CN101796683A - 仿生人工膜装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种装置，其包含壳体和该壳体内安排的仿生人工膜以形成两间不同的室，其中每间室是为了封装给定组成的液体而提供的，且其中所述仿生人工膜包含用于支持脂膜的半透膜，所述脂膜包含成层排列的多个脂质分子，并至少包含转运蛋白，所述转运蛋白适合于在两间室之间转运所述液体的离子和/或分子。

Description

仿生人工膜装置

发明领域

本发明涉及依照生物学过程开发的装置。

发明背景

提供可持续能源正变为一项越来越多的人设法解决的重要议题。

公认的是，化石能源将不足以响应全球范围内对能源逐渐增加的需要。

如此，已经开发了一些备选办法来通过更可持续的办法替换、或至少增援目前产生能量的方式。

如此，一些开发已经聚焦于诸如水力、风力或太阳能等办法。此类办法是非常鼓舞人心的，因为它们能够产生大量的能量，但是它们也具有极依赖于气候条件的限制。另外这些办法的操作相对于目前的化石办法是非常昂贵的，因此目前的化石办法是占主导地位的。

如此已经提出了聚焦于纳米技术作为新办法的途径。

公认的是，从活生物体的化学内容物收获能量是关键的议题，以便向设计用于实施诊断或治疗作用的微观或纳米系统提供持久的能量供应，特别在不得不替换衰竭器官的情况中。

因此，本发明的目的是提出一种用于解决这些能量问题的新办法。更明确地，本发明旨在提出一种可潜在植入活生物体内的可持续产生能量的纳米技术装置。

发明概述

为了达到上文所提及的目的，本发明提出一种仿生膜装置，如权利要求书中所定义的。

具体地，本发明涉及一种装置，其包含壳体(casing)和该壳体内安排的仿生人工膜以形成两间不同的室，其中每间室是为了封装给定组成的液体而提供的，且其中所述仿生人工膜包含用于支持脂膜的半透膜，所述脂膜包含成层排列的多个脂质分子，并至少包含转运蛋白，所述转运蛋白适合于所述液体的离子和/或分子在所述两室之间的转运。

此仿生膜装置的优选但非限制性的方面如下：

-所述脂膜包含以双层排列的多个脂质分子；

-所述转运蛋白选自Na⁺/K⁺交换剂、Na⁺/H⁺交换剂、Na⁺/葡萄糖交转运蛋白、HCO₃ ^-/Cl^-交换剂、尿素转运蛋白、被动葡萄糖通道、水通道蛋白、被动离子通道(如短杆菌肽A离子通道或缬氨霉素离子通道、或从活细胞分离的更复杂的离子通道蛋白)、镉转运蛋白、菌紫红质、或其组合；

-所述脂膜包含两种不同转运蛋白，或超过两种不同转运蛋白；

-所述仿生人工膜进一步包含聚电解质膜；

-所述装置进一步包含在所述脂膜两侧均安排的电极；

-所述仿生人工膜包含两个脂膜和在所述两个脂膜之间安排的电活性聚合物膜；

-所述支持膜对于所述液体组合物的任何离子和/或分子是可透过的；

-所述支持膜是多孔聚合物、硅或石墨烯(graphene)膜；

-每间室包含用于为该室注入所述给定成分的液体的入口；

-每间室包含用于将所述液体排出该室的出口；

-两室都包含具有相同组成且具有相同离子和/或分子浓度的相同液体；

-所述室之一进一步包含适合于激活用所述转运蛋白在两室之间转运所述液体组合物的离子和/或分子的物质，所述供激活用的物质例如是三磷酸腺苷或本领域任何技术人员知道的能够激活转运蛋白分子的任何其它药物和/或分子；

