先进化工材料关键技术丛书--智能膜

随着膜科学技术的迅速发展，功能膜在现代生活及工业生产中占有越来越重要的地位，受到了国内外越来越广泛的关注和重视。功能膜技术被认为在21世纪的工业技术改造中起战略作用，是有发展前景的高新技术之一。

仿生技术正不断地从自然界中为我们带来新思想、新原理和新方法，以发展新的高科技世界。自然界中的生物膜具有跨膜的环境刺激响应型通道，为膜领域的科学家和研究人员开发人工仿生智能膜提供了原始灵感。这类具有环境刺激响应型通道的膜不仅具有选择因子，而且具有环境刺激响应因子和开关因子，对制备更先进、更高效的人工仿生膜具有极大的吸引力。环境刺激响应型智能材料是一种具有感知环境信号和响应能力的材料。它们可以通过响应外部刺激（如温度、pH值、应力、湿度、电场或磁场信号变化），在一个或多个特性方面以可控方式产生显著改变。如今，刺激响应型智能材料正受到世界各国越来越广泛的关注和重视。这种智能材料的诞生，使设计和制备人工仿生智能膜成为可能。

智能膜作为一种人工仿生膜，能够对环境刺激做出响应，引起了各个领域越来越广泛的关注和重视。智能膜的表面特性和渗透特性，包括水力渗透性（即溶剂的压力驱动的流体流动）和扩散渗透性（即溶质的浓度驱动的分子扩散），可根据环境中的微小化学或物理信号变化，如温度、pH值、离子强度、电场、光照、葡萄糖浓度、氧化还原、化学或生物物质种类等信号的变化，进行显著的自我调节或调控。由于智能膜材料和膜系统在控制释放、化学分离、生物分离、化学传感、人工细胞、人工脏器、水处理等许多领域具有重要的应用价值，被认为是21世纪膜科学与技术领域的重要发展方向之一。作为新兴的仿生膜，智能膜受到了前所未有的关注和重视。目前智能膜已成为国内外膜学领域研究的新热点。

近20年来，笔者团队在国家重点基础研究发展计划（973计划）课题“智能膜材料设计与制备科学研究”（2009CB623407）、国家杰出青年科学基金项目“环境响应型智能膜材料创新与膜过程强化基础研究”（20825622）、国家优秀青年科学基金项目“智能膜材料与膜过程”（21622604）、国家自然科学基金重大项目重点课题“离子响应性分离膜限域结构的构筑与调控”（21490582）、国家自然科学基金项目“智能化手性拆分膜的制备及其自律式膜分离机理研究”（50373029）等40余项和省部级项目资助下，在智能膜领域取得了系列创新性成果，受到了国内外同行广泛关注和重视，智能膜相关的部分研究成果已获得省部级自然科学奖一等奖。

本书内容主要是笔者团队—四川大学膜科学与功能材料研究团队在智能膜方面的研究成果，旨在为读者提供一本系统地介绍智能膜方面的中文书籍，不仅全面介绍智能膜的概况，而且系统介绍智能膜材料和膜过程方面的研究新进展，以期促进和推动中国在智能膜领域的进步和发展。主要内容包括智能膜的设计思想、制备策略及方法、微结构及性能、应用领域以及展望等，对于膜科学技术及相关领域广大学者，特别是对设计和制备人工仿生智能膜材料和膜系统感兴趣的广大科技人员，具有重要参考价值。

全书由十四章组成。章简要介绍智能膜的定义、设计策略、制备方法、分类、应用等。第二章主要介绍智能膜的制备策略和方法。第三章至第九章介绍各种不同类型的智能膜，第三章主要介绍温度响应型智能膜，第四章主要介绍pH响应型智能膜，第五章主要介绍醇浓度响应型智能膜，第六章主要介绍葡萄糖浓度响应型智能膜，第七章主要介绍离子识别型智能膜，第八章主要介绍分子识别型智能膜，第九章主要介绍多重刺激响应型智能膜。第十章至第十四章介绍智能膜的各种应用，第十章主要介绍智能膜在控制释放中的应用，第十一章主要介绍智能膜在可控分离中的应用，第十二章主要介绍智能膜在可控反应中的应用，第十三章主要介绍智能膜在传感检测中的应用，第十四章主要介绍智能膜在细胞培养中的应用。

