摘要

LB膜(Langmuir-Blodgett film)技术是一种能够在分子层面精确控制薄膜组装的技术，在生物模拟、传感技术、材料科学和生物医学等多个领域应用十分广泛。在生物基材料方面，LB膜技术能够制备出单层或多层的超薄生物基材料膜，并能通过调节LB膜的组成来有效控制膜的物理化学性质，为构建具有特定功能和性能的生物基材料提供了强大的工具;在生物基材料改性方面，LB膜技术被用于改善材料表面性质和制备具有特殊功能的涂层，从而影响材料的生物相容性和功能性，满足特定的应用需求;在生物基材料界面相互作用方面，LB膜技术被用于构建检测特定生物标志物的高性能生物传感器和监测生物分子的相互作用。随着技术的进步和对生物基材料需求的增长，LB膜技术在未来生物基材料科学与技术中的应用潜力将持续扩大。

生物基材料是指源于动物组织、通过生物制造或化学加工后获得的材料，生物基材料在生物降解性、生物相容性或生物可吸收等方面具有独特优势，在许多领域展现出了巨大的应用潜力，特别是在组织工程、再生医学、医疗器械、药物递送系统等领域。近年来，生物基材料的研究热点主要集中在以下方面:生物基复合材料、递送系统材料、生物基塑料以及生物质的提取与制备技术等，尤其是生物基纳米复合材料，既结合了纳米材料的表界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应等特性，又充分利用了生物基材料的可持续性和环境友好性，已成为当前研究的重要方向。这些复合材料不仅能够提升传统材料的性能，还能开拓新的应用领域，对于推进医疗产品的创新具有重要意义。

LB膜(Langmuir-Blodgett film)技术是一种独特的纳米膜制备技术，能够在分子水平上精确控制薄膜的厚度和分子排列方式，该技术的核心是利用两亲性分子在气液界面上自组装形成的有序单分子层，随后通过垂直提拉技术转移到固体基材上形成薄膜。LB膜技术因其厚度精确可控、分子排列有序、操作简单且条件温和等特点，已成为形成具有特定结构和功能的膜系统的重要手段。LB膜技术在多个研究领域中扮演着重要角色，包括生物传感、生物分子的有序排列、膜蛋白的研究、生物矿化、药物递送系统的设计等。LB膜技术提供了一种有效手段来控制膜的结构和性能，进而影响生物分子的相互作用、细胞行为和材料的生物相容性。

LB膜因其独特的结构和物理化学性质，越来越多的研究致力于将LB膜技术应用于生物基材料的开发和改进方面。本文重点从LB膜技术在生物基材料制备、改性和界面相互作用研究等方面进行综述，并探讨和展望LB膜技术在生物基材料科学与技术中的应用潜力。

1 LB膜技术

LB膜技术起源于20世纪20年代，最初由Agnes Pockels在研究薄膜表面张力时提出，并由Irving Langmuir进一步发展，实现了将有机单层脂类分子从水面转移到固体基底的功能。1934年，Katherine Blodgett发明了可以在空气/水界面上垂直提拉、沉积多层膜的仪器，这使得LB膜技术得以发展和完善。

LB膜技术的基本原理是利用具有亲水端和疏水端的两亲性分子在气液界面上自发形成单分子层。将两亲性分子溶解在挥发性溶剂中，并将溶液滴加到亚相上。随着溶剂的蒸发，分子会在气液界面上自发排列形成单分子层;通过逐渐减小亚相的面积(通常是使用移动的滑障)，可以增加单分子层的表面压力，促使分子更紧密地排列;提拉固体基底通过单分子层，可以将这一层转移到基底上，形成LB膜。该过程可以重复进行以形成多层结构，从而实现对膜厚度和组成的高度控制，其基本原理如图1所示。与LB膜技术类似的LS(Langmuir-Schaefer)膜技术也是利用两亲性分子在气液界面上形成单分子层，但在转移过程中采用水平接触法，即直接将固体基底浸入水中，使基底表面与单分子层接触并吸附，由于采用水平接触法，LS膜通常比LB膜更均匀，并且制备过程相对简单。然而，LS膜的层数较难控制，通常只能制备单层或少数几层膜，主要应用于需要高质量单分子层薄膜的领域，如传感器、电子器件和表面改性等。而LB膜技术能够精确控制膜的厚度和组成，实现多层结构的累积，可获得高度有序的多层薄膜，适用于生物模拟、传感技术、材料科学和生物医学等多个领域。

图1 LB膜成膜过程

LB膜技术能够制备出单分子层的薄膜，厚度通常在几纳米范围内，可以在分子水平上设计和排列分子，形成的LB膜具有高度有序的结构。Jung等在24 mN/m的表面压力下利用亲水性聚环氧乙烷[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]衍生物制备了PEO40-b-PMA(Az)19(包含亲水和疏水部分的嵌段共聚物)的LB膜，并对该膜的微观结构进行了表征。

结果表明，通过π-A等温线计算得到单个疏水PMA(Az)分子的截面积为0.31 nm2，LB膜的厚度为67.9 nm，膜层数为20，层间距为3.2 nm，显示出有序的层状结构，用掠入射小角X射线散射(grazing incidence X-ray scattering，GISAXS)检测发现，同时垂直于LB表面存在两个有序结构，分别为0.4 nm和2.17 nm，前者对应Azs无序取向，后者对应PMA(Az)19有序取向，制备的LB膜具有精确的分子排列和稳定的结构，不仅为研究嵌段共聚物LB膜的结构和性能提供了基础，也为设计具有特定纳米尺度有序结构的功能性材料提供了参考。

Zhang等通过LB膜技术制备了超薄有序的磺化聚醚酮[sulfonated poly(ether ether ketone)，SPEEK]质子交换膜，并探讨了该膜的化学结构表征、热行为以及结晶度对性能的影响。通过溶液法制备得到的SPEEK膜具有较高的水含量和低的热稳定性，而通过LB膜法制备得到的SPEEK复合膜则表现出更好的机械稳定性和尺寸稳定性。通过实验研究发现，有序的分子排列可以提高膜的稳定性、抗氧化性和质子传导性，并且在高温下仍然表现出优异的性能。通过引入有序排列的通道，显著降低了膜的吸水率和膨胀率，使膜的质子导电性提高了三倍，达到0.384 S/cm。这种高有序性的超薄SPEEK膜在保持高性能的同时具有低成本的特点。与传统的溶液法制备相比，LB膜技术能够更好地控制膜的结构和性质，有望应用于质子交换膜燃料电池等领域。

通过LB膜技术，可以实现两亲性分子在气液界面的自组装，进而转移到固体表面形成有序膜，LB膜技术适用于多种类型的分子，如脂质、蛋白质等，并且在材料科学、光学、电化学和生物仿生学等多个领域都有应用。LB膜技术因其独特的特性而成为材料科学和生物医学领域中一种重要的工具。随着纳米技术和生物医学科学的发展，LB膜技术的应用范围将会进一步扩大。