-所述室之一进一步包含适合于抑制用所述转运蛋白在两室之间转运所述液体组合物的离子和/或分子的物质；

-所述室之一进一步包含对如下物质起作用的酶，所述物质的转运由所述受转运的分子或离子的特征决定，例如所述酶是葡萄糖氧化酶，而所述物质是葡萄糖；

-所述室的壁由硅制成，其部分是多孔硅；

-所述室具有小于1cm³的容积；

-所述膜具有小于100nm，且优选小于20nm的厚度。

本发明还涉及一种燃料电池，其包含上文所描述的装置，其中所述装置适合于产生pH梯度，且其中所述燃料电池包含用于将所述pH梯度转换成能量的手段。对于此类燃料电池，所述装置可以包含包括Na⁺/H⁺转运蛋白的仿生人工膜，且其中所述液体包含NaCl。

附图简述

本发明的其它特征和优点从以下描述会变得清楚，这些描述仅出于例示目的而给出，并且决不是限制性的，而且应当参照附图进行阅读，在所述附图上：

-图1显示了本发明仿生膜装置的原理；

-图2显示了本发明装置的仿生人工膜；

-图3显示了用于测试仿生葡萄糖传感器运行的系统；

-图4是显示与图3的物理系统对应的通用隔室模型的图示。

附图详述

仿生膜装置

本发明提出通过利用对生物学过程的理解来开发电化学能的产生，并开发相应的纳米结构化装置。

更明确地，本发明基于通过产生化学梯度进行的能量产生，因此转换化学能。

离子和水通道在自然界中分布广泛，而且是生物学家和生物化学家公知的。它们是转运蛋白，通过遗传改造技术生成所述转运蛋白是公知的。然而，这种生成并不总是非常容易的，因为跨膜蛋白难以以有效量生成和提取。

生物膜也是广泛已知的；典型的生物膜是脂双层，通常是磷脂双层。

用于产生仿生膜(其是具有与相应的生物学过程类似的性能的人工膜)的方法是公知的。例如，它可以参见书名为“Nanobiotechnology of BiomimeticMembranes”(Springer，NY，2006-ISBN：978-0-387-37738-4)的书目(由此本文通过提及而将其完整收入)中发表的Donald Martin的工作。实际上，可以在此类仿生脂膜中插入任何蛋白质。

本发明的装置中所使用的仿生人工膜一般包含三层。图1和图2中显示了这种复合膜。这些层是：

-多孔物理膜支持物(称作支持膜)，其一般是公知的物质种类可透过的聚合物膜(但是其也可以是多孔硅膜，或者石墨烯膜)；

-脂膜，一般由磷脂制成，其掺入一种或多种转运蛋白。优选地，对脂质进行排列以形成脂双层。此类脂双层膜可以厚约4nm；

-聚电解质膜(也称作聚电解质聚合物“垫”)，其并不总被使用。将此层(通常厚约40nm)插入支持层和脂双层之间以便使脂双层的粘附最大化，同时容许接触支持膜的最底部中的粘度更低且侧向扩散能力更好。

此膜系统以非常显著的方式增强现有的半透膜。现有的半透膜依赖于修饰膜的物理特征以容许对特定分子进行一定程度的选择性转运。例如，在膜材料的选择外，此类修饰还可以包括表面电荷(“可湿性”)和孔径大小(“孔隙率(porosity)”)的组合。然而，此类型的膜在能够选择性控制离子和较大分子的透过性(permeability)方面是受限制的，所述离子和较大分子同时存在于大多数复杂的“真实”流体(例如生物学流体、环境流体)中。

所提出的仿生人工膜系统的优点在于通过使用存在于活细胞系统的脂双层膜中的特定转运蛋白来控制人工膜系统的透过性。如此，提供如下人工膜，其具有以与活细胞系统中存在的类似的方式选择要转运的离子或分子的能力。大块的脂双层为掺入的生物学转运蛋白分子不容许跨膜转运的离子和分子提供隔离。可以通过从提取自活细胞的生物学转运蛋白的工具箱“构筑”人工膜来将此选择性赋予人工膜。

