CN110049810A - 具有功能分子的自组装聚合物囊泡结构 - Google Patents

具有功能分子的自组装聚合物囊泡结构 Download PDF

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Abstract

公开了一种囊泡，其包括聚苯乙烯‑聚丙烯酸(PS‑PAA)嵌段共聚物和两亲性功能分子。囊泡即使在升高的温度下也是稳定的，并且两亲性功能分子保持活性。还公开了一种选择性渗透膜，其包括支撑层和并入了囊泡的选择性层。

Description

具有功能分子的自组装聚合物囊泡结构
技术领域
本发明涉及包括聚苯乙烯-聚丙烯酸(PS-PAA)嵌段共聚物或聚合物泡囊的自组装囊泡纳米结构或微结构，聚苯乙烯-聚丙烯酸(PS-PAA)嵌段共聚物或聚合物泡囊具有并入的功能分子，例如蛋白质通道，诸如水通道蛋白水通道(aquaporin water channel)，以及制备所述结构的方法。
此外，本发明涉及包括所述自组装结构的选择性渗透水膜，自组装结构并入了水通道蛋白水通道或类似的水通道，涉及包括选择性渗透水膜的用于水过滤的模块，以及涉及膜或包括选择性渗透膜的模块用于水提取的用途。本发明还涉及制备选择性渗透膜的方法。本发明公开了水通道蛋白水通道蛋白质(诸如AQPZ通道蛋白)自组装和功能重构成PS-PAA两亲性嵌段共聚物囊泡纳米结构或聚合物泡囊，用于在仿生膜中的其他并入，该膜通过TFC涂覆多孔基质或由在多孔基质上依次逐层吸附带相反电荷的聚电解质而制备的逐层(LBL)膜两者来制备。
背景技术
两亲性嵌段共聚物是独特的化合物，因为它们能够自组装成各种形态，包括球、棒、囊泡、纳米管、网络和层状聚集体(Zhang Y，Polymer，2009)。在所有的各种形态中，可以定义为球形双层的囊泡吸引了越来越多的兴趣，这是由于它们能够功能性地并入蛋白质(包括两亲性或跨膜蛋白)，确保它们的保护，以及能够在恶劣环境(诸如pH和温度变化)下进行活动(Choucair A，Langmuir，2004；Spulber M，JACS，2013，Lomora，Biomaterials，2015)。这可能是有用的特征，特别是当需要在仿生膜中并入通道蛋白时。
聚苯乙烯-聚丙烯酸(PS-PAA)嵌段共聚物可以由于其基于为中性且疏水性的PS嵌段和为中性或带电的且相对亲水的PAA嵌段的组合物，可以自组装成各种形态，尤其是核壳胶束和花状聚集体，取决于亲水-疏水嵌段之间的比率和在水中沉淀后用于溶解的溶剂的性质(二噁烷、四氢呋喃、甲苯)(Shi L，New J Chem，2004；Zhang Y，Polymer，2009；Gao L，Macromol Chem and Phys，2006)。核壳胶束由于其负载和释放疏水性化合物(诸如杀生物剂)的能力而被证明是特别重要的(Vyhnalkova R，J Phys Chem B 2008)。PS-PAA胶束还示出了能够融合并形成单层，具有从药物到铁磁流体的潜在感兴趣的应用(Guennouni Z，Langmuir，2016；Wang X，Soft matter，2013)。只有两项研究表明了PS-PAA共聚物在囊泡结构中的自组装，两者均采用共溶剂法，诸如首先将聚合物溶解在二噁烷、四氢呋喃或二甲基甲酰胺中，然后将它们在水中沉淀至最大40％(w/w)水浓度的最终比率(Choucair A，Langmuir，2004；Terreau O，Langmuir，2004)。所获得的形成的PS-PAA囊泡的尺寸强烈地取决于混合物中水的总含量，以及各种添加剂的存在，诸如可能导致更大结构(200nm直径和更高)的NaOH和NaCl，或者可能导致结构小于100nm的HCl(Choucair A，Langmuir，2004；Terreau O，Langmuir，2004)。然而，上述条件将阻止任何蛋白质的插入，并且尤其是两亲性的跨膜蛋白，因为高百分比的有机溶剂将导致蛋白质解折叠和变性。
