CN104144737B - 基于水通道蛋白的薄膜复合膜 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种薄膜复合膜，其中并有两亲媒性囊泡的薄选择性层由微孔基板支载。也揭示制备薄膜复合膜的方法及其用途。

Description

基于水通道蛋白的薄膜复合膜
技术领域
本发明是关于薄膜复合膜，其中水通道蛋白(aquaporin)水通道已并入活性层中。此外，本发明是关于一种制造该薄膜复合膜的方法及其在过滤制程(诸如奈米过滤及渗透过滤制程)中的用途。
背景技术
随着世界范围内淡水及能源日益短缺，愈来愈多地关注海水及半咸水的淡化。使用诸多技术，诸如多效蒸馏(multi-effect distillation，MED)、多级闪蒸(multistageflash，MSF)及蒸汽压缩以及膜淡化(如逆渗透(reverse osmosis，RO)或奈米过滤(nanofiltration，NF))[1]。
生物膜展示经由水通道蛋白(AQP)蛋白质跨渗透压梯度的水输送特性的最有效方式[2]，其中水信道蛋白结合于磷脂细胞膜中，水可自由通过生物膜而离子却不能。据估计由2000:1莫耳比的脂质/AQP组成的仿生膜将具有960L/m2·h的水渗透率，其远高于文献[3]中所提及的RO/FO膜的值。因此，基于AQP的仿生膜在水淡化、水回收及废水处理等领域中具有极大应用潜力。
可开发人工膜来模拟天然细胞膜，此通过将AQP并入超薄两亲媒性脂质膜/两亲媒性嵌段共聚物膜中，及/或将AQP并入两亲媒性脂质/两亲媒性嵌段共聚物囊泡中，随后将含有AQP的囊泡并入作为载体的微孔基板(substrate)上的选择性层中来达成。美国专利7,208,089[4]「Biomimetic membranes」描述如何将膜蛋白并入膜中以实现水纯化。该发明的较佳形式描述利用朗缪耳-布罗基特槽(Langmuir-Blodgett trough)在25mm商用超滤盘的表面上沈积5nm厚的合成三嵌段共聚物及蛋白质单层，随后利用254nm UV光使聚合物交联。最后，用多孔PVDF膜覆盖单层表面以确保安全操作及防止边缘处渗漏。通过将装置安装在迫使加压水穿过膜的腔室中来对其进行分析。然而，尚无任何资料支持该膜在嵌有膜蛋白后良好地用于水淡化。美国专利7,857,978[5]「Membrane for filtering of water」描述如何使脂质双层并有AQP且配置成夹层结构以用于水纯化。然而，仍也无数据支持水淡化可用呈夹层结构的基于AQP的脂质双层膜进行。
基于可获得的已发布的报告及研究，仍无任何公开专利或文献提及已成功地制造水信道分子(诸如AQP)并入选择性层中的水淡化膜。另一方面，已提示水纯化技术可通过将AQP蛋白质表现至脂质层囊泡中且将此等膜浇铸在多孔载体上来形成[5]。用此概念制造仿生膜的一些尝试已发表于文献[3,6,7]中。Nielsen等人提出用于水纯化或分离目的的仿生膜的设计，其中水通道蛋白质跨过隔板嵌入脂质或其他两亲媒性基质中，使用囊封及缓冲材料来支载膜[6]。基于该想法，制造仿生膜的一些尝试已实现且可见于公开文献中，其中跨过疏水性膜(诸如铁氟龙膜(Teflon film))的一或多个孔形成双层脂膜(BLM)的平面脂膜且利用水凝囊封高度交联以使最终膜稳定[11-13]。此外，Wong等人[7]提出双层脂膜(BLM)的独立平面脂膜可通过将脂质原位囊封于跨过铁氟龙隔板中的孔形成的(PMOXA-a-PDMS-b-PMOXA-a)型三嵌段共聚物膜中来获得。Wang等人[3]提出经由在锚定至涂有金的多孔氧化铝的羧化聚乙二醇聚合物层表面上展布水通道蛋白Z(AqpZ)-1,2-二肉豆蔻酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱(DMPC)(DMPC-AqpZ)囊泡的孔隙悬浮仿生膜，且其主张根据停流量测法，基于DMPC-AqpZ囊泡的仿生膜的水渗透率为膜中仅育有DMPC脂质囊泡者的3,000倍。以上设计的主要顾虑为缺乏足够机械强度用于膜过滤、保证水通道蛋白的稳定性、避免膜缺陷及制造较大面积膜的制造技术的可缩放性。此外，以上文献均未展示膜对于淡化目的的适用性。最后，现有设计通常仅适用于制造较小膜面积(cm2级)。
基于逆渗透(RO)的淡化在最近几十年内已经历迅速发展。当前海水RO膜通常为薄膜复合(TFC)型，其中通过二胺及均苯三甲酰氯单体的界面聚合形成约200nm的聚酰胺阻挡层。尽管相较于过去30年膜分离性质已得以显著改良，然而现代海水RO膜典型地具有约0.8Lm-2h-1bar-1的相对较低的水渗透率(Tang,C.Y.,Y.-N.Kwon及J.O.Leckie,Effect ofmembrane chemistry and coating layer on physiochemical properties of thinfilm composite polyamide RO and NF membranes II.Membrane physiochemicalproperties and their dependence on polyamide and coating layers.Desalination,2009.242(1-3):第168页至第182页)。同时，若干近期研究已集中于合成较高渗透率的RO膜，诸如基于沸石的薄膜奈米复合膜[Wang,H.,B.A.Holmberg及Y.Yan,Homogeneouspolymer-zeolite nanocomposite membranes by incorporating dispersibletemplate-removed zeolite nanocrystals Journal of Materials Chemistry2002.12:第4页]。
然而，归因于受限水力渗透性的高能量消耗仍为TFC膜用于包括淡化在内的水过滤目的的障碍，参见Elimelech等人,The Future of Seawater Desalination:Energy,Technology,and the Environment；Science333,712(2011)。
因此，本发明的一目的为提供水渗透率、机械强度及规模扩大潜力得以改良的薄膜复合膜。本发明的另一目标为提供能量需求降低因此适用于水淡化目的的薄膜复合膜。此外，本发明的一目的为提供过滤膜，其中功能性水信道蛋白水信道并入利用界面聚合反应在多孔膜基板表面上形成的薄膜复合层中。
发明内容
本发明是关于基于水通道蛋白的薄膜复合膜及其制备。超薄选择性层并有两亲媒性脂质-AQP/两亲媒性共聚物-AQP囊泡且由微孔基板支载。所得薄膜复合膜显示较高水通量，该水通量在脂质-AQP/共聚物-AQP囊泡并入薄膜复合活性层时甚至更高。两种膜类型对溶质离子保持类似且较高的阻挡率。当今无其他已知技术可达成此目的。在本发明的另一具体实例中，超薄选择性层并有不具有水通道蛋白的两亲媒性脂质/两亲媒性共聚物囊泡。