在不同的可用生物学转运蛋白中，我们可以以非限定方式引用：Na⁺/K⁺交换剂(也称作Na⁺/K⁺-ATP酶)、Na⁺/H⁺交换剂(也称作N⁺/H⁺反向转运蛋白、Na⁺/葡萄糖转运蛋白、HCO₃ ^-/Cl^-交换剂、尿素转运蛋白、被动葡萄糖通道、水通道蛋白、被动离子通道(如短杆菌肽A离子通道、缬氨霉素离子通道、或从活细胞分离的其它离子通道蛋白)、镉转运蛋白、或菌紫红质。

仿生人工膜被封装在壳体中，而且以提供两间不同的室的方式安排。两室都适合于以如下方式接受流体，即系统容许的两间室之间进行的仅有的交换可以流过仿生室发生。

如图1中所显示的，优选地，可以提供如下的两室，它们都具有入口和出口，分别用于对该室注入和排出具有特定组成的液体。

原理

图1显示了本发明仿生人工膜装置的原理。

提供一个壳体，其可以构建为扩散室。如所解释的，仿生膜分出两间流体隔室，即可以注满流体的两间不同的室。

若通过硅片技术构建，则壳体可以是高度小型化的。确实，对室壁使用硅(其部分是多孔硅)能够实现用微型电动机械系统(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)技术构建装置。这可以产生小容积(约1cm³或更小)的室，并产生超薄膜(数十纳米)。

在示例性的例子中，仿生膜具有包含Na⁺/K⁺交换剂(Na⁺/K⁺-ATP酶)、Na⁺/H⁺交换剂(Na⁺/H⁺反向转运蛋白)、和内向整流型K⁺通道的脂双层。

最初，两室都含有相同的电解质溶液(例如NaCl＝150mM，KCl＝150mM，pH＝7.4)，只是下部的室含有三磷酸腺苷(ATP)。

初级活性Na⁺/K⁺-ATP酶利用来自ATP结合的Pi来主动转运Na⁺和K⁺离子。此主动转运是生电性的(electrogenic)并建立跨膜的不对称Na⁺和K⁺离子梯度。

次级活性Na⁺/H⁺反向转运蛋白利用由Na⁺梯度建立的势能来建立跨膜的不对称H⁺离子梯度。

内向整流型K⁺通道对于容许跨膜建立K⁺离子的能斯特平衡是必需的。有趣的是，此能斯特平衡会产生电势(例如70-90mV)，其也可以用于此仿生人工膜随后的纳米电子应用(nanoelectronic application)。

此仿生人工膜装置能够产生：

(i)由于离子的生电性流动引起的电流，

(ii)跨膜电势(例如70-90mV)，和

(iii)由于不对称离子梯度引起的显著渗透压，

(iv)纯化的液体，因为使跨膜的多种溶质的液体浓度改变。

此原理还可以适用于制备生物传感器。

因此，本发明的仿生膜装置容许产生化学梯度，其可以出于数个目的使用，如从描述的剩余部分会更显而易见的。

仿生燃料电池

首先可以使用仿生膜装置作为电能的来源。

即，存在从化学梯度直接产生电能的不同方式。

例如，最近已经提出了使用根据pH差异工作的燃料电池。此办法更明确地记载于2006年12月4日提交的法国专利申请n°06-55296，由此通过提及而将其完整收入。

还可以开发其它燃料电池，诸如能量来源是葡萄糖的葡萄糖燃料电池，和能量来源是NaCl的盐燃料电池。

还可以使用该装置作为机械能的来源。

在此情况中，例如该装置可以在基于摩尔渗透压浓度梯度(gradients ofosmolarity)的系统中使用，如记载于2005年2月3日提交的法国专利申请n°05-50314的，由此通过提及而将其完整收入。