章和第二章由褚良银教授撰写，第三章、第五章和第八章由谢锐教授撰写，第四章、第九章和第十章由巨晓洁教授撰写，第六章、第十二章和第十三章由汪伟教授撰写，第七章、第十一章和第十四章由刘壮教授撰写。

在此，谨代表作者团队衷心感谢国家自然科学基金委员会、科技部、*、四川省科技厅、四川大学、霍英东教育基金会、高分子材料工程国家重点实验室等对我们从事智能膜相关研究工作的大力资助，衷心感谢一直以来给予我们指导、帮助和支持的各位前辈、专家、领导、同行和朋友！同时，也借此机会衷心感谢为智能膜相关研究工作做出贡献的团队所有成员。

本书有幸入选中国化工学会组织编写、化学工业出版社出版的“先进化工材料关键技术丛书”，在此衷心感谢中国化工学会、化学工业出版社的盛情邀请和帮助以及丛书编委会专家的指导。

由于笔者水平有限，本书难免存在不足之处，恳请有关专家和读者不吝指正。

褚良银

2021年10月于四川大学

《智能膜》是“先进化工材料关键技术丛书”的一个分册。

由于智能膜材料和膜系统在控制释放、化学分离、生物分离、化学传感、人工细胞、人工脏器、水处理等许多领域具有重要的应用价值，被认为是21世纪膜科学与技术领域的重要发展方向之一。作为新兴的仿生膜，智能膜已成为国内外膜材料与膜系统领域研究的新热点。本书是作者团队20年来对“973计划”、国家杰出青年科学基金项目、国家优秀青年科学基金项目、国家自然科学基金重大项目等40余项和省部级项目系列创新性成果的总结。不仅全面介绍智能膜的概况，而且系统介绍智能膜材料和膜过程方面的研究新进展，包括：绪论、 智能膜的制备策略和方法、 温度响应型智能膜、pH响应型智能膜、醇浓度响应型智能膜、葡萄糖浓度响应型智能膜、离子识别型智能膜、分子识别型智能膜、多重刺激响应型智能膜、智能膜在控制释放中的应用、智能膜在可控分离中的应用、智能膜在可控反应中的应用、智能膜在传感检测中的应用、智能膜在细胞培养中的应用等。

《智能膜》适合材料、化工领域，尤其是膜材料领域科研和工程技术人员阅读，也可供高等学校高分子、功能材料、化工及相关专业师生参考。

《智能膜》是“先进化工材料关键技术丛书”的一个分册。

由于智能膜材料和膜系统在控制释放、化学分离、生物分离、化学传感、人工细胞、人工脏器、水处理等许多领域具有重要的应用价值，被认为是21世纪膜科学与技术领域的重要发展方向之一。作为新兴的仿生膜，智能膜已成为国内外膜材料与膜系统领域研究的新热点。本书是作者团队20年来对“973计划”、国家杰出青年科学基金项目、国家优秀青年科学基金项目、国家自然科学基金重大项目等40余项和省部级项目系列创新性成果的总结。不仅全面介绍智能膜的概况，而且系统介绍智能膜材料和膜过程方面的研究新进展，包括：绪论、 智能膜的制备策略和方法、 温度响应型智能膜、pH响应型智能膜、醇浓度响应型智能膜、葡萄糖浓度响应型智能膜、离子识别型智能膜、分子识别型智能膜、多重刺激响应型智能膜、智能膜在控制释放中的应用、智能膜在可控分离中的应用、智能膜在可控反应中的应用、智能膜在传感检测中的应用、智能膜在细胞培养中的应用等。