此外，本发明是关于一种制备过滤膜的方法，其中在多孔基板表面上通过添加有两亲媒性脂质/共聚物囊泡悬浮液的(芳族)胺的水溶液与随后添加的酰氯于有机溶剂中的溶液的界面聚合以允许胺及酰氯在其中形成聚酰胺活性TFC层来产生薄膜。在薄聚酰胺膜形成期间，可能呈并有或未并有水通道蛋白的脂质体或聚合物体(polymersome)(蛋白脂质体或蛋白聚合物体)形式的囊泡成为活性层的一部分。该包含具有或不具有水信道蛋白水信道的脂质体或聚合物体悬浮液的胺水溶液为适用于形成本发明的薄膜复合膜的新颖中间产物。
附图说明
图1显示基于AQP的薄膜复合膜所用微孔基板的横截面的扫描电子显微照片(SEM)：(a)商用UF膜(MWCO，50,000道尔顿)及(b)自制UF膜。
图2显示PMOXA15-PDMS67-PMOXA15囊泡的穿透式电子显微照片(TEM)。
图3显示具有或不具有AqpZ的DOPC脂质囊泡的停流量测。相同数据提供于图9中。
图4显示来自具有或不具有AqpZ的PMOXA15-PDMS67-PMOXA15(PMOXA-b-PDMS-b-PMOXA)聚合物囊泡的停流量测的标准化光散射数据。实心点及线为具有AqpZ的聚合物体，k值为505s-1，且空心点及虚线为不具有AqpZ的聚合物体，k值为14s-1。
图5显示交叉流RO装置，其中测试所制备基板及复合膜的固有分离性质。膜固定于测试单元的顶板与底板之间。进料溶液自进料槽泵出，流过膜的活性层且返回至槽中。收集渗透物且量测溶质的重量及浓度以测定通量及阻挡率。交叉流RO装置用于量测膜的固有分离性能。(1)进料槽。(2)泵。(3)、(4)及(5)分别为进料、保留物及渗透物的压力转换器。(6)膜单元。(7)天平。
图6显示形成基于AQP的薄膜淡化膜的界面聚合制程的示意图。
图7显示并有具有/不具有AQP的脂质囊泡的TFC膜的水通量及溶质阻挡率的比较。DOPC：含0.08mg/ml DOPC囊泡的胺溶液(1.5wt％MPD，98.5wt％H2O)；AQP：含0.08mg/ml并有AqpZ的DOPC(DOPC:AqpZ，200:1，莫耳比)囊泡的胺溶液(1.5wt％MPD，98.5wt％H2O)。测试条件：500ppm NaCl，在收集之前压实3小时。
图8显示并有具有/不具有AQP的聚合囊泡的TFC膜的水通量及溶质阻挡率的比较。P-囊泡：含0.08mg/ml聚合物体(PMOXA15-PDMS67-PMOXA15)囊泡之胺溶液(1.5wt％MPD，98.5wt％H2O)；AQP：含0.08mg/ml并有AqpZ的DOPC(DOPC:AqpZ，50:1，莫耳比)囊泡的胺溶液(1.5wt％MPD，98.5wt％H2O)。测试条件：500ppm NaCl，在收集之前压实3小时。
图9显示不同囊泡的标准化光散射。图中显示以下三种不同种类囊泡的速率常数k值及水渗透率：并有野生型Aqpz的DOPC蛋白脂质体、并有Aqpz R189A的DOPC蛋白脂质体(脂质与蛋白质比率为200:1)及DOPC脂质体。速率常数(k)自5至10次量测的平均动力学通过将图曲线拟合成一阶指数来测定。水渗透率根据本文中方程式1计算。
图10为显示不同膜的RO测试性能的直方图，其中试验条件为5巴、10mM NaCl。
图11为显示随压力自2.5巴增加至10巴而变的水通量及NaCl阻挡率的图式。PSUF200+DOPC+野生型Aqpz为具有包含并有活性Aqpz的DOPC蛋白脂质体的聚酰胺层的膜。PSUF200为具有正常聚酰胺层的膜。PSUF200+DOPC+Aqpz R189A为具有包含并有失活Aqpz的DOPC蛋白脂质体的聚酰胺层的膜(实验描述为图10及图11所必需，参见图6)。
图12为显示各种脂质体及相应蛋白脂质体的水渗透率的直方图。
图13为显示与水信道蛋白Z在一系列蛋白质与脂质比率(0、1:800、1:400、1:200、1:100及1:50)下重组的大肠杆菌提取脂质、DOPC脂质及DOPC胆固醇(7:3)混合物蛋白脂质体的水渗透率测试结果的图式。
具体实施方式
缩写AQP在本文中用于表示水信道蛋白水信道。AqpZ例如在实施例中特定用于大肠杆菌(E.coli)水通道蛋白Z。然而，AqpZ在本文中也用作水信道蛋白水信道的一般实例。包括水甘油通道蛋白(aquaglyceroporin)在内的天然存在或合成制造的所有已知蛋白质水通道分子均适用于本发明。
如本文所用，术语「微孔(microporous)」描述制备水通道蛋白薄膜复合膜所用的载体材料的特征，涵盖奈米级至微米级的孔隙度范围。较佳孔隙度典型地呈微米级。
本文中所用两亲媒性脂质的实例为大肠杆菌提取脂质(也称为大肠杆菌混合脂质)、大豆磷脂(asolectin)、DOPC及DPhPC，所有该等脂质均可自Avanti Polar Lipids,Alabaster,Alabama,USA购买。
本文中所用两亲媒性共聚物的实例为A-B-A类型，其中较佳三嵌段共聚物实例PMOXA-a-PDMS-b-PMOXA-a、更特定言之诸如PMOXA15-PDMS67-PMOXA15、PMOXA15-PDMS110-PMOXA15、PMOXA15-PDMS119-PMOXA15及PMOXA6-PDMS35-PMOXA6可自Polymer Source,Canada购买；或者三嵌段共聚物可为非离子清洁剂，诸如Synperonic PE/L64(由FLUKA出售的EO10PO30EO10)及Pluronic PE10300(由BASF出售的EO12PO56EO12)。此外，A-B-C类型的三嵌段共聚物可适用于本发明，诸如Roxana Stoenescu等人(2004)「Asymmetric ABC-Triblock Copolymer Membranes Induce a Directed Insertion of MembraneProteins」Macromolecular Bioscience,第930页至第936页所描述。在本文的三嵌段共聚物中，A及C为亲水性部分，且B为疏水性部分。A-B类型的二嵌段共聚物也适用于本发明的某些具体实例，例如EO61PO95、EO10Bd12、EO14Bd35、EO23Bd46、EO48DMS70及EO15BO16。两亲媒性共聚物的选择准则可视待并入的水信道蛋白水信道蛋白质的特定类型而定。然而，存在几个一般准则，诸如嵌段的稳定化学性质、疏水段的长度能够通过「直接(direct)」匹配或通过能够折迭至匹配中来匹配水通道蛋白蛋白质的疏水段，意即在A-B-A嵌段共聚物的B嵌段中具有最多约140个重复单元而对于A-B嵌段共聚物具有最多约100个重复单元。此外，疏水区较佳具有相对较强的疏水性，且亲水性/疏水性比率应促进囊泡形成。EO＝环氧乙烷，PMOXA＝(聚)2-甲基恶唑啉，PO＝环氧丙烷，BO＝环氧丁烷，PDMS＝(聚)二甲基硅氧烷且Bd＝丁二烯。