梯度可以是特定分子(葡萄糖、葡糖酸盐)的梯度，或者它可以来自水通道蛋白(H₂O转运蛋白)的使用，在该情况中，其是所产生的摩尔渗透压浓度梯度的整体变化。

还可以参考离子交换树脂和水凝胶，其通过体积变化来对变化(例如Na⁺或H⁺变化)产生反应。

还可以使用仿生膜装置来活化EAP(电活性聚合物)，其通过在此类装置的两个面之间产生电压差异来实现。

纯化机制

还可以使用仿生膜装置作为纯化的机制。

在此情况中，该装置可以是人工肾的构件(控制Na⁺转运)。

可以使用该装置来控制尿素(直接地，或者经由与肾单位的各部分的机制类似的机制)。

其可以进一步用于控制水排泄(促成对水平衡的控制)，或水脱盐。

仿生传感器

可以使用仿生膜装置作为传感机制。确实，产生分子梯度能产生依赖于分子初始值的电压。这可以被开发用于测量该分子的浓度。

典型的例子会是葡萄糖传感器。在此情况中，转运的蛋白可以包括SGLT(Na⁺/葡萄糖协同转运蛋白)、或配体激活的离子通道。转运蛋白会需要产生响应于配体结合或所检测分子的协同转运的离子流动。然后会通过标准的电子学来检测离子流量。会将别的转运蛋白(图1中所显示的)添加至图2中所略述的原理，这取决于应用和离子转运要求。

Na⁺和葡萄糖转运之间的偶联的化学计量是定义明确的，其使得直接检测葡萄糖分子的灵敏生物电手段成为可能。此化学计量取决于特定的蛋白质。例如，SGLT1用每个葡萄糖分子转运2个Na⁺离子，而SGLT2用每个葡萄糖分子转运1个Na⁺离子，而SGLT3用每个葡萄糖分子的结合转运2个Na⁺离子。SGLT3是SGLT家族的罕见成员，因为它实际上不转运葡萄糖，但确实可靠地跨膜转运Na⁺离子。认为SGLT3是神经内分泌细胞的生物学葡萄糖传感器。

重要的特征在于SGLT转运依赖于逆葡萄糖浓度梯度转运葡萄糖的现有Na⁺梯度。若没有葡萄糖浓度梯度，则SGLT会发挥Na⁺单向转运功能，而且产生背景生电性Na⁺转运。

文献中有数种抑制剂，包括根皮苷(phloridzin)、根皮素、根皮苷(phlorizin)、对硝基苯葡萄糖、β-萘基葡萄糖、镉、异槲皮苷、绣线菊苷、α-甲基-D-葡糖苷、和ANP。

根据特定的SGLT蛋白，文献中有数种底物，包括果糖、D-葡萄糖、D-甘露糖、半乳糖、α-甲基-D-吡喃葡萄糖苷、α-甲基-D-葡萄糖、甲基氧化偶氮甲醇β-D-葡糖苷、3-O-甲基葡萄糖、2-脱氧-D-葡萄糖、肌醇(Myo-inositol)。

图3显示了用于对仿生葡萄糖生物传感器的运行进行实验的物理系统，其中电流通过上部和下部的室中的电极来测量。所使用的旁注具有以下意义：

-U₁(t)＝Na⁺向上部的室的输入

-U₂(t)＝葡萄糖向上部的室的输入

-U₃(t)＝溶液向下部的室的输入

-k₀₁＝溶液自上部的室的流出

-k₀₃＝溶液自下部的室的流出

-k₀₄＝产物自葡萄糖氧化酶反应的流出

-k₃₁＝SGLT1对Na⁺的(正向)转运速率

-k₃₂＝SGLT1对葡萄糖的(正向)转运速率

-k₁₃＝SGLT1对Na⁺的(逆向)转运速率

-k₂₃＝SGLT1对葡萄糖的(逆向)转运速率

-k₃₄＝通过葡萄糖氧化酶进行的葡萄糖消耗

-k₄₃＝葡萄糖氧化酶反应的产物

图4是显示与物理系统对应的通用隔室模型的图示。在此图示中：

-隔室1表示Na⁺在上部的室中的浓度

-隔室2表示葡萄糖在上部的室中的浓度

-隔室3表示溶液在上部的室中的浓度

-隔室4表示葡萄糖氧化酶在下部室中的浓度

通用隔室模型可以以微分方程的以下线性集描述：

$\frac{d{X}_1}{\mathrm{dt}}=k_{13}{X}_3-(k_{31}+k_{01})X_1+U_1\left(t\right)---\left(1\right)$

