通过高通量毒理学筛选设计更安全的交联聚离子液体

《Environmental Science: Advances》：Designing safer crosslinked poly(ionic liquid)s through high-throughput toxicological screeningOpen Access

　　

下一代电子设备需要兼具柔性和高性能的材料。聚合物电介质通过保持高电容储能同时提供更理想的机械性能，使这一目标得以实现。尽管新型电子聚合物材料不断被提出，但其生态毒理学特征在开发阶段大多仍未得到表征。本研究探讨了反离子类型——溴离子（Br^?）与双(三氟甲磺酰)亚胺离子（TFSI^?）——对聚(mP-D-S)的介电性能和环境毒性的影响。介电性能通过金属-绝缘体-金属（MIM）电容器中的电化学阻抗谱（EIS）进行评估，以确定双电层（EDL）起始频率、最大电容密度和离子电导率。环境毒性采用经济合作与发展组织测试指南236（OECD TG 236）斑马鱼胚胎毒性试验（ZFET）进行评估，监测120小时内的存活情况。含TFSI^?的聚合物在介电性能上与含Br^?的聚合物相当，且所需烷基化程度更低。毒理学结果显示，两种反离子体系的胚胎毒性相当，为聚合物中反离子的安全性提供了见解。这是首次在基于聚离子液体（PIL）的介电材料中评估反离子对电化学性能和生态毒性的影响，为负责任的下一代聚合物电介质开发建立了表征框架。

论文解读

随着电子产品被日益视为消耗品，全球电子制造业持续扩张，电子废弃物（e-waste）问题随之加剧。2022年全球产生了6200万吨电子废弃物，其中仅22.3%被回收。不当处置会使有害化学物质浸出进入周围环境。聚合物材料占电子废弃物的显著比例，但其向水生环境释放化学物质的贡献仍缺乏充分表征。聚合物电介质是电子设备中实现高电容储能与电绝缘的关键组件，同时提供柔性、高击穿强度和低成本制造的优势。在众多聚合物电介质中，聚离子液体（poly(ionic liquid), PIL）因离子基团增强了电储能与响应性而备受关注，且反离子选择为调节薄膜电学和机械性能提供了灵活手段。然而，新型聚合物材料的生态毒理学特征在开发阶段往往未得到评估，缺乏早期毒理学研究可能限制其商业化，或在生产阶段被忽视而导致环境和健康后果。因此，开展这项研究旨在建立一种将聚合物设计、电化学表征和标准化生态毒理学筛选相结合的表征框架，在材料开发初期同步评估功能性能与环境安全性。

研究人员以聚(聚乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯-ran-(二甲氨基)甲基丙烯酸甲酯-ran-苯乙烯)（poly(mP-D-S)）为模型体系，通过氮氧稳定自由基聚合（nitroxide mediated polymerization, NMP）合成，并以n-丙基溴进行不同比例（25%–95%）烷基化，再通过离子交换将Br^?替换为双(三氟甲磺酰)亚胺（TFSI^?），获得poly(mP-D-S)-Br和poly(mP-D-S)-TFSI两种系列。采用电化学阻抗谱（EIS）在金属-绝缘体-金属（MIM）电容器中表征介电性能，并应用经济合作与发展组织测试指南236（OECD TG 236）斑马鱼胚胎毒性试验（ZFET）评估环境毒性。结果表明，TFSI^?体系在较低烷基化程度（25%）下即可获得与Br^?体系75%烷基化时相当的介电性能，但poly(mP-D-S)-TFSI的胚胎毒性高于poly(mP-D-S)-Br和未烷基化poly(mP-D-S)。这是首个同时评估PIL介电材料中反离子对电化学性能与生态毒性影响的研究，为负责任的下一代聚合物电介质开发提供了重要框架。该论文发表在《Environmental Science: Advances》。

研究人员用到的主要关键技术方法如下：采用NMP合成poly(mP-D-S)，并以1H NMR确认单体组成；烷基化通过n-丙基溴实现，反离子交换使用Li-TFSI，并用1H NMR和19F NMR确认反应完成。介电性能通过EIS在MIM电容器中测量，频率扫描范围为10⁶ Hz至0.05 Hz，计算双电层（EDL）起始频率、最大电容密度及离子电导率。环境毒性测试遵循OECD TG 236，使用斑马鱼胚胎（AB品系，来源于加拿大达尔豪西大学生命科学研究所斑马鱼核心设施，2023年引入）进行120小时暴露，每24小时更新暴露液，记录致死和致畸终点，并采用EFSA BMC评估工具计算LC₅₀和EC₅₀。胚胎成像使用BioTek Cytation 5明场显微镜。

研究结果按论文小节归纳如下。

**3.1 合成、烷基化与反离子交换**：通过NMP成功合成了poly(mP-D-S)无规共聚物，其摩尔组成为50% mPEGMA、46% DMAEMA和4%苯乙烯。随后以n-丙