本文中所用载体膜较佳为多孔聚砜或聚醚砜片，其可如本文中所揭示制备或自供货商获得。可使用其他类型的多孔载体材料，且熟习此项技术者应了解如何选择适合的载体膜。
如本文所用的术语「囊泡(vesicle)」表示脂质体及蛋白脂质体以及聚合物体(聚合囊泡)及蛋白聚合物体。
术语「双价(bivalent)」及「二价(divalent)」在本文中可互换使用。
「渗透过滤制程(osmotic filtration process)」在本文中意谓如此项技术中一般认可的逆渗透、正渗透及压力延滞渗透制程的任何类型。更特定言之，本文中相关的渗透制程皆关于涉及水性介质的分离制程。渗透分离制程的目的可为自水性介质提取水以便获得更浓缩的介质，或其可自诸如废水、半咸水或海水的来源获得纯化水。最后，在压力延滞渗透中，目的为通过经由水选择性及盐不透性膜自含盐相对较少的水源提取纯水至含盐较多的接受者中来产生能量。
使用两种类型的囊泡来形成基于AQP的薄膜复合膜：(1)两亲媒性脂质-AQP囊泡及(2)两亲媒性聚合物体-AqpZ囊泡。也制备未并有AQP的囊泡用于比较目的。此外，也制备并有失活AqpZ变体(AqpZ R189A)的囊泡用于比较目的。
第一囊泡类型为可根据以下方式形成的两亲媒性脂质-AQP囊泡。首先，利用各种类型的两亲媒性脂质将纯化的AqpZ重组至蛋白脂质体中，该等两亲媒性脂质包括大肠杆菌脂质提取物、DPhPc(1,2-二-3,7,11,15-四甲基十六酰基)-sn-甘油-3-磷酸胆碱)、DOPC(1,2-二油酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱)及POPC(软酯酰基油酰基磷脂酰胆碱)等。随后，通过经0.4μm孔径聚碳酸酯过滤器挤出将脂质制备成单层且均质的预成形脂质体。添加纯化的AqpZ至脂质体悬浮液中且在室温下培育1小时，随后装载至透析管中(分子质量截止点为12,000至14,000)且在室温下相对于100体积的pH7.5的20mM磷酸盐缓冲液透析24小时至72小时。最后，脂质体再次经0.2μm孔径挤出。利用动态光散射量测所获得的蛋白脂质体的直径，且结果显示于表1中。
通过英国应用光物理公司(applied photophysics)停流光谱仪量测具有或不具有AqpZ的脂质/聚合囊泡的水渗透率，且水渗透率可利用以下方程式来计算：
其中S为囊泡的初始表面积，V0为囊泡的初始体积，Vw为水的莫耳体积(18cm3/mol)，且Δosm为囊泡上容积渗透浓度的差值，也即囊泡内水溶液与囊泡外水溶液之间的容积渗透浓度差值。
并有或未并有AqpZ的脂质的水渗透率的一些实例阐明于表1中。结果显示AqpZ可良好地重组于DOPC中。
表1.不同脂质中重组的AqpZ之水渗透率(Pf)特性化
k值，s-1 囊泡直径，nm Pf，cm/s
仅DOPC脂质 19.3±0.2 157 0.00737±0.000076
DOPC脂质-AqpZ(200:1) 188±20 116.7 0.057±0.006
速率常数(k)自5至10次量测的平均动力学通过将图曲线拟合成二阶指数来测定，也参见图3及图9中的类似数据，图9提供由如下DOPC囊泡得到的另一曲线：并有水通道蛋白Z变体AqpZ R189A，具有可忽略的水输送，产生21s-1k值及88μm/s Pf值。图9中的图式显示不同囊泡(脂质体及蛋白脂质体)随时间而变的标准化光散射。图中显示以下三种不同种类的囊泡的速率常数k值及水渗透率：并有野生型AqpZ的DOPC蛋白脂质体、并有AqpZ R189A的DOPC蛋白脂质体(两种类型蛋白脂质体的脂质与蛋白质比率均为200:1)及DOPC脂质体。速率常数(k)自5至10次量测的平均动力学通过将图曲线拟合成一阶指数来测定。水渗透率根据方程式(1)计算。此外，图4显示聚合物体的停流实验之结果。来自具有及不具有AqpZ的PMOXA15-PDMS67-PMOXA15(PMOXA-b-PDMS-b-PMOXA)聚合物囊泡的标准化光散射曲线，其中实心点为具有AqpZ的聚合物体的数据点，k值为505s-1，且空心点为无AqpZ的聚合物体的数据点，k值为14s-1。该图清楚显示AqpZ并入聚合物体中使得否则将相对水密的囊泡的水渗透率得以较大改良。
另一囊泡类型为聚合物体-AqpZ囊泡，其可根据以下方式形成。(1)制备两亲媒性共聚物PMOXA-a-PDMS-b-PMOXA-a的聚合囊泡，其中a可在约10至约20范围内，且b可在约100至约120范围内(较佳为PMOXA15-PDMS67-PMOXA15)，在剧烈搅拌下将共聚物溶解于氯仿中且在室温下静置以便均匀混合在一起，该共聚物于溶液中的浓度为1.0w/v％至20.0w/v％(8w/v％至12w/v％)。随后，在旋转蒸气蒸发仪中在氮气冲洗下蒸发氯仿。共聚物在真空烘箱中在0.3毫巴下在室温下进一步干燥隔夜以移除痕量剩余溶剂。随后，向干燥的嵌段共聚物中添加1ml PBS溶液且再将混合物剧烈搅拌持续预定的持续时间。所获得的聚合物体囊泡的直径由TEM影像显示(图2)，且聚合物体囊泡直径在200nm至350nm范围内(左侧部分显示聚合物体的染色且右侧部分显示聚合物体的聚集)。(2)制备聚合物体-AqpZ囊泡，制备聚合物体-AqpZ囊泡的制程与脂质囊泡相同，但将脂质与AqpZ比率由200:1(莫耳比)变为20:1至500:1(较佳50:1至200:1，莫耳比)。
图6中描述制备基于AQP的薄膜复合膜所用的制程及化学反应。此处，首先将用作载体的商用微孔UF膜在60℃至90℃(70℃至80℃)Milli-Q水中加热1分钟至5分钟(1分钟至2分钟)且在室温Milli-Q水中冷却以达成稳定细孔结构。随后移除基板，用压缩空气移除表面上的水，且用含有具有或不具有AqpZ的囊泡的胺水溶液覆盖表面侧持续2分钟至20分钟(5分钟至10分钟)，其中，胺溶液中囊泡的浓度在0.02mg/ml至0.5mg/ml(较佳0.05mg/ml至0.2mg/ml)范围内。随后，自表面移除溶液。完成此操作的一种方法为使基板于空气中垂直竖立5分钟至30分钟(较佳5分钟至15分钟)，随后用压缩氮气且在0.5巴至3巴(较佳1巴至2巴)下吹拂表面1分钟至2分钟以移除表面上任何可能的聚集的囊泡，随后使基板继续再垂直竖立干燥10分钟至40分钟(较佳15分钟至25分钟)，以使任何可能的过量溶液澈底地离开表面。随后，将酰氯有机溶液倾于饱和基板的表面上且使之反应0.5分钟至10分钟(1分钟至2分钟)，随后在基板表面上形成并有具有/不具有AqpZ的囊泡的超薄聚酰胺选择性层。冲洗新生复合膜以澈底移除残余反应物且储存于Milli-Q水中，且储存于Milli-Q水中直至使用。具有两个胺官能基的芳族胺(诸如间苯二胺(MPD))在该制程中适用或较佳。然而，熟习制备界面聚合的薄膜活性层的技术者应能够选择其他适用的胺化合物。同样地，本文中所用的酰氯较佳为具有三个酰氯基团的均苯三甲酰氯(TMC)，由此提供与MPD的极佳交联，产生芳族聚酰胺层(AP层)。因此，本发明的一态样是关于含有具有或不具有AqpZ或其他水信道蛋白水信道的囊泡的胺水溶液，其中该胺较佳为具有两个或两个以上胺官能基的芳族胺，诸如间苯二胺，且该等囊泡可为视情况具有另一胆固醇掺合物(诸如在脂质囊泡另外含有水通道蛋白的情况下，约20莫耳％至40莫耳％)的两亲媒性嵌段共聚物或两亲媒性脂质囊泡。该含有囊泡的胺溶液为适用于制备本发明的薄膜复合膜的新颖中间产物。