$\frac{d{X}_2}{\mathrm{dt}}=k_{23}{X}_3-(k_{32}+k_{02})X_2+U_2\left(t\right)---\left(2\right)$

$\frac{d{X}_3}{\mathrm{dt}}=k_{31}{X}_1+k_{32}{X}_2+k_{34}{X}_4-(k_{13}+k_{23}+k_{03}-k_{43})X_3+U_3\left(t\right)---\left(3\right)$

$\frac{d{X}_4}{\mathrm{dt}}=k_{43}{X}_3-(k_{34}+k_{04})X_4---\left(4\right)$

发明详述

可以开发另一种类型的生物传感器。即可以使用该装置作为仿生光传感器，其中转运蛋白分子会是菌紫红质。此转运蛋白的掺入会产生仿生人工膜系统，其以与视网膜类似的方式对光进行响应。菌紫红质会响应于光而跨膜转运H⁺离子。可以使用例如pH探针或本领域技术人员已知的其它pH传感机制来检测这种H⁺离子流动。

还有可能构建光敏性三维微胶囊。此系统可以提供切缘(cutting-edge)平台，其中使用光作为开关来选择性控制离子通道门控。例如，此类系统的明显应用会在药物递送或受控寻靶中，其中使用中空的微球作为递送剂，而离子通道发挥功能以促进微粒内容物的受控释放。

因为可以构建具有500nm直径的微胶囊，所以可以将光敏性微胶囊的阵列附着至柔性基质以创建例如“人工视网膜”。这是一种创新的办法，用以构建稳固地基于纳米生物技术原理的光敏性材料。即，使用生物学原理引导和影响通过工程化改造和物理科学开发的材料和方法以创建新型微胶囊。因为菌紫红质的光应答的转导产生由于离子流量变化引起的电化学梯度，所以可以将用于创建“人工视网膜”的纳米结构化微胶囊的阵列掺入柔性支持物诸如导电性聚合物上。此类聚合物技术已经存在。电化学离子流量“读出”适合于顺应现有的微芯片技术进行的改编。来自此技术的结果是薄的、柔性的且光敏性的膜，其为光传感器装置(包括“人工视网膜”)提供基础。

转运蛋白在仿生人工膜中的密度

一般要求仿生人工膜具有整体的高离子电导，以便提高整合此仿生膜的装置的性能。

理论上，上限可能是每6个脂质分子约1个转运蛋白分子。然而，上限取决于个体转运蛋白如何在脂双层的脂质分子中间包装和装配，而且的确是复杂的理论计算(取决于结合能等)。

从不同实验表现出，转运蛋白相对于脂质分子的密度的典型运行上界是每1个转运蛋白约10⁵个脂质分子。在认为典型的脂膜中每平方厘米有10¹⁴个脂质分子时，这表示每平方厘米有约10⁹个转运蛋白的转运蛋白密度。

该装置作为燃料电池正确运转的一般原理在于存在有至少足以达到可测量电流的转运蛋白分子密度。可测量的电流可以低到微微安培(pico-ampere)范围内。

若个体转运蛋白具有高离子电导(即，个体地低电阻途径)，则转运蛋白分子的密度可以是相当小的，以便达到可测量的电流。

例如，VDAC蛋白(电压依赖性阴离子选择性通道)具有4nS的极高的单通道电导。因此，VDAC蛋白相对于脂质分子的密度的下界是每1个VDAC蛋白5*10⁹个脂质分子。这表示每平方厘米有2*10⁴个离子通道的离子通道蛋白的密度。

若个体转运蛋白具有低的离子电导，则会需要较大的密度，以达到可测量的电流。

例如，Na⁺/K⁺-ATP酶转运蛋白是这种情况，该酶是产生相对较低电流的酶。虽然如此，由于每摩尔6*10²³个分子，该装置中仍只需要总浓度小的低电导转运蛋白来产生可测量的电流。

