南开大学环境科学与工程学院2月22日讯：为应对目前基于表面控制策略构建的抗生物污染膜面临生物污染控制效能不可持续的挑战，近日，南开大学环境科学与工程学院郭晓燕教授团队设计并报道了一种新型智能化内界动态纤维膜，其在外部和内部空间结构上的巧妙性和智能性，实现了动态、持续地“负载-控释”生物友好的生物膜抑制分子D-酪氨酸，这一涉及时-空多维特征的新型膜展现出了强健的可持续抗生物污染效能，为膜基水处理技术的绿色低碳化发展开辟了新途径。该研究于2024年2月9日以Rational design of dynamic fibre membrane for sustainable biofouling control为题，发表于重要国际学术期刊Nature Water。

膜生物污染是膜基水处理技术中最棘手的挑战之一。不同于先前报道的膜表面多次“负载-释放”抗菌药剂动态膜存在二维表面抗菌组分结合位点有限以及直接暴露于外部环境易损失的问题，研究团队设计的智能化内界动态纤维膜基于以下三个视角：（i）创新的抗生物污染设计视角，优先考虑膜内部构建丰富结合位点来负载和控释抗生物污染药剂；(ⅱ)巧妙的结构组成设计视角，将动态智能开关的聚丙烯酸（PAA）与包容中空的埃洛石纳米管（HNT）结合，通过同轴静电纺丝技术，构建成可持续负载和控释对膜和微生物兼具共生特性的D-酪氨酸的动态纤维膜，从而提供了一种涉及时空尺度的膜生物污染控制创新范式；（ⅲ）易于实施的操作设计视角，动态纤维膜在pH为2和7的条件下负载和控释D-酪氨酸，为大多数膜在化学清洗和过滤过程中常见的条件，进而促进了动态纤维膜在水处理中的大规模应用。

图1. 动态纤维膜可持续抗生物污染示意图

研究团队创建了具有智能动态高内界交换容量特征的动态纤维膜（图2）。通过设计具有pH智能响应特性的聚偏氟乙烯/聚丙烯酸(PVDF/PAA)半互穿网络聚合物，结合中空管状结构的无机纳米材料埃洛石纳米管(HNT)，借助同轴静电纺丝技术制备动态纤维膜。PAA的pH智能响应性赋予了膜纤维聚合物层的动态开关特性，同时，中空管状结构的HNT被包裹在纤维聚合物内核，持续承载和释放生物膜抑制剂，创建了具有一定时空特性的高内界交换容量。

研究团队提出的上述膜生物污染可持续控制策略，为膜基水处理技术的绿色低碳化发展开辟了新途径。同时，这一理念可进一步推广到其他同样受到生物污染困扰的系统，在方法学上还能促进更先进材料的发展。

南开大学为该项工作的第一完成单位及通讯单位。南开大学博士范守港和南开大学教授周启星为该论文共同第一作者，南开大学郭晓燕教授为通讯作者。该研究得到了国家科技部、教育部、国家自然科学基金委、天津市科技局等的大力支持。（本刊有删节）详情见南开大学环境科学与工程学院官网

论文链接：https://doi.org/10.1038/s44221-024-00196-8