通过在Milli-Q水中溶解间苯二胺(MPD)单体及具有/不具有AqpZ的囊泡(悬浮)来制备胺溶液。单体及视情况选用的添加剂的浓度为0.5wt％至4.0wt％(1.0wt％至2.0wt％)。通过在具有或不具有视情况选用的添加剂的有机溶剂(诸如己烷、(正已烷)或环己烷)中溶解均苯三甲酰氯(TMC)单体来制备酰氯溶液。添加剂是选自ε-己内酰胺、N,N-二丁基甲酰胺、双(伸戊基)脲、辛酸乙酯、十二烷基磺酸钠及其组合。所用酰氯单体的浓度为0.05wt/v％至2wt/v％(0.1wt/v％至0.5wt/v％)。反应阐明于如图6所示的流程中。
在吾人的RO实验中，并有不具有AqpZ的两亲媒性脂质/聚合囊泡的薄膜复合膜的水通量相对较高且随施加压力的增加而增加。对于含有两亲媒性脂质/聚合-AqpZ囊泡的TFC膜可见相同模式，其中与仅并有不具有AqpZ的两亲媒性脂质/聚合囊泡的膜相比获得甚至更高的水通量，但两种类型的膜对溶质(诸如氯化钠)保持类似的阻挡率，参见图7及图8。图10及图11中提供其他数据，显示根据本发明制备但并有具有失活水通道蛋白Z的DOPC囊泡的TFC膜并未显示改良的水通量，但维持盐阻挡率。图10为显示根据本文实施例制备的不同膜与两种商用膜(BW30及SW30HR)相比的RO测试性能的直方图，其中测试条件为5巴，10mMNaCl。在图中，A表示PSUF200+DOPC+野生型Aqpz，B表示PSUF200，C表示PSUF200+DOPC+AqpzR189A，D表示BW30且E表示SW30HR.。PSUF200+DOPC+野生型Aqpz为具有包含并有活性Aqpz的DOPC蛋白脂质体的聚酰胺层的膜。PSUF200为具有正常聚酰胺层的手工浇铸聚砜膜(200μm)。PSUF200+DOPC+Aqpz R189A为具有包含并有失活Aqpz的DOPC蛋白脂质体的聚酰胺层的膜。该图清楚显示并有或未并有水信道蛋白水信道的本发明TFC膜与商用RO海水淡化膜(SW30HR)相比显示出较高水通量(LMH/bar)及NaCl阻挡率。此外，该图显示具有野生型水信道蛋白Z的本发明TFC膜与商用RO半咸水淡化膜(BW30)相比具有显著较高的水通量(LMH/bar)。
图11为显示随压力自2.5巴增加至10巴而变的水通量及NaCl阻挡率的图式。PSUF200+DOPC+野生型Aqpz为具有包含并有活性Aqpz的DOPC蛋白脂质体的聚酰胺层的膜。PSUF200为具有正常聚酰胺层的膜。PSUF200+DOPC+Aqpz R189A为具有包含并有失活Aqpz的DOPC蛋白脂质体的聚酰胺层的膜。
此外，并有聚合物体-AqpZ囊泡(50:1莫耳比)的复合膜之通量为仅聚合物体并入复合膜中的膜通量的2倍。且基于AqpZ的淡化膜可维持高于200磅/平方寸的压力。基于此等性能数据，吾人可推断本发明所揭示的基于水通道蛋白的薄膜复合膜在水淡化、水回收及废水处理等方面具有前景。
本发明所涵盖的修改
未来将研究以下方法以进一步改良膜性能：
1.旋涂法，诸如在膜基板已用胺溶液浸泡之后利用旋涂法在膜基板表面上沈积脂质/聚合囊泡(具有或不具有AqpZ)。
2.膜表面涂布。在面对污水源时可在界面聚合之后使用交联水凝胶(如PVA、PVP等及其衍生物)涂覆涂层以保护具有AqpZ的脂质/聚合囊泡。
3.基于AQP的薄膜复合膜也可应用于使用薄且较多孔的微孔基板作为基板的正渗透及压力延滞渗透应用中。
4.本发明可研究及涵盖其他类型的水通道蛋白、脂质及聚合囊泡组合。
5.可并有其他类型的天然或合成水信道或离子信道。
新颖特征
如吾人所知，生物膜展示经由水通道蛋白蛋白质跨渗透压梯度的水输送特性的最有效方式[2]。已针对人工膜作出若干努力来模拟天然细胞膜，即通过将AQP并入超薄两亲媒性脂质膜/两亲媒性嵌段共聚物膜(film)及膜(membrane)中。举例而言，美国专利7,208,089[4]「Biomimetic Membranes」已描述如何将膜蛋白并入膜中来实现水纯化。然而，无数据显示此等膜有用于淡化。膜的机械强度为主要问题。美国专利7,857,987[5]「Membranefor Filtering of Water」描述如何使并有AQP的脂质双层配置成夹层结构以用于水纯化。然而，也无数据支持水淡化可以呈夹层结构的基于AQP的脂质双层膜进行。
直至目前，仍无任何公开专利或文献提及成功地制造水信道分子(诸如AQP)并入功能层中的水淡化膜。本发明研制包含并有由微孔膜基板支载的AQP-脂质/AQP-聚合物囊泡的超薄选择性层的基于水通道蛋白的薄膜复合淡化膜。
一个具体实例使用薄膜阻挡层中并有/未并有AQPZ的脂质囊泡，且另一具体实例使用薄膜阻挡层中并有/未并有AQPZ的聚合囊泡。所有基于AqpZ的薄膜复合膜与仅并有脂质/聚合囊泡的膜相比显示较高水通量。此外，本发明研制的膜能够经受住高压(\200磅/平方寸)。制造技术可易于规模放大。由此将使本发明所揭示的基于AQP的薄膜复合膜能够用于水淡化、水回收及废水处理等的极有前景的具体实例中。
效用
在本发明中，研制基于水通道蛋白的薄膜复合膜，其中超薄选择性层并有由微孔基板支载的两亲媒性脂质-AQP/两亲媒性共聚物-AQP囊泡。超滤膜用作载体基板，且含有该等两亲媒性囊泡的薄选择性层经由界面聚合在基板上形成。本发明中的基于AQP的薄膜复合膜通过将含水通道(诸如AqpZ)的囊泡并入薄选择性层中来制备。在此方法中，囊泡被完全固定至选择性层中，其使得在使用其他方法(如在公开文献中多次提及的囊泡融合[14]或朗缪耳-布罗基特槽法[4])时在长期操作期间囊泡/水通道蛋白的不稳定性的风险降低。采用薄膜复合层作为容纳含有AQP的囊泡的基质也确保所得膜的机械稳定性。在结构方面，并入薄选择性层中的囊泡中具有或不具有AqpZ的脂质/聚合囊泡及本发明的基于AQP的膜与选择性层中仅具有脂质/聚合囊泡者相比可达到甚至更高的水通量及相当的盐阻挡率。此方法开创了经由界面聚合将各种含有天然及/或合成水信道以及离子信道的囊泡并入选择性层中的新局面，且产生较高水渗透率的膜。
本发明中所提及的膜可应用于许多应用中且具有前景，该等应用包括用于海水及半咸水淡化、水回收、超纯水制造、水软化、饮用水生产、水纯化、废水处理[15]、海水及盐水淡化[16,17]、食品加工[18,29]等的逆渗透(RO)或正渗透(FO)，且其有用于逆渗透、奈米过滤、正渗透及压力延滞渗透应用。