实施例

第一系列的实施例涉及装置A，其包含：

-仿生膜(其含有至少一种转运蛋白)，其构成有：

ο磷脂分子，优先地，其以双层排列以模拟活细胞中找到的天然存在的脂双层膜的形式和化学组成，

ο支持聚合物膜，其用于支持脂双层膜，

ο该支持聚合物膜对于脂双层膜中所含有的转运蛋白转运的离子和分子是可自由透过的，

-由该膜分开的两间隔室，

ο最初，为两间隔室注入具有类似浓度的所有分子或离子的液体组合物，

ο隔室之一可以是细胞外液。

在实施例A1中，提供了一种包含单一转运蛋白的仿生膜装置A，所述转运蛋白是Na⁺/K⁺交换剂(ATP依赖性的)。

这导致Na⁺梯度，该Na⁺梯度对于其机械效果，或者作为纯化系统(人工肾)是有用的。

有可能经由渗透效果来产生机械效果，因为3个Na⁺交换2个K⁺。作为一个实例，其中室中的流体具有125毫摩尔/L的NaCl浓度，Na⁺/K⁺交换剂的运行可以跨脂膜建立40毫渗摩尔/L的渗透梯度，其对应于1个大气压的压力。若有足够的ATP，则该泵会继续运行，并且从膜的一侧的Na⁺会被消除。

考虑到Na⁺/K⁺交换剂建立跨膜的125毫摩尔/L Na⁺电化学梯度的特性，所得的电势可以是63毫伏。

还有可能经由离子交换树脂或水凝胶的膨胀来产生机械效果。

在实施例A2中，提供了一种包含单一转运蛋白的仿生膜装置A，所述转运蛋白是HCO₃ ^-/Cl^-交换剂。

此装置产生H⁺梯度，条件是任何酶促系统(例如脲酶)或生物学系统(例如酵母)生成CO₂。还可以反向考虑消除来自呼吸的CO₂。

在实施例A3中，提供了一种包含单一转运蛋白的仿生膜装置A，所述转运蛋白是Na⁺/H⁺交换剂。一个隔室(隔室1)含有葡萄糖氧化酶，而第二个隔室(隔室2)含有脲酶。最初，两间隔室都含有水、NaCl、葡萄糖和尿素。

酶的作用使得在隔室1中生成H⁺并在隔室2中生成OH^-。Na⁺和H⁺之间的交换在统计学上更多地朝提高隔室1中的Na⁺浓度的方向发生。确实，一段时间后会达到稳态，其中Na⁺/H⁺交换剂会将H⁺离子从隔室1转运至隔室2以交换将Na⁺离子从隔室2转运至隔室1。这导致隔室1中的Na⁺离子浓度提高而隔室2中的H⁺离子浓度提高。

此类装置产生显著的Na⁺梯度，其对于机械能产生(经由渗透、离子交换树脂或水凝胶)，或对于液体纯化是有用的。

通过装置A3，可以产生盐燃料电池，其中NaCl是能量的来源。用Na⁺/H⁺交换剂使膜功能化。最初膜两侧都是纯水。在一侧逐渐导入NaCl。这产生Na⁺梯度，其激活与H⁺进行的交换。然后产生H⁺梯度。将这种梯度利用在例如pH依赖性燃料电池中。事实上，任何H⁺对应于电子。

可以通过逐渐溶解NaCl，在人体外操作此装置。与葡萄糖燃料电池(记载于2006年12月4日提交的法国专利申请n°06-55296的)相比的优点在于不需要酶，盐比葡萄糖可溶性更好，而且其分子量更低。因此，功率质量比(powerto mass ratio)可以比葡萄糖燃料电池的好得多。每摩尔NaCl可以产生1摩尔电子。若假定在5个单位的pH梯度下运行(在pH依赖性燃料电池的情况中，其中用1个电子交换每个生成的H⁺)，则这意味着5*60＝300mV，因此该燃料的最大理论功率质量比为96500*0.3/58J/g＝500J/g(要与最好的电池相比，所述最好的电池能够提供160Wh/kg＝576J/g)。然而，它还必须考虑水的重量。