《智能膜》适合材料、化工领域，尤其是膜材料领域科研和工程技术人员阅读，也可供高等学校高分子、功能材料、化工及相关专业师生参考。

褚良银，现任四川大学副校长、二级教授、博士生导师，九三学社中央委员兼四川省委员会副主任委员，四川省政协常委、科技委副主任。国家杰出青年科学基金获得者，*长江学者特聘教授，国务院学位委员会学科评议组成员，*科学技术委员会委员，享受国务院政府特殊津贴专家，国家百千万人才工程入选者、有突出贡献中青年专家，全国优秀博士学位论文指导教师，*创新团队带头人，英国伯明翰大学荣誉教授，英国皇家化学会会士（FRSC）。

长期从事膜材料与膜过程、传质与分离、微流控、先进功能材料、控制释放等方面的研究工作，先后主持国家杰出青年科学基金项目、国家“973计划”课题、国家自然科学基金重点项目等40余项科研课题，取得了重要的创新性成果，受到了国内外同行的重视和高度评价，成果多次被Nature Materials等国际知名学术杂志作为“研究亮点”专题报道。成果已获得授权中国专利47项和国际专利15项，出版学术著作6部；部分成果已在国内外得到了成功应用与推广。获国家技术发明奖二等奖1项、省部级自然科学奖3项和省级科技进步奖3项；并获侯德榜化工科学技术创新奖，被评为“科学中国人（2006）年度人物”。

谢锐，四川大学教授、博士生导师。国家优秀青年科学基金获得者，*新世纪优秀人才，四川省有突出贡献优秀专家，四川省杰出青年科技人才。曾任哈佛大学访问学者。从事高性能智能膜的创新设计和制备及其在化工、医药、环境、能源等领域的应用研究。承担、省部级科研项目10余项。发表学术成果论文200余篇，授权中国发明专利22项；参编英文学术著作2部。获四川省科技进步奖一等奖2项、侯德榜化工科学技术青年奖等。兼任《膜科学与技术》编委、中国化工学会过滤与分离专业委员会委员等。

巨晓洁，四川大学教授、博士生导师。国家优秀青年科学基金获得者，国家“万人计划”青年拔尖人才，*“长江学者奖励计划”青年学者，四川省学术与技术带头人，四川省杰出青年科技人才。主要从事智能化控制释放系统、生物医用材料等领域的研究，主持了包括国家优秀青年科学基金、国家“863计划”课题子课题等17项科研项目。迄今，已在Nature Communications、PNAS等高水平国内外学术期刊发表论文220余篇，获发明专利授权29项；获省级科技进步奖一等奖2项、侯德榜化工科学技术青年奖等奖励。

汪伟，四川大学教授、博士生导师。国家优秀青年科学基金获得者，四川省学术和技术带头人。主要从事微流控技术、智能膜材料等方面的研究，已在Acc Chem Res、Angew Chem Int Ed、PNAS、Nat Commun等国际学术期刊发表论文130余篇；授权中国发明专利25项；受邀参编英文学术专著4部。作为主要完成人荣获国家技术发明奖二等奖1项、四川省科技进步奖自然科学类一等奖2项，并荣获侯德榜化工科学技术青年奖、英国皇家化学会Lab on a Chip新科学家等奖项和荣誉。

刘壮，四川大学教授。曾为英国曼彻斯特大学国家石墨烯研究所访问学者。获侯德榜化工科学技术青年奖、省级科技进步奖一等奖；获国家优秀青年科学基金和中国科协青年人才托举工程资助。主要从事离子识别膜与离子分离膜、二维膜与纳流控、智能软湿材料和智能膜组件的研究。在Chem Soc Rev、Adv Funct Mater等学术期刊上发表一作及通讯作者论文40篇；申请发明专利20项，已授权12项，已转化2项；受邀参编英文专著2部、参编《膜技术手册》1章。受邀担任Chin Chem Lett、Chinese J Chem Eng、《膜科学与技术》杂志青年编委。