实施例1.制备脂质体及蛋白脂质体
制备所用的材料及方法
除非另外提及，否则使用来自Milli-Q超纯水系统(Milli-pore Singapore Pte有限公司)的电阻率为18.2MΩcm的超纯水来制备本研究中的试剂。纯度大于99％的分析级NaCl、KCl、KH2PO4、MgCl2、MgSO4及Na2SO4购自Merck(Germany)。蔗糖(超纯级)获自USB公司(Cleveland,USA)。水通道蛋白Z表现及纯化中所用的化学物(包括胺苄青霉素(Ampicilin)、氯霉素(Chloramphenicol)、IPTG、Tris、β-巯基乙醇、甘油及溶菌酶)获自Sigma-Aldrich且为ACS(美国化学学会)级或SigmaUltra级。Benzonase购自Merck。Ni-NTA树脂购自Bio-Rad。正辛基-b-D-葡萄哌喃糖苷(OG，超纯级，Merck,Germany)在蛋白脂质体制备期间用作清洁剂。当前研究中所用脂质包括1,2-二油酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱(DOPC)、大肠杆菌提取脂质、1,2-二植烷酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱(DPHPC)、1,2-二油酰基-sn-甘油-3-磷酸-(1'-外消旋-甘油)(钠盐)(DOPG)及1,2-二油酰基-3-三甲铵-丙烷(氯盐)(DOTAP)。此等脂质由Avanti Polar Lipids(Alabama,USA)以氯仿溶液(20毫克脂质/毫升)的形式提供。脂质保持于-20℃冰箱中直至使用。所有化学物均未作进一步纯化即使用。在一些实验中，胆固醇(Avanti Polar Lipids)用作蛋白脂质体制备的添加剂。
水通道蛋白Z(AqpZ)表现及纯化
在本研究中选择AqpZ(一种见于大肠杆菌细胞膜中的水通道蛋白)是归因于其可用性及其经充分描绘的性质[25]。AqpZ的表现及纯化根据先前报导的方案[25,27]进行。将含有AqpZ基因的pET3a质体转型至大肠杆菌胜任细胞株C41-pLysS中以达成蛋白质过表现。挑选来自单个群落的细胞接种于具有100μg/ml胺苄青霉素及34μg/ml氯霉素的极品肉汁(Terrific Broth，TB)培养基中，且在37℃下生长隔夜。将隔夜培养物100倍稀释至新鲜TB肉汁中且繁殖至约1.2至1.5的密度(在600nm下的OD)。用1mM异丙基-β-硫半乳糖苷(IPTG)诱导细胞且在37℃下生长3小时，随后离心。通过使用离子交换层析继的以Ni-NTA亲和层析来纯化AqpZ。使收获的细胞在0.4mg/ml溶菌酶、50单位Bensonase(Merck)及3％正辛基-β-D-葡萄哌喃糖苷存在下再悬浮于阴离子交换结合缓冲液(20mM Tris(pH8.0)、50mM NaCl、2mMβ-巯基乙醇、10％甘油)中。使样品在微射流均质机(microfluidizer)中进行五次溶解循环，随后离心以移除不溶性物质。使上清液通过Q-琼脂糖凝胶快流管柱(AmershamPharmacia)，且收集流过物。流过部份用250mM NaCl加满，随后装载至预平衡的Ni-NTA管柱(Bio-Rad)上。使蛋白质在4℃下在轻微震荡下与树脂结合隔夜。用20倍管柱体积的含有20mM Tris(pH8.0)、300mM NaCl、25mM咪唑、2mMβ-巯基乙醇、10％甘油的缓冲液洗涤结合有融合蛋白质的镍树脂。用含有(20mM Tris(pH8.0)、300mM NaCl、300mM咪唑、2mMβ-巯基乙醇、10％甘油、含有30mM正辛基-β-D-葡萄哌喃糖苷)的洗提缓冲液来洗提结合的蛋白质。通过凝胶电泳检查含有融合蛋白质的部分且以Amicon浓缩器(膜截止点为10,000Da)浓缩至5mg/ml至10mg/ml的浓度。通过量测在280nm下的UV吸光率来测定AqpZ的蛋白质浓度(AqpZ消光系数＝35090M-1cm-1，分子量＝24524g/mol)。将浓缩的AqpZ在-80℃下保持冷冻直至使用。
AqpZ表现构筑体
来自大肠杆菌DH5a的基因组DNA用作扩增AqpZ基因的来源。使用在N-末端处添加6-His标记序列的基因特异性引子来扩增AqpZ基因。经扩增的AqpZ用酶NdeI及BamHI消化，随后接合至经类似消化的pEt3a载体DNA上。利用PCR筛选验证阳性纯系。随后，通过DNA测序(第一碱基)来证实构筑体的可靠性。
为获得AqpZ突变体R189A，通过使用QuikchangeTM定点变突诱发(SDM)套组(Stratagene,La Jolla,CA)将位置189上的精胺酸残基用丙胺酸替换至pET3a/AqpZ中。通过DNA测序(第一碱基)来证实突变诱发的构筑体的可靠性。
AqpZ的过表现
将含有AqpZ基因(野生型及R189A)的pET3a质体转型至大肠杆菌胜任细胞株C41-pLysS中以达成蛋白质过表现。挑选来自单个群落的细胞接种于具有100μg/ml胺苄青霉素及34μg/ml氯霉素的极品肉汁(TB)培养基中，且在37℃下生长隔夜。将隔夜培养物100倍稀释至新鲜TB肉汁中且繁殖至约1.2至1.5的密度(在600nm下的OD)。用1mM异丙基-β-硫半乳糖苷(IPTG)诱导细胞且在37℃下生长3小时，随后离心。
通过使用离子交换层析继的以Ni-NTA亲和层析来纯化AqpZ。使收获的细胞在0.4mg/ml溶菌酶、50单位Bensonase(Merck)及3％正辛基-β-D-葡萄哌喃糖苷存在下再悬浮于阴离子交换结合缓冲液(20mM Tris(pH8.0)、50mM NaCl、2mMβ-巯基乙醇、10％甘油)中。使样品在微射流均质机中进行五次溶解循环，随后离心以移除不溶性物质。使上清液通过Q-琼脂糖凝胶快流管柱(Amersham Pharmacia)，且收集流过物。流过部份用250mM NaCl加满，随后装载至预平衡的Ni-NTA管柱(Bio-Rad)上。使蛋白质在4℃下在轻微震荡下与树脂结合隔夜。用20倍管柱体积的含有20mM Tris(pH8.0)、300mM NaCl、25mM咪唑、2mMβ-巯基乙醇、10％甘油的缓冲液洗涤结合有融合蛋白质的镍树脂。用含有(20mM Tris(pH8.0)、300mMNaCl、300mM咪唑、2mMβ-巯基乙醇、10％甘油、含有30mM正辛基-β-D-葡萄哌喃糖苷)的洗提缓冲液来洗提结合的蛋白质。通过凝胶电泳检查含有融合蛋白质的部分且以Amicon浓缩器(膜截止点为10,000Da)浓缩至5mg/ml至10mg/ml的浓度。通过量测在280nm下的UV吸光率来测定AqpZ(野生型及R189A)的蛋白质浓度(AqpZ消光系数＝35090M-1cm-1，分子量＝24524g/mol)。将浓缩的AqpZ在-80℃下保持冷冻直至使用。