若在人体内使用，则不再需要产生ATP，而是Na⁺梯度。

在实施例A4中，提供了一种包含单一转运蛋白的仿生膜装置A，所述转运蛋白是被动葡萄糖通道。这可以与以下装置一起使用，所述装置记载于2006年12月4日提交的法国专利申请n°06-55296，其中隔室之一是细胞外液(ECF)，而第二隔室含有葡萄糖氧化酶，其用于通过自ECF传递至该第二隔室的葡萄糖来降低pH。在此情况中，困难的问题在于ECF中存在化学缓冲剂，诸如HCO₃ ^-。在A4仿生膜的情况中，葡萄糖氧化酶会在“免于缓冲剂的保护”的情况中工作，因为HCO₃ ^-将不能通过该膜从ECF到第二隔室。

这在帮助降低pH，或由于葡萄糖在葡糖酸盐形式下被捕获而引起的渗透效果方面会是令人感兴趣的。

在添加电极以测量脂双层表面每侧的电势时，有可能将第一系列的所有装置A改成与测试的第二系列对应的装置B，其中使用该装置进行电压测量，或作为生物传感器。

在第三系列的实施例中，提供了一种与A类似的装置C，其中使用两种转运蛋白。

在实施例C1中，提供了一种包含Na⁺/K⁺交换剂(ATP依赖性的)和Na⁺/H⁺交换剂的仿生膜装置C。

这产生H⁺梯度，其可以用于pH依赖性燃料电池。

在实施例C2中，提供了一种包含Na⁺/K⁺交换剂(ATP依赖性的)和HCO₃ ^-/Cl^-交换剂的仿生膜装置C。

可以使用此装置来纯化盐水。

在实施例C3中，提供了一种包含Na⁺/K⁺交换剂(ATP依赖性的)和SGLTx(Na⁺/葡萄糖交换剂)的仿生膜装置C。

这在作为燃料电池使用方面或在消除葡萄糖方面可以是令人感兴趣的。对于后一种，转运葡萄糖的隔室含有葡萄糖氧化酶。然而，这暗示经由阀(valve)消除所生成的葡糖酸盐(驱动此消除的能量可以是渗透能，因为葡糖酸盐被“捕获”)。

在实施例C4中，提供了一种包含尿素转运蛋白和Na⁺/K⁺转运蛋白的仿生膜装置A。后一种产生Na⁺梯度，然后其被前一种使用来提高尿素浓度。或者，可以使用葡萄糖氧化酶来降低一个隔室中的pH，然后使用Na⁺/H⁺和尿素转运蛋白的组合来提高尿素浓度。

可以使用此系统来管理尿素排泄。更明确地，这可以在可植入的人工肾中使用。

在第四系列的实施例中，提供组合了装置B(电压测量)和装置C(两种转运蛋白)的特征的装置D。

例如，对于相应的葡萄糖传感器，通过Na⁺/K⁺交换剂的作用来跨膜建立稳态Na⁺梯度，其中在膜的一侧的Na⁺离子浓度提高。

1个葡萄糖分子与SGLTx转运蛋白的结合结合葡萄糖分子，而且导致SGLTx转运蛋白的构象变化，由此葡萄糖分子和2个Na⁺离子都被跨膜转运。

跨膜电极检测通过2个Na⁺离子的跨膜转运引起的电压或电流的变化。

传感器如下运行，即检测通过SGLTx转运蛋白跨膜协同转运葡萄糖分子和Na⁺离子引起的电流的稳态电压变化。

使用“桥式”电路来检测由于葡萄糖分子和Na⁺离子的协同转运引起的稳态电压或电流的此类小变化。

在第五系列的实施例中，提供了一种装置E，其中由电活性聚合物(EAP)制成的传动器(actuator)位于H⁺依赖性燃料电池的两个半电池之间。

这产生“燃料肌肉”(fuel muscle)，其通过组合利用先前所描述的机制之一产生的pH降低、氧化还原对诸如我们在“葡萄糖燃料电池”中使用的(例如Quinhydrone)，和EAP来实现。

