季铵化4-乙烯基吡啶基冷冻凝胶：集染料吸附与抗菌性能于一体的合成阳离子平台

为解决水污染中阴离子染料去除和细菌抑制的双重挑战，研究人员开发了基于季铵化4-乙烯基吡啶（QP4VP）的多功能冷冻凝胶（cryogels）。通过自由基冷冻聚合和后续季铵化修饰，成功构建了具有大孔结构（50–90 μm）、快速溶胀和机械稳定性的阳离子材料。实验表明，该材料对刚果红（CR）的吸附效率达99%，并对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）表现出显著抗菌活性，为水处理提供了集成化解决方案。

　　

水污染治理正面临两大棘手难题：工业废水中的有毒染料难以降解，而病原微生物的滋生又加剧了健康风险。传统材料往往只能解决单一问题，例如吸附剂缺乏抗菌功能，杀菌剂又无法去除污染物。这种“头疼医头”的模式导致水处理流程复杂、成本高昂。在此背景下，兼具多重功能的材料成为研究热点，而冷冻凝胶（cryogels）因其独特的宏观大孔结构和可调控的化学性质备受关注。

Yildiz Technical University（土耳其伊斯坦布尔理工大学）的研究团队在《European Polymer Journal》发表了一项突破性研究。他们以4-乙烯基吡啶（4VP）和寡聚乙二醇甲基醚甲基丙烯酸酯（OEGMA）为单体，通过冷冻聚合（cryopolymerization）和N,N′-亚甲基双丙烯酰胺（BAAm）交联，构建了三维大孔网络。随后采用1-溴己烷（BrH）进行季铵化（quaternization），并创新性地引入双功能交联剂1,6-二溴己烷（DBrH）制备了次级交联变体（Q-xl）。关键技术包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）表征化学结构、扫描电镜（SEM）观察孔径分布（50–90 μm）、溶胀动力学测试以及针对刚果红（CR）的吸附实验和针对革兰氏阳性/阴性菌的抗菌评估。

材料设计与表征
通过冷冻聚合和季铵化修饰，成功将永久阳离子电荷引入聚合物骨架。SEM显示所有冷冻凝胶均具有相互贯通的宏观孔隙，这种结构使材料在溶胀测试中表现出快速吸水能力（<2小时达到平衡）。力学测试证实次级交联显著提升了材料的压缩强度，Q-xl的弹性模量比非季铵化样品（non-Q）提高近3倍。

染料吸附性能
静电相互作用主导了阴离子染料的吸附过程。所有季铵化样品对CR的最终去除率均达99%，但动力学差异显著：Q-xl在2小时内吸附量达到平衡值的80%，远超non-Q（仅35%）。这种差异源于次级交联带来的更高电荷密度和更稳定的孔道结构。值得注意的是，材料对阳离子染料亚甲基蓝（MB）几乎无吸附，证实了电荷选择性的重要性。

抗菌活性
非季铵化样品无抑菌效果，而Q和Q-xl对金黄色葡萄球菌（S. aureus）和大肠杆菌（E. coli）的抑制率分别达92%和89%。机理研究表明，季铵基团通过静电作用破坏细菌细胞膜，同时疏水性己基链插入脂质双层加剧膜破裂。次级交联进一步延长了抗菌效果的持续时间，Q-xl在连续使用5次后仍保持85%以上的抑菌效率。

这项研究开创性地将冷冻凝胶的物理特性与季铵化聚合物的化学功能相结合，实现了“一材双效”的突破。材料不仅解决了传统吸附剂易滋生微生物的痛点，其模块化设计更为功能定制提供了可能——通过调整季铵化试剂链长或交联密度，可针对性优化对不同染料的吸附容量或特定病原体的杀灭效率。该成果为下一代水处理材料的开发提供了新范式，尤其适用于医疗废水、印染工业等复杂污染场景。研究团队特别指出，这种全合成平台相比生物基材料（如壳聚糖衍生物）具有更好的批次稳定性和规模化生产潜力。