脂质体及蛋白脂质体制备
通过膜再水合法[26,27]制备脂质囊泡。溶解于0.5ml氯仿中的10mg脂质在氮气下干燥，形成薄脂质膜。在一些实验中，将预定量的胆固醇与指定脂质(本研究中的DOPC)混合，形成含有胆固醇的脂质膜。在各情况下，将所得膜保持在真空干燥器中至少2小时。使用1ml磷酸盐缓冲盐水(PBS)缓冲溶液(pH7.4)再水合脂质膜，随后进行3个冻融循环处理。所得溶液含有尺寸分布较宽的单层脂质囊泡。通过使用Avestin挤出机(Canada)将溶液经由200nm孔径聚碳酸酯过滤器挤出21次来获得具有均一尺寸的脂质体。通过利用透析法将AqpZ并入脂质体中来制备蛋白脂质体[20]。简言之，将AqpZ溶液与含有10mg/ml脂质囊泡及1％清洁剂OG的第二溶液以所需蛋白质脂质比率混合，随后在室温下培育1小时。使用透析管(Spectrum laboratories,USA，MWCO为12KDa至14KDa)通过将蛋白脂质体溶液相对于PBS缓冲溶液在pH7.4下透析3天以自蛋白脂质体溶液中移除OG。在此期间，透析PBS缓冲溶液每日更换一次。在3天透析之后，AqpZ(野生型或R189A)成功地重组至脂质囊泡中。
脂质体及蛋白脂质体特性化
尺寸及ξ电位特性化
使用Zetasizer Nano ZS(Malvern Instruments有限公司,UK)来测定脂质体及蛋白脂质体的尺寸。所量测的直径用于计算脂质体或蛋白脂质体的水渗透率。此外，尺寸测定也用于监测囊泡溶液质量。在本研究中，溶液多分散指数(PDI)始终小于0.2，指示囊泡的尺寸分布较窄[29]。均一尺寸分布有助于使囊泡水渗透率测定中的误差最小。脂质体及蛋白脂质体的ξ电位值也利用Zetasizer Nano ZS来量测。
水渗透率及溶质反射系数评估
使用SX20停流光谱仪(Applied Photophysics,United Kingdom)来特性化囊泡水渗透率。停流测试中所用所有溶液的容积渗透浓度均由蒸气渗压计5520(Wescor公司,USA)特性化。针对所有停流测试选择荧光动力学模式，且光源波长为500nm。用8个大气压的加压氮气促进样品溶液与吸引溶液(draw solution)的快速混合，且空滞时间为500μs。在所有停流量测中，温度均维持在23℃±1℃下。基于荧光信号与囊泡体积之间的关系，随时间变化记录囊泡体积变化速率。囊泡体积因水向外输送而减少，其将受囊泡上的容积渗透浓度差值以及囊泡的水渗透率影响。在典型停流实验中，吸引溶液及样品溶液具有相同的PBS缓冲液浓度，使得水渗透由吸引溶质(例如蔗糖或NaCl)浓度诱发。水渗透率可利用以上方程式1计算。
指定溶质的反射系数σ可通过比较在相同容积渗透浓度条件下使用特定吸引溶质量测的水渗透率(Pf,溶质)与使用参考溶质量测的水渗透率(Pf,参考)来测定。蔗糖在当前研究中用作参考溶质，因为其分子相对较大且几乎完全为脂质囊泡保留。因此，较小吸引溶质(诸如NaCl)的表观反射系数可利用以下方程式来计算[30]：
方程式2
除蔗糖及NaCl之外，其他物质也有用于作为吸引溶质。使用溶解于PBS缓冲溶液中的MgCl2来评估双价离子在影响脂质体及蛋白脂质体性质中的效应。囊泡处于PBS缓冲溶液中。容积渗透浓度为914mosm/l的吸引溶液为溶解不同浓度MgCl2的PBS缓冲溶液。施用其他蔗糖以维持所有吸引溶液的容积渗透浓度为914mosm/l。
使用蔗糖作为吸引溶质(Δosm＝356mosm/L)，DOPC脂质体的动力学速率常数为约20L/s。比较而言，对于重组的DOPC AqpZ蛋白脂质体(蛋白质与脂质比率为1:200，参见上表1)观察到较大改良的速率常数(188L/s)。蛋白脂质体的相应水渗透率为690μm/s。假设所有AqpZ均成功地并入脂质体中，则所得蛋白脂质体的蛋白质与脂质比率为1:200。可通过参考每AqpZ及每脂质的面积来估算AqpZ单体的量[31,32]。因此，各AqpZ的渗透性可估算为3.2×10-14cm3/s。此值与先前由Norman T.Hovijitra报导的结果(约4×10-14cm3/s)[33]相符。因此，蛋白脂质体渗透性比相应DOPC脂质体高一个数量级。当NaCl用作吸引溶液时亦观察到类似趋势，证实AqpZ的水渗透率极佳。
基于DOPC的脂质体及蛋白脂质体对NaCl的反射系数(使用蔗糖作为参考溶质，根据方程式2测定)接近于一致。在当前研究中，尽管在AqpZ并入之后水渗透率显著增强，然而对NaCl的保留率仍然极佳。由此提示脂质双层及AqpZ对于溶质均具有良好保留率，因此其成为并入本发明的TFC膜的较佳候选者。
多种脂质效应
使用多种脂质在PBS缓冲溶液中制备单层囊泡。根据相同程序以固定的蛋白质与脂质莫耳比(1:200)进行AqpZ蛋白脂质体重组。发现图13中所示的不同蛋白脂质体的水渗透性不同。大肠杆菌提取脂质、DOPC及DPHPC脂质对Aqpz有偏向性，且大肠杆菌提取脂质具较高偏向性。由于蛋白脂质体的渗透性受AqpZ四聚体的活性及数量支配，故其中在不同蛋白脂质体中AqpZ的渗透性活性保持相同[33]。因此，吾人认为不同脂质性质(诸如结构及头端基团)通过影响脂质与AqpZ之间的相互作用可影响重组制程且产生不同蛋白脂质体性能。已发现脂质的厚度及电荷性质会影响蛋白质脂质相互作用[34,35]。ξ电位测试显示DOPG及DOTAP脂质体分别因磷酸基团、三甲基铵基团而具有较强电荷性质(分别约-30mV及约+30mV)，其可使得AqpZ并入困难。
AqpZ与脂质比率及胆固醇效应
类似于针对聚合物体所发现的最佳条件[21]，也观察到图13中所示的大肠杆菌提取脂质及DOPC脂质系统的最佳AqpZ与脂质莫耳比。对于两种脂质系统，当蛋白质与脂质比率为1:200时，蛋白脂质体达到最高水渗透率。
一旦超过特定比率，所得蛋白脂质体即显示较低渗透性。此可能因为当并入较多蛋白质时出现较多缺陷。已发现在使30％胆固醇与DOPC脂质混合的后，脂质体的渗透性减小约40％(自76μm/s减小至45μm/s)，其与先前报导[36]相符。然而，吾人发现蛋白脂质体的水渗透率保持随AqpZ与脂质比率增加而增加。已知胆固醇掺合可增加脂质双层的刚性，改变挠曲弹性及脂质双层装填[23,24,25,28,37]，且可增强脂质双层与AqpZ之间的相互作用或吸引力[28]。吾人假设在此混合物系统中胆固醇有效促进减少可能由较高蛋白质与脂质比率所引起的缺陷，且令人惊讶地甚至增加总体渗透性。因此，当制备AqpZ蛋白脂质体以用于并入本发明的TFC膜中时向两亲媒性脂质中添加约30％胆固醇在需要极高水通量时可成为优势。
浓度极化机制