经由合适的电阻建立电接触会导致EAP的弯曲(flexion)。

可能有必要串联连接数个“pH依赖性燃料电池”，以便获得所要求的电压来运行EAP。

在第六系列的实施例中，提供了一种模拟肾的装置F。

为此，提供了序贯组织的数个先前的装置，以便逐渐从输入流体移动至富集了尿素的输出流体(in order to progressively move from an input fluid to anouput fluid enriched in urea)，这是由于连续产生渗透梯度和被动尿素移动。

Claims (23)

1.一种装置，其包含壳体和该壳体内安排的仿生人工膜以形成两间不同的室，其中每间室是为了封装给定组成的液体而提供的，且其中所述仿生人工膜包含用于支持脂膜的半透膜，所述脂膜包含成层排列的多个脂质分子，并至少包含转运蛋白，所述转运蛋白适合于在所述两间室之间转运所述液体的离子和/或分子。

2.权利要求1的装置，其中所述脂膜包含以双层排列的多种脂质分子。

3.权利要求2的装置，其中所述转运蛋白选自Na⁺/K⁺交换剂、Na⁺/H⁺交换剂、Na⁺/葡萄糖转运蛋白、HCO₃ ^-/Cl^-交换剂、尿素转运蛋白、被动葡萄糖通道、水通道蛋白、被动离子通道、镉转运蛋白、菌紫红质、或其组合。

4.权利要求1至3任一项的装置，其中所述脂膜包含两种不同转运蛋白。

5.权利要求1至3任一项的装置，其中所述脂双层膜包含超过两种不同的转运蛋白。

6.权利要求1至5任一项的装置，其中所述仿生人工膜进一步包含聚电解质膜。

7.权利要求1至6任一项的装置，其进一步包含在所述脂膜两侧安排的电极。

8.权利要求1至7任一项的装置，其中所述仿生人工膜包含两个脂膜和在所述两个脂膜之间安排的电活性聚合物膜。

9.权利要求1至8任一项的装置，其中所述支持膜对于所述液体组合物的任何离子和/或分子是可透过的。

10.权利要求1至9任一项的装置，其中所述支持膜是多孔聚合物、硅或石墨烯膜。

11.权利要求1至10任一项的装置，其中每间室包含用于向该室注入所述给定组成的液体的入口。

12.权利要求1至11任一项的装置，其中每间室包含用于将所述液体排出该室的出口。

13.权利要求1至12任一项的装置，其中两室都包含具有所述相同组成且具有相同离子和/或分子浓度的相同液体。

14.权利要求13的装置，其中所述室之一进一步包含适合于激活用所述转运蛋白在两室之间转运所述液体组合物的离子和/或分子的物质。

15.权利要求14的装置，其中所述供激活用的物质是三磷酸腺苷。

16.权利要求13至15任一项的装置，其中所述室之一进一步包含适合于抑制用所述转运蛋白在两室之间转运所述液体组合物的离子和/或分子的物质。

17.权利要求13至16任一项的装置，其中所述室之一进一步包含对如下物质起作用的酶，所述物质的转运由所述受转运的分子或离子的特征决定。

18.权利要求16的装置，其中所述酶是葡萄糖氧化酶，而所述物质是葡萄糖。

19.权利要求1至18任一项的装置，其中所述室的壁由硅制成，其部分是多孔硅。

20.权利要求1至19任一项的装置，其中所述室具有小于1cm³的容积。

21.权利要求1至20任一项的装置，其中所述膜具有小于100nm，且优选小于20nm的厚度。

22.一种燃料电池，其包含权利要求1至21任一项的装置，其中所述装置适合于产生pH梯度，且其中所述燃料电池包含用于将所述pH梯度转换成能量的手段。

23.权利要求22的燃料电池，其中所述装置包含包括Na⁺/H⁺转运蛋白的仿生人工膜，且其中所述液体包含NaCl。

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