章  绪论 001

节　智能膜的特点与优越性 002

第二节　智能膜的设计策略 003

第三节　智能膜的制备方法 004

第四节　智能膜的种类 006

一、温度响应型智能膜 009

二、pH响应型智能膜 009

三、离子响应型智能膜 009

四、分子响应型智能膜 010

五、紫外线响应型智能膜 010

六、葡萄糖浓度响应型智能膜 011

七、磁场响应型智能膜 011

八、离子强度响应型智能膜 011

九、氧化还原响应型智能膜 012

第五节　智能膜的用途 012

一、水力学渗透性的刺激响应性自调节 012

二、扩散渗透性的刺激响应性自调节 013

三、基于尺寸效应的刺激响应筛选 013

四、基于亲和性的刺激响应性吸附/解吸 013

五、功能膜的刺激响应性自清洁 014

参考文献 014

第二章  智能膜的制备策略和方法 017

节　基膜改性法 018

一、化学接枝法 018

二、物理改性法 030

第二节　共混成膜法 037

一、液体诱导相分离共混法 038

二、蒸汽诱导相分离共混法 043

参考文献 052

第三章  温度响应型智能膜 053

节具有正向响应特性的温度响应型智能开关膜和纳米凝胶复合智能膜 054

一、具有正向响应特性的温度响应型智能开关膜 054

二、具有正向响应特性的温度响应型纳米凝胶复合智能膜 080

第二节　具有反向响应特性的温度响应型智能开关膜 115

一、具有反向响应特性的温度响应型智能开关膜的设计 115

二、具有反向响应特性的温度响应型智能开关膜的制备 116

三、具有反向响应特性的温度响应型智能开关膜的表征 116

四、智能开关膜的温度响应性能 118

参考文献 120

第四章  pH响应型智能膜 123

节　具有反向响应特性的pH响应型智能开关膜 125

一、具有反向响应特性的pH响应型智能开关膜的设计与制备 125

二、具有反向响应特性的pH响应型智能开关膜的表征 127

三、智能开关膜的pH响应性能 133

第二节　具有正向响应特性的pH响应型智能囊膜 141

一、具有正向响应特性的pH响应型智能囊膜的设计 141

二、具有正向响应特性的pH响应型智能囊膜的制备 142

三、具有正向响应特性的pH响应型智能囊膜的表征 144

四、智能囊膜的pH响应性能 148

参考文献 151

第五章  醇浓度响应型智能膜 153

节　乙醇浓度响应型智能开关膜 154

一、乙醇浓度响应型智能开关膜的设计 154

二、乙醇浓度响应型智能开关膜的制备 155

三、乙醇浓度响应型智能开关膜的表征 156

四、智能开关膜的温度响应性能 159

五、智能开关膜的乙醇浓度响应性能 160

第二节　乙醇浓度响应型纳米凝胶复合智能膜 164

一、采用液体诱导相分离法制备乙醇浓度响应型纳米凝胶复合智能膜 164

二、采用蒸汽诱导相分离法制备乙醇浓度响应型纳米凝胶复合智能膜 174

第三节　乙醇和甲醇浓度响应型智能凝胶微囊膜 180

一、乙醇和甲醇浓度响应型智能凝胶微囊膜的设计 180

二、乙醇和甲醇浓度响应型智能凝胶微囊膜的制备 181

三、乙醇和甲醇浓度响应型智能凝胶微囊膜的表征 182

四、智能凝胶微囊膜的乙醇和甲醇浓度响应性能 183

参考文献 187

第六章  葡萄糖浓度响应型智能膜 189

节　葡萄糖浓度响应型智能开关膜 190

一、葡萄糖浓度响应型智能开关膜的设计 190

二、葡萄糖浓度响应型智能开关膜的制备 191

三、葡萄糖浓度响应型智能开关膜的表征 192

四、智能开关膜的葡萄糖浓度响应性能 193

第二节　葡萄糖浓度响应型智能微囊膜 198

一、葡萄糖浓度响应型智能微囊膜的设计 198