通过停流，使用一系列不同容积渗透浓度的NaCl及蔗糖溶液作为吸引溶液来特性化DOPC脂质体及蛋白脂质体的渗透性。对于脂质体，速率常数k与容积渗透浓度梯度Δosm线性相关，其由方程式1充分描述。此也提示SD机制充分描述脂质体的水渗透率[34]。然而，对于蛋白脂质体，仅在较低容积渗透浓度梯度蔗糖溶液条件(<0.2osmol/L)下，以上方程序可适用。在蔗糖浓度高于0.3osmol/L时，k值将出现显著偏差。可能因稀释的蔗糖吸引溶液接近双层表面而出现较低k值。在最初水自囊泡中出来时，表面边界蔗糖被稀释且因逆扩散能力较差而保持在较低浓度下。600mM蔗糖吸引溶液的黏度与NaCl吸引溶液有细微差别，两者的黏度均在1.015PaS至1.30PaS之间(数据由OLI Analyzer3.1,OLI Systems公司,USA提供)。然而，PBS缓冲溶液中蔗糖的质量扩散系数低至4.11×10-11m2/s，远小于NaCl扩散系数。此可能为蔗糖吸引溶液浓度极化较严重的原因。因此，吾人咸信适合的测试条件应低于0.3osmol/l，尤其在物质具有较低扩散系数时。
吸引溶质物质效应
考虑到潜在海水淡化应用，研究海水中存在的4种主要物质(NaCl、MgSO4、Na2SO4及MgCl2)的效应。对于脂质体，所有物质中的大多数对DOPC脂质体水渗透率的效应可忽略。然而，与DOPC脂质体相比，大肠杆菌提取脂质脂质体对Mg2+及SO4 2-较为敏感，其可能归因于大肠杆菌提取脂质的较强负电荷性质(在pH7.4下在PBS缓冲溶液中ξ电位为约-20mv)。在脂质体与较高浓度Mg2+溶液混合时此值甚至可达到正值(约1mv)。对于蛋白脂质体，双价离子(包括Mg2+及SO4 2-)甚至在极低浓度10mM下也可显著影响大肠杆菌提取脂质蛋白脂质体特性。NaCl也能够使停流特性化结果出现较大偏差。与大肠杆菌提取脂质相比，DOPC系统可经受住较高浓度的Mg2+及SO4 2-，不过存在Mg2+及SO4 2-也使得DOPC蛋白脂质体的停流量测较为困难。此等离子可通过影响双层与AqpZ之间的相互作用或形成错合物、组合双层及AqpZ来影响AqpZ[38]。
针对DOPC及大肠杆菌提取脂质系统进一步研究Mg2+浓度效应。容积渗透浓度为914mosm/l的吸引溶液为溶解不同浓度MgCl2的PBS缓冲溶液。施用其他蔗糖以维持所有吸引溶液的容积渗透浓度为914mosm/l。已发现对于DOPC蛋白脂质体，Mg2+在测试条件内(Mg2+浓度至多50mM)对水渗透率的效应可忽略。然而，对于大肠杆菌提取脂质蛋白脂质体，在Mg2+浓度大于5mM时，Mg2+在测试时间(1s)内能够引起严重的囊泡聚集。已报导Mg2+及Ca2+均可以极低浓度(低于5mM)通过与脂质形成多种错合物来引起脂质体融合[40]。基于先前报导[41]，Ca2+最有可能会引起更严重的问题，但本研究中未包括Ca2+。存在Mg2+可使Ca2+甚至更有效地诱导脂质体融合。其他金属离子也可显著影响脂质双层的相或结构[39]。尽管据报导一些膜蛋白在一定程度上在重组至脂质体中之后可增强脂质双层的稳定性[40]，但AqpZ似乎不能够允许大肠杆菌提取脂质蛋白脂质体经受住较高浓度的双价离子，诸如50mM Mg2+溶液。
对于涉及具有相对较高二价离子浓度的海水或其他水源的水过滤制程，可能宜在制备本发明的薄膜复合膜中选择中性两亲媒性脂质(诸如DOPC)以避免不需要的相互作用。在吾人当前膜设计中，蛋白脂质体嵌埋于界面聚合的聚酰胺(PA)膜中。在吾人当前发明中，PA膜充当对蛋白脂质体的保护，PA膜不仅提供足够机械支载，而且其也因PA层固有的较高阻挡率而排斥二价离子以免其与蛋白脂质体直接接触，且因此提供另一优势。
结论
本研究系统地研究脂质类型、吸引溶质浓度、蛋白质与脂质比率、胆固醇混合物、溶解离子的存在对水通道蛋白-脂质双层性质的效应。显示例如大肠杆菌提取脂质及DOPC脂质均可适用于在并入AqpZ之后形成功能性双层，提供极佳水渗透率。浓度极化现象(膜过滤主题中的重要问题之一)可能在高浓度蔗糖溶液用作吸引溶液的蛋白脂质体停流量测中变得显而易见。为了提升水输送性能，可优化AqpZ与脂质比率。对于纯脂质系统，最佳AqpZ与脂质比率可为1:200。随着AqpZ量增加，可能出现缺陷。在此情况下，胆固醇添加可有益于维持较高水通量。当前脂质体结构藉由自组装形成，其本身可能并不足够强以致于能经受住RO淡化条件(诸如较高水压)。因此，如以下实施例中所述在薄膜复合层中并入脂质体提供必需的机械强度。
实施例2.制备并有脂质-AqpZ囊泡的薄膜复合膜且在RO装置中测试
商用UF膜(MWCO，50,000道尔顿(Dalton))用作基板，将含有0.08mg/gDOPC-AqpZ囊泡的50ml胺水溶液1.5wt％MPD展布于UF膜基板表面上，且用水溶液保持基板湿润15分钟。随后，自表面移除胺水溶液，且使基板于空气中垂直竖立10分钟，随后用压缩氮气且在2巴下吹拂表面1分钟以移除表面上任何可能的聚集的囊泡，随后使基板继续再垂直竖立干燥20分钟。随后，将0.1w/v％TMC溶液倾注于饱和基板的表层上且使之反应1分钟。将所得膜储存于Milli-Q水中直至使用。tfc膜的面积为200cm2，将其切割以安装至测试模块中(42cm2)。将所得TFC膜固定于测试单元(6)中，参见图5。以200磅/平方寸自进料槽(1)泵出进料溶液(500ppm NaCl)，流过膜的活性层且返回至槽中。收集渗透物，且在天平(7)上量测重量，且通过电导率量测来测定溶质的浓度以便计算通量及阻挡率(参见方程式1及2)。并有DOPC-AqpZ囊泡的薄膜复合膜对于500ppm NaCl(200磅/平方寸)的水通量及盐阻挡率分别为25.2L/m2.h及96.3％。
实施例3.制备并有脂质囊泡的薄膜复合膜且在RO装置中测试
界面聚合的两个阶段及制程中反应性单体溶液的组成与实施例2类似，例外为仅0.08mg/g不具有AqpZ的DOPC囊泡溶解于胺水溶液中。如实施例2进行RO测试。并有DOPC-AqpZ囊泡的薄膜复合膜对于500ppm NaCl(200磅/平方寸)的通量及阻挡率分别为16.9L/m2.h及98.5％。来自涉及在渐增至200磅/平方寸的压力下仅并有脂质囊泡或并有脂质-AqpZ囊泡的薄膜复合膜的水通量及溶质阻挡率的比较的实验结果显示于图7中，其清楚显示在并入DOPC囊泡的情况下可获得相对较高的水通量。然而，DOPC-AqpZ囊泡的并入显著改良所得膜的水通量。两种类型的TFC膜均显示初始较高且渐增的盐阻挡率，其稳定在较高水平(>98％)。
实施例4.制备并有脂质-AqpZ囊泡的薄膜复合膜且在RO装置中测试
界面聚合的两个阶段及制程中反应性单体溶液的组成与实施例2类似，例外为将0.16mg/g DOPC-AqpZ囊泡溶解于胺水溶液中。如实施例2进行RO测试。并有DOPC-AqpZ囊泡的薄膜复合膜对于500ppm NaCl(36磅/平方寸)的通量及阻挡率分别为17.2L/m2.h及76.5％。
