放。与线性聚合物相比，星形聚合物的pH敏感性更好，其抗肿瘤效果与盐酸阿霉素相当，但毒性明显更低。在CB基生物可降解药物载体方面，Jiang等[57]利用由－COOH基团封端的PLGA (聚乳酸-羟基乙酸共聚物)与由－NH2基团封端的PCB结合，合成了PLGA-b-PCB，其具有良好的靶向性和稳定性。Zhang等[58]合成了一种由PCBMA和半胱氨酸双甲基丙烯酰胺交联剂组成的可生物降解的纳米凝胶，该纳米凝胶由于其可变形性的改善而具有更长的循环时间。在PC基可生物降解药物载体方面，Du等[59]将聚ε-己内酯(PCL)与PC功能化的PCL (PC-PCL)混合，以控制模型药物布洛芬的释放，其释放速率随着PC-PCL含量的增加而增加，因为PC-PCL增加了基质的亲水性和生物降解性。Konno等[60]首次合成了聚(2-甲基丙烯酰氧乙基磷酰胆碱-甲基丙烯酸正丁酯)(PMC-co-BM)共聚物作为PC修饰的药物纳米载体。Soma等[61]制备了(PMC-co-BM)共聚物的自组装胶束，用以提高紫杉醇的溶解度，使溶解度提高至5.0 mg/mL，并观察到长达1个月的长期稳定性。从磷酸胆碱开始，已经开发了具有复杂结构和提高效率(囊泡，小鼠，刷子)的药物输送系统，主要用于癌症治疗。除此以外，具有刺激响应性的聚合物在药物递送方面的应用也引起了广泛关注。Armes等[62]合成了一系列pH响应性磷酸甜菜碱纳米载体，并成功地将它们用作递送质粒DNA、抗体和治疗药物的载体，且没有不良的全身毒性。Peng等[63]通过回流沉淀聚合2-甲基丙烯酰氧乙基磷酸胆碱、乙烯基咪唑和N,N'-双(丙烯酰基)胱胺，制备了具有pH响应的可生物降解磷酸胆碱基两性离子聚合物纳米凝胶，增强了肿瘤细胞摄取并控制了药物释放。除了对单一刺激做出反应的刺激响应聚合物，多种刺激响应聚合物也被证明对于药物输送的应用非常有益。Patrik等[64]将两性离子SBMA(一种温度响应性成分)和2-[二异丙氨基]甲基丙烯酸乙酯(DPA)(一种pH响应性成分)共聚产生了双重刺激响应性共聚物，研究了其作为口服药物载体的潜力和药物释放行为，制备的共聚物(SBMA-co-DPA)纳米粒子表现出pH依赖性热响应。2.3改性高分子膜/膜分离材料膜分离材料在污水处理、海水淡化、血液透析、人造器官等多领域均有实际应用，主要采用聚偏二氟乙烯、聚醚砜、聚砜、聚氯乙烯、聚醚酰亚胺等作为基质，这些基质具有热稳定性高、力学强度大、化学性质稳定等优点[65]。但这些材料的疏水性使得膜材料表面易被污染，进而引起膜的透过性和选择性的大幅下降，降低了膜材料的使用寿命，增加了成本[66]。亲水改性是制造这些膜防污表面的常用方法和有效解决方案。将具有超亲水性和防污性能的两性离子聚合物修饰到膜分离材料表面，在膜上形成紧密结合的水层，然后通过排斥水合力排斥生物大分子(例如蛋白质)吸附。两性离子单体和聚合物都可以用来修饰分离膜的表面。在两性离子中，SB和PSB是最常用的，其成本低且易得。两性离子材料可以通过氢键和静电相互作用在膜表面形成致密的“自由水”水化壳，其水合作用比PEG链结合的水分子更牢固。对于膜材料的改性主要采取两种策略，一是原位改性，二是先预制膜再进行修饰。前者主要采用表面偏析法来实现，例如Dizon等[67]利用PSBMA、苯乙烯以及甲基丙烯酸乙二醇合成了包含该3种重复单元的三嵌段共聚物，并作用于PVDF表面，发挥了良好的抗污效果；后者主要通过表面接枝法来实现，例如，Kuang等[68]通过物理吸附或表面引发ATRP，将PSBMA刷引入金/玻璃表面，PSBMA表面可以大大减少蛋白质的吸附。