二、葡萄糖浓度响应型智能微囊膜的制备 201

三、葡萄糖浓度响应型智能微囊膜的表征 202

四、智能微囊膜的葡萄糖浓度响应性能 205

参考文献 212

第七章  离子识别型智能膜 213

节　铅离子识别型智能开关膜 214

一、铅离子识别型智能开关膜的设计 214

二、铅离子识别型智能开关膜的制备 216

三、铅离子识别型智能开关膜的表征 217

四、智能开关膜的铅离子识别响应性能 219

第二节　钾离子识别型智能开关膜 226

一、钾离子识别型智能开关膜的设计 227

二、钾离子识别型智能开关膜的制备 227

三、钾离子识别型智能开关膜的表征 228

四、智能开关膜的钾离子识别响应性能 234

参考文献 240

第八章  分子识别型智能膜 243

节　分子识别型智能开关膜 244

一、分子识别型智能开关膜的设计 244

二、分子识别型智能开关膜的制备 245

三、分子识别型智能开关膜的表征 246

四、智能开关膜的温度和分子识别响应性能 249

第二节　分子识别型智能凝胶微囊膜 256

一、分子识别型智能凝胶微囊膜的设计 256

二、分子识别型智能凝胶微囊膜的制备 257

三、分子识别型智能凝胶微囊膜的表征 258

四、智能凝胶微囊膜的分子识别响应性能 261

参考文献 264

第九章  多重刺激响应型智能膜 267

节　温度/pH双重刺激响应型智能膜 268

一、温度/pH双重刺激响应型智能膜的设计与制备 268

二、温度/pH双重刺激响应型智能膜的表征 270

三、智能膜的温度/pH双重刺激响应性能 274

第二节　温度/pH/磁场三重刺激响应型智能膜 277

一、温度/pH/磁场三重刺激响应型智能膜的设计与制备 278

二、温度/pH/磁场三重刺激响应型智能膜的表征 280

三、智能膜的温度/pH/磁场三重刺激响应性能 281

第三节　温度/pH/盐浓度/离子种类四重刺激响应型智能膜 288

一、温度/pH/盐浓度/离子种类四重刺激响应型智能膜的设计 289

二、温度/pH/盐浓度/离子种类四重刺激响应型智能膜的制备 290

三、温度/pH/盐浓度/离子种类四重刺激响应型智能膜的表征 291

四、智能膜的温度/pH/盐浓度/离子种类四重刺激响应性能 292

参考文献 299

第十章  智能膜在控制释放中的应用 301

节　智能膜用于“开关型”控制释放 302

一、“开关型”控制释放智能膜的设计与制备 302

二、“开关型”控制释放智能膜的表征 309

三、“开关型”控制释放智能膜的应用性能 317

第二节　智能膜用于“突释型”控制释放 331

一、“突释型”控制释放智能膜的设计与制备 331

二、“突释型”控制释放智能膜的表征 338

三、“突释型”控制释放智能膜的应用性能 351

第三节　智能膜用于“程序式”控制释放 360

一、“程序式”控制释放智能膜的设计与制备 360

二、“程序式”控制释放智能膜的表征 363

三、“程序式”控制释放智能膜的应用性能 376

参考文献 381

第十一章  智能膜在可控分离中的应用 385

节　智能膜用于手性分子拆分 386

一、手性分子拆分智能膜的设计 386

二、手性分子拆分智能膜的制备 387

三、手性分子拆分智能膜的表征 390

四、手性分子拆分智能膜的应用性能 393

第二节　智能膜用于分子亲和分离 400

一、分子亲和分离智能膜的设计 400

二、分子亲和分离智能膜的制备 401

三、分子亲和分离智能膜的表征 401

四、温敏型分子识别开关膜温度敏感特性 405

五、分子亲和分离智能膜的应用性能 409

第三节　智能膜用于蛋白质吸附分离 414

一、蛋白质吸附分离智能膜的设计 415

二、蛋白质吸附