实施例5.制备并有共聚物-AqpZ囊泡的薄膜复合膜且在RO装置中测试
界面聚合的两个阶段及制程中反应性单体溶液的组成与实施例2类似，例外为在胺水溶液中，将0.08mg/g(PMOXA15-PDMS67-PMOXA15)聚合物体-AqpZ囊泡溶解于胺水溶液中。如实施例2进行RO测试。并有聚合物体-AqpZ囊泡的薄膜复合膜对于500ppm NaCl(200磅/平方寸)的通量及阻挡率分别为36.5L/m2.h及95.2％。
实施例6.制备并有共聚物囊泡的薄膜复合膜且在RO装置中测试
界面聚合的两个阶段及制程中反应性单体溶液的组成与实施例5类似，例外为在胺水溶液中，仅0.08mg/g不具有AqpZ的(PMOXA15-PDMS67-PMOXA15)共聚物囊泡溶解于胺水溶液中。如实施例2进行RO测试。并有聚合囊泡的薄膜复合膜对于500ppm NaCl(200磅/平方寸)的通量及阻挡率分别为17.2L/m2.h及93.3％。来自涉及在渐增至200磅/平方寸的压力下仅并有共聚物囊泡或并有聚合物体-AqpZ囊泡的薄膜复合膜的水通量及溶质阻挡率的比较的实验结果显示于图8中。在此实验中，对于并有聚合物囊泡的TFC膜，吾人获得与实施例3中并有脂质囊泡的TFC膜相同的较高水通量。然而，聚合物体-AqpZ并入薄膜复合膜中显著增强膜的水通量且不损害盐阻挡率。
实施例7.浇铸聚砜UF膜且将其用于制备并有脂质囊泡或脂质-AqpZ囊泡的薄膜复合膜
聚砜超滤膜用聚合物掺杂剂(16wt％聚砜、5wt％聚乙二醇(分子量＝600Da)、2wt％LiCl及77wt％N-甲基-2-吡咯啶酮)内部浇铸。此超滤膜用作后续膜制备的基板。将含有0.08mg/g DOPC或DOPC-AqpZ囊泡的50ml胺水溶液1wt％MPD展布于UF膜基板表面上，且用水溶液保持基板湿润10分钟。随后，自表面移除胺水溶液且使基板在空气中保持水平30分钟，随后在2巴下用压缩氮气吹拂表面1分钟以移除过量液体。其余程序与实施例2相同。在5巴(74磅/平方寸)下测试所得膜。空白膜(无DOPC或DOPC-AqpZ)、含有DOPC的膜及含有DOPC-AqpZ的膜的膜水渗透性分别为3.16±0.07L/m2.h、3.34±0.29L/m2.h及3.92±0.34L/m2.h。包括AqpZ具有显著增强的水渗透率。图1显示基于AQP的薄膜复合膜所用微孔基板的横截面的扫描电子显微照片(SEM)：(a)由Dow(Dow Water&Process Solutions)制造的商用UF膜(聚砜)及(b)自制UF膜(聚砜)。
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Claims (17)

1.一种薄膜复合膜，其中并有两亲媒性囊泡的薄选择性层由微孔基板支载，其中该两亲媒性囊泡是以脂质制备，其中该脂质是选自1,2-二植烷酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱、1,2-二油酰基-sn-甘油-3-磷酸胆碱及大肠杆菌混合脂质，其中该两亲媒性囊泡含有水通道蛋白(aquaporin)的水通道且进一步包含占脂质体总量的摩尔比20％至40％的范围内的胆固醇。
2.如权利要求1的薄膜复合膜，其中该选择性层是经由胺的水溶液与在有机溶剂中的酰氯的溶液界面聚合形成，且其中该两亲媒性水通道蛋白的囊泡是并入该水溶液中。
3.如权利要求2的薄膜复合膜，其中该胺选自由间苯二胺组成的群，该酰氯是选自由均苯三甲酰氯(trimesoylchloride)组成的群，且该有机溶剂选自由正已烷、环己烷组成的群。
4.如权利要求1的薄膜复合膜，其中该两亲媒性囊泡进一步包含嵌段共聚物。
5.如权利要求4的薄膜复合膜，其中该两亲媒性物质是选自嵌段共聚物，包含亲水物-疏水物-亲水物A-B-A或A-B-C类型的三嵌段共聚物或亲水物-疏水物A-B类型的二嵌段共聚物，其中A和C表示亲水性部分，且B表示疏水性部分。
6.如权利要求5的薄膜复合膜，其中该三嵌段共聚物选自PMOXA-a-PDMS-b-PMOXA-a，其中a为10至20且b为100至120，或该三嵌段共聚物可为包含EO10PO30EO10或EO12PO56EO12的非离子清洁剂，其中PMOXA是聚(2-甲基恶唑啉)，PDMS是聚(二甲基硅氧烷)，EO是环氧乙烷，且PO是环氧丙烷。
7.如权利要求6的薄膜复合膜，其中该三嵌段共聚物选自PMOXA15-PDMS67-PMOXA15、PMOXA15-PDMS110-PMOXA15、PMOXA15-PDMS119-PMOXA15及PMOXA6-PDMS35-PMOXA6，其中PMOXA是聚(2-甲基恶唑啉)且PDMS是聚(二甲基硅氧烷)。
8.如权利要求5的薄膜复合膜，其中该二嵌段共聚物是选自EO61PO95、EO10Bd12、EO14Bd35、EO23Bd46、EO48DMS70及EO15BO16，其中EO是环氧乙烷，PO是环氧丙烷，Bd是丁二烯，DMS是二甲基硅氧烷，且BO是环氧丁烷。
9.如权利要求1的薄膜复合膜，其中该水通道蛋白的水通道为功能性天然或合成水通道蛋白或水甘油通道蛋白(aquaglyceroporin)的水通道，其选自水通道蛋白Z(AqpZ)、GIPf、SoPIP2；1、水通道蛋白1、水通道蛋白2。
10.如权利要求1的薄膜复合膜，其中所述水通道蛋白水通道以在1:20至1:500范围内的蛋白质与两亲媒性物质摩尔比存在。
11.如权利要求1的薄膜复合膜，其中该微孔基板为聚砜膜或聚醚砜膜。
12.一种如权利要求1的薄膜复合膜的用途，其是用于纳米过滤及渗透制程中，其中所述渗透制程包含正渗透、逆渗透或压力延滞渗透(pressure retarded osmosis)。
13.一种经由界面聚合制备如权利要求1的薄膜复合膜的方法，其包含以下步骤：
a.提供适当的根据权利要求11的微孔膜，
b.向该膜的至少一个表面涂覆胺溶液与并有水通道蛋白的浓缩囊泡溶液的水性混合物以使该膜浸泡，其中该囊泡溶液含有水通道蛋白的水通道且进一步包含占脂质体总量的摩尔比20％至40％的范围内的胆固醇，
c.向该浸泡的膜涂覆于有机溶剂中的酰氯溶液以形成具有固定囊泡的薄聚酰胺层。
14.如权利要求13的方法，其中该胺为间苯二胺，且其中该酰氯为均苯三甲酰氯。
15.一种含有囊泡的胺的水溶液，其有用于作为如权利要求13或14的方法中的中间产物，其中该胺为具有两个或两个以上胺官能基的芳族胺，且所述囊泡含有两亲媒性脂质，其中该胺的水溶液进一步含有水通道蛋白且在所述囊泡中另具有另一胆固醇的掺合物，所述胆固醇为占脂质体总量的摩尔比20％至40％的范围内的胆固醇。
16.如权利要求15的胺的水溶液，其中该胺为间苯二胺。
17.如权利要求15的胺的水溶液，其中该水通道蛋白为AqpZ。
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