近年来，两性离子聚合物如聚(磺基甜菜碱甲基丙烯酸酯)、聚(3-(N-2-甲基丙烯酰氧基乙基-N,N-二甲基)氨基丙磺酸内酯、聚(甲基丙烯酸二甲氨基乙酯-甲基丙烯酸-2-羟乙酯)和聚(2-甲基丙烯酰氧基乙基磷酰胆碱-co-2-氨基乙基甲基丙烯酸酯盐酸盐)通过接枝、共混、涂覆和共沉积策略固定在膜表面。改性膜具有增强表面亲水性和优异的抗油污性能，但两性离子聚合物涂层存在表面覆盖不完全、利用率低、制备工艺复杂等局限性。接枝的长链聚合物易堵塞孔隙并改变其分布而带来额外的传质阻力，这就需要开发新型小分子两性离子材料，以有效构建均匀高效的防污层，用于膜法含油废水处理。与两性离子聚合物相比，小分子两性离子化合物具有优异的溶解性和良好的加工性能，可以通过简单的分子接枝在膜表面进行修饰。Zhang等[69]受三甲胺N-氧化物超亲水性和贻贝的粘附性的启发，合成了分子结构与三甲胺N-氧化物相似的短链两性离子化合物3-氨基丙基二甲胺氧化物(3-aminopropyldimethylamine oxide, APDMAO)，并与多巴胺聚合共同沉积到膜表面，以简捷的方式赋予疏水微孔膜超亲水性和水下超疏油性(图12)。Shan等[70]将两性离子分子3-(4-(2-(4-氨苯基)氨基)乙基)吗啉基-4-鎓)丙烷-1-磺酸酯和氨基酸精氨酸通过两性离子的胺基共价键合到PA表面，显著改善了抗菌防污性能。Gu等[71]用2,6-N-氨基吡啶与3-溴丙酸通过季铵化反应制备两性离子改性膜，改性后的膜表面更致密，防污性能进一步增强，且更易于清洗。尽管如此，目前使用的两性离子小分子种类较少，并且涉及两性离子小分子的涂层行为和亲水性增强的潜在机制仍然难以确定。10.14028/j.cnki.1003-3726.2024.23.283.F012图12双仿生策略制备的两性离子防污膜[69] (2022 Elsevier B.V. 版权许可)Figure 12A dual-biomimetic strategy to construct zwitterionic anti-fouling membrane (Reprinted with permission from Ref. [69]; Copyright 2022 Elsevier B.V.)3总结与展望两性离子聚合物作为一种优异的防污材料，因其在不同领域的应用前景而受到越来越多的关注。目前，大多数两性离子基功能涂层都是通过两性离子承载粘结剂和添加途径制备的，但由于两性离子的极性较高，存在相容性问题。作为另一种选择，两性离子前驱体的后生成涂层是避免相容性问题的首选策略，这使得两性离子基功能涂层的制备很有前途。然而，后生成策略需要各种类型的两性离子前体，以满足其在不同涂料中的应用以及服役环境。就防污材料而言，长期发挥作用的稳定性是目前亟需解决的问题。虽然两性离子材料已被证明在水溶液和复杂介质中短期(数小时至数周)具有优异的防污性能，但是它们仍然缺乏足够的质量或长期稳定性，可能是两性离子基团的降解所造成的。可以通过将亲水/疏水和两性离子部分结合到单个聚合物链中，不仅可以引入额外的水合力(例如氢键)来增强防污稳定性，还可以增加两性离子聚合物的结构/化学多样性。若干新型两性离子材料及其优异性能已被报道，但我们相信对两性离子材料的研究仅仅是一个开端。对于防污两性离子材料来说，仍需要向自然学习，许多应用也将受益于这些两性离子聚合物材料。