《Materials & Design》：Interfacial hydrogen bonding and phase-inversion kinetics drive 3D pore networks in PLA–CNF membranes for dialysis-grade selectivity
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研究人员通过可扩展的浇铸和相转化工艺制备了完全生物基的PLA-CNF（聚乳酸-纤维素纳米纤维）复合膜。PLA-CNF复合膜建立了界面氢键和3D多孔连通性。CNF（纤维素纳米纤维）作为微结构调节剂，将孔隙率从59%调节至76%，接触角从116°降至65°，水通量
研究人员通过可扩展的浇铸和相转化工艺制备了完全生物基的PLA-CNF（聚乳酸-纤维素纳米纤维）复合膜。PLA-CNF复合膜建立了界面氢键和3D多孔连通性。CNF（纤维素纳米纤维）作为微结构调节剂，将孔隙率从59%调节至76%，接触角从116°降至65°，水通量达到53–166 L m?2 h?1。所制备的膜显示出尿毒症毒素清除率：尿素>94%，肌酐>85%，以及白蛋白保留率>78%。细胞相容性使其成为石油衍生透析膜的一种可持续替代品。
全球终末期肾病（ESKD）发病率因糖尿病和高血压的流行而持续上升，血液透析是挽救生命的关键疗法，但现有透析膜大多基于不可降解的石油基聚合物（如聚砜PSf、聚醚砜PES），其亲水化添加剂（如聚乙烯吡咯烷酮PVP）的溶出可能引发生物相容性问题。聚乳酸（PLA）作为生物基可降解聚合物，虽具有良好生物相容性，但固有疏水性强、相转化动力学难以调控，导致孔隙结构无法平衡渗透性与选择性。纤维素纳米纤维（CNF）因高长径比和丰富羟基，可改善PLA的亲水性和孔隙结构。然而，现有研究存在两个关键空白：一是PLA-CNF膜极少量化透析特异性传输（如尿素、肌酐清除和白蛋白保留）；二是聚合物-纳米填料耦合、相转化动力学与3D孔隙连通性之间的机制联系尚不清晰。为此，本研究通过可扩展浇铸/非溶剂诱导相转化制备全生物基PLA-CNF复合膜，系统探究界面化学、相转化路径、3D孔隙网络与透析相关传输性能的关联，旨在建立可持续透析膜的设计策略。论文发表在《Materials》。
研究人员为开展研究用到以下主要关键技术方法：1）非溶剂诱导相转化（NIPS）法浇铸制备平板膜，CNF（源自油棕空果串OPEFB）作为添加剂；2）傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线吸收光谱（XAS）分析界面氢键相互作用；3）场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）和三维X射线显微断层扫描（XTM）表征孔隙结构及连通性；4）死端过滤系统评估水通量、尿毒症毒素（尿素、肌酐）清除率及牛血清白蛋白（BSA）保留率；5）MTT法评估L929小鼠成纤维细胞和Vero上皮肾细胞系的细胞相容性。
**3.1 膜的制备与表征**：通过浇铸-相转化成功制备了PLA和PLA-CNF平板膜。CNF的加入显著增加了孔隙率（从58.46%增至75.65%）和平均孔径（从1.35 nm增至2.81 nm），表明CNF作为微结构调节剂改变了膜形态。
**3.2 表面化学与热性能**：FTIR谱图显示PLA特征峰保留，但CNF特征峰因含量低而重叠。XAS的C K-edge和O K-edge谱图显示，CNF引入后，O K-edge在533–540 eV区域吸收增强，表明CNF的羟基与PLA的酯羰基之间形成界面氢键。TGA/DTG分析表明CNF略微降低了PLA的热稳定性（起始分解温度从351°C降至334°C），但膜在300°C以下仍保持热稳定。
**3.3 表面微观结构**：FE-SEM显示，纯PLA膜具有致密海绵状结构；PLA-CNF-1（1 wt% CNF）呈现不对称的指状大孔和薄皮层；PLA-CNF-2（2 wt% CNF）则出现疏松、不均匀的大孔结构。XTM三维重建进一步证实：PLA-CNF-1具有连通性增强的通道结构，而PLA-CNF-2因CNF局部聚集导致孔隙分布不均。
**3.4 力学性能**：拉伸测试表明CNF加入降低了拉伸强度（从2.0 MPa降至1.51 MPa），但提高了断裂伸长率，表明CNF起到增塑或应力耗散作用。PLA-CNF-1在刚性与延展性间取得最佳平衡。
**3.5 膜孔隙率**：CNF增加孔隙率（58.46%→75.65%）和平均孔径，同时水接触角从115.9°降至64.7°，表明亲水性显著增强，有利于水传输。
**3.6 膜渗透性**：在0.5 bar压力下，纯PLA膜水通量为53.42 L/m
2·h，PLA-CNF-1和PLA-CNF-2分别升至123.28和166.43 L/m
2·h，归因于孔隙率增加和CNF亲水通道的形成。
**3.7 细胞相容性**：MTT法显示，L929和Vero细胞在接触膜24 h后存活率均>85%，符合ISO标准，表明膜无细胞毒性，具备初步生物安全性。
**3.8 血液透析性能**：在五个过滤循环中，所有膜对尿素的清除率均>94%，对肌酐清除率>85%（纯PLA膜最高达94.21%）。白蛋白保留率：纯PLA膜第一循环为51.66%，第五循环升至74.34%；PLA-CNF-1膜第一循环为66.86%，第五循环达78.33%；PLA-CNF-2膜因孔隙过大，保留率较低（50.61%–70.31%）。研究表明，低CNF含量（1 wt%）在保持高毒素清除的同时，通过静电排斥和尺寸筛分协同作用实现了较好的白蛋白保留。
**讨论与结论**：本研究通过界面氢键和相转化动力学调控，成功构建了全生物基PLA-CNF复合膜平台，实现了透析级选择性。CNF作为界面相容剂和形态导向剂，在低含量（1–2 wt%）下即可诱导形成互联的3D孔隙网络，显著提升水通量和亲水性，同时维持高尿素（>94%）、肌酐（>85%）清除率和白蛋白保留（最高78%），且细胞相容性良好。该膜性能与文献报道的聚砜、醋酸纤维素等传统透析膜相当甚至更优，且完全生物基、无需有毒添加剂，为石油基透析膜提供了可持续替代方案。未来需进一步优化表面电荷和抗污染性能，并在错流和空心纤维构型中验证其血液相容性与长期稳定性。研究结论：本研究证明，低CNF含量在浇铸-相转化过程中同时充当界面相容剂和形态导向剂，光谱（FTIR、XAS）和三维结构（SEM、XTM）分析一致表明氢键辅助的PLA-CNF耦合和互联多孔网络的形成。CNF提高了孔隙率和亲水性（孔隙率58.46%→75.65%，接触角116°→65°），从而在低跨膜压力下显著增加水通量。从透析角度看，膜实现了所需尺寸选择性传输窗口：小分子尿毒症溶质高通过（尿素和肌酐保留分别<6%和<15%），同时保留蛋白质（BSA保留率经调理后高达78%），且保持细胞相容性（>85%存活率）。这些结果凸显PLA-CNF复合材料可作为石油衍生透析膜的可行且可持续替代品，并为更广泛的液体净化应用提供可调平台。
