摘要

LB膜(Langmuir-Blodgett film)技術是一種能夠在分子層麵精確控製薄膜組裝的技術，在生物模擬、傳感技術、材料科學和生物醫學等多個領域應用十分廣泛。在生物基材料方麵，LB膜技術能夠製備出單層或多層的超薄生物基材料膜，並能通過調節LB膜的組成來有效控製膜的物理化學性質，為構建具有特定功能和性能的生物基材料提供了強大的工具;在生物基材料改性方麵，LB膜技術被用於改善材料表麵性質和製備具有特殊功能的塗層，從而影響材料的生物相容性和功能性，滿足特定的應用需求;在生物基材料界麵相互作用方麵，LB膜技術被用於構建檢測特定生物標誌物的高性能生物傳感器和監測生物分子的相互作用。隨著技術的進步和對生物基材料需求的增長，LB膜技術在未來生物基材料科學與技術中的應用潛力將持續擴大。

生物基材料是指源於動物組織、通過生物製造或化學加工後獲得的材料，生物基材料在生物降解性、生物相容性或生物可吸收等方麵具有獨特優勢，在許多領域展現出了巨大的應用潛力，特別是在組織工程、再生醫學、醫療器械、藥物遞送係統等領域。近年來，生物基材料的研究熱點主要集中在以下方麵:生物基複合材料、遞送係統材料、生物基塑料以及生物質的提取與製備技術等，尤其是生物基納米複合材料，既結合了納米材料的表界麵效應、小尺寸效應、量子尺寸效應等特性，又充分利用了生物基材料的可持續性和環境友好性，已成為當前研究的重要方向。這些複合材料不僅能夠提升傳統材料的性能，還能開拓新的應用領域，對於推進醫療產品的創新具有重要意義。

LB膜(Langmuir-Blodgett film)技術是一種獨特的納米膜製備技術，能夠在分子水平上精確控製薄膜的厚度和分子排列方式，該技術的核心是利用兩親性分子在氣液界麵上自組裝形成的有序單分子層，隨後通過垂直提拉技術轉移到固體基材上形成薄膜。LB膜技術因其厚度精確可控、分子排列有序、操作簡單且條件溫和等特點，已成為形成具有特定結構和功能的膜係統的重要手段。LB膜技術在多個研究領域中扮演著重要角色，包括生物傳感、生物分子的有序排列、膜蛋白的研究、生物礦化、藥物遞送係統的設計等。LB膜技術提供了一種有效手段來控製膜的結構和性能，進而影響生物分子的相互作用、細胞行為和材料的生物相容性。

LB膜因其獨特的結構和物理化學性質，越來越多的研究致力於將LB膜技術應用於生物基材料的開發和改進方麵。本文重點從LB膜技術在生物基材料製備、改性和界麵相互作用研究等方麵進行綜述，並探討和展望LB膜技術在生物基材料科學與技術中的應用潛力。

1 LB膜技術

LB膜技術起源於20世紀20年代，最初由Agnes Pockels在研究薄膜表麵張力時提出，並由Irving Langmuir進一步發展，實現了將有機單層脂類分子從水麵轉移到固體基底的功能。1934年，Katherine Blodgett發明了可以在空氣/水界麵上垂直提拉、沉積多層膜的儀器，這使得LB膜技術得以發展和完善。

LB膜技術的基本原理是利用具有親水端和疏水端的兩親性分子在氣液界麵上自發形成單分子層。將兩親性分子溶解在揮發性溶劑中，並將溶液滴加到亞相上。隨著溶劑的蒸發，分子會在氣液界麵上自發排列形成單分子層;通過逐漸減小亞相的麵積(通常是使用移動的滑障)，可以增加單分子層的表麵壓力，促使分子更緊密地排列;提拉固體基底通過單分子層，可以將這一層轉移到基底上，形成LB膜。該過程可以重複進行以形成多層結構，從而實現對膜厚度和組成的高度控製，其基本原理如圖1所示。與LB膜技術類似的LS(Langmuir-Schaefer)膜技術也是利用兩親性分子在氣液界麵上形成單分子層，但在轉移過程中采用水平接觸法，即直接將固體基底浸入水中，使基底表麵與單分子層接觸並吸附，由於采用水平接觸法，LS膜通常比LB膜更均勻，並且製備過程相對簡單。然而，LS膜的層數較難控製，通常隻能製備單層或少數幾層膜，主要應用於需要高質量單分子層薄膜的領域，如傳感器、電子器件和表麵改性等。而LB膜技術能夠精確控製膜的厚度和組成，實現多層結構的累積，可獲得高度有序的多層薄膜，適用於生物模擬、傳感技術、材料科學和生物醫學等多個領域。

圖1 LB膜成膜過程

LB膜技術能夠製備出單分子層的薄膜，厚度通常在幾納米範圍內，可以在分子水平上設計和排列分子，形成的LB膜具有高度有序的結構。Jung等在24 mN/m的表麵壓力下利用親水性聚環氧乙烷[poly(ethylene oxide)，PEO]和疏水性含有偶氮苯(azobenzene，Az)部分的聚(甲基丙烯酸酯)[poly(methyl methacrylate)，PMA]衍生物製備了PEO40-b-PMA(Az)19(包含親水和疏水部分的嵌段共聚物)的LB膜，並對該膜的微觀結構進行了表征。

結果表明，通過π-A等溫線計算得到單個疏水PMA(Az)分子的截麵積為0.31 nm2，LB膜的厚度為67.9 nm，膜層數為20，層間距為3.2 nm，顯示出有序的層狀結構，用掠入射小角X射線散射(grazing incidence X-ray scattering，GISAXS)檢測發現，同時垂直於LB表麵存在兩個有序結構，分別為0.4 nm和2.17 nm，前者對應Azs無序取向，後者對應PMA(Az)19有序取向，製備的LB膜具有精確的分子排列和穩定的結構，不僅為研究嵌段共聚物LB膜的結構和性能提供了基礎，也為設計具有特定納米尺度有序結構的功能性材料提供了參考。

Zhang等通過LB膜技術製備了超薄有序的磺化聚醚酮[sulfonated poly(ether ether ketone)，SPEEK]質子交換膜，並探討了該膜的化學結構表征、熱行為以及結晶度對性能的影響。通過溶液法製備得到的SPEEK膜具有較高的水含量和低的熱穩定性，而通過LB膜法製備得到的SPEEK複合膜則表現出更好的機械穩定性和尺寸穩定性。通過實驗研究發現，有序的分子排列可以提高膜的穩定性、抗氧化性和質子傳導性，並且在高溫下仍然表現出優異的性能。通過引入有序排列的通道，顯著降低了膜的吸水率和膨脹率，使膜的質子導電性提高了三倍，達到0.384 S/cm。這種高有序性的超薄SPEEK膜在保持高性能的同時具有低成本的特點。與傳統的溶液法製備相比，LB膜技術能夠更好地控製膜的結構和性質，有望應用於質子交換膜燃料電池等領域。

通過LB膜技術，可以實現兩親性分子在氣液界麵的自組裝，進而轉移到固體表麵形成有序膜，LB膜技術適用於多種類型的分子，如脂質、蛋白質等，並且在材料科學、光學、電化學和生物仿生學等多個領域都有應用。LB膜技術因其獨特的特性而成為材料科學和生物醫學領域中一種重要的工具。隨著納米技術和生物醫學科學的發展，LB膜技術的應用範圍將會進一步擴大。