WO2015/124716公开了用于利用来自肾替代过程的流体中的水含量的系统。该系统包括具有正向渗透膜的正向渗透单元。正向渗透膜可以包括并入囊泡中的水通道蛋白水通道，囊泡是在水通道蛋白制剂存在下两亲性基质形成化合物自组装的。两亲性基质形成化合物的例子是偶氮植物凝血素(azolectin)和聚恶唑啉基三嵌段共聚物。
US2013/0316008公开了一种用于形成多室化囊泡结构的方法，多室化囊泡结构包括外嵌段共聚物囊泡和包封在外嵌段共聚物囊泡内的内嵌段共聚物囊泡。形成囊泡结构的化合物是基于甲基噁唑啉和二甲基硅氧烷的三嵌段共聚物(PMOXA-PDMS-PMOXA)和基于苯乙烯和异氰基丙氨酸的二嵌段共聚物(PS-PIAT)。此外，蛋白质Cy5-IgG被捕获在内囊泡的外表面和外囊泡的内表面之间的空间中。
US2014/0051785公开了通过从表面活性剂、嵌段共聚物和膜蛋白混合物的混合物中缓慢、可控地除去表面活性剂来制备高密度膜蛋白膜的方法。膜可以并入水通道蛋白，如AQP0蛋白。嵌段共聚物可以包含选自聚丁二烯(PB)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚丙烯(PP)、聚环氧丙烷(PPO)、聚醚酯(PEE)、聚异丁烯(PIB)、聚异戊二烯(PI)、聚己内酯(PCL)、聚苯乙烯(PS)、氟化聚合物和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的一种或多种嵌段；和选自由聚甲基噁唑啉(PMOXA)、聚乙基噁唑啉(PEtOXA)和聚环氧乙烷(PEO)组成的组的一种或多种亲水性嵌段。
并入了水通道蛋白的聚二甲基硅氧烷-聚甲基噁唑啉(PDMS-PMOXA)两亲性囊泡已经用于Aquaporin Inside TM仿生膜制备，例如，如WO2015/166038中所述。然而，这些囊泡表现出相对窄的堆积密度，可能是由于对基底膜的吸附相对弱。当受到增加的机械或压力应力时，囊泡还具有相对受限的稳定性，尤其是当压力是通过仿生膜的水通量的驱动力时，如反渗透(RO)膜的情况。
Kim，RCS Advances，2014，描述了聚苯乙烯嵌段的机械强度；然而，没有示出在适合于敏感分子(诸如两亲性或跨膜蛋白或蛋白质通道，例如水通道蛋白)的水性环境中制备PS-PAA嵌段共聚物囊泡的可行性。
发明内容
一方面，本发明提供了包括聚苯乙烯-聚丙烯酸(PS-PAA)嵌段共聚物和两亲性功能分子的囊泡。令人惊奇的是，已经发现两亲性功能分子在并入囊泡中之后仍保持功能性。此外，囊泡制剂在从室温(20℃)至约100℃的温度范围内是稳定的，这表明了囊泡用于产生膜以过滤各种水性流体的工业实用性。
PS-PAA嵌段共聚物可以是适合于形成囊泡的任何尺寸。在优选的方面，嵌段共聚物具有从约7500Da至约25000Da的分子量。具体的可商购等级包括具有分子量8000Da、13000Da和23300Da的PS-PAA嵌段共聚物。
虽然亲水与疏水的比率可以在宽的范围内，但PS-PAA嵌段聚合物通常具有的亲水与疏水比率在从约0.4至约3.6的范围内。在本发明的某些实施方式中，PS-PAA嵌段共聚物具有可以用于交联或其他目的的末端官能化基。适合地，末端官能化基选自叠氮基、羧基或表现出硫醇部分的DDMAT基团。当末端官能化基是在S-S键存在下的DDMAT基团时，可以应用于与包含SH基团的分子反应，诸如可用于进一步交联的2-丙烯-1-硫醇和可用于光谱表征的5-氟苯并噁唑-2-硫醇。
由于PS-PAA共聚物的PAA嵌段是pKa约为4.7的弱电解质，因此所形成的结构的电荷可以在高于5的pH下从完全中性调整至完全带负电荷。当囊泡并入薄膜复合物(TFC)层时，PAA嵌段中的羧酸基团可与均苯三甲酰氯(TMC)或类似的多官能羧酸氯化合物反应，以形成共价键合。以这种方式，聚丙烯酸用作用于薄膜复合物(TFC)涂层的单体[Pan，PolyBull，2014]，有助于膜中相对增加的堆积密度和机械稳定性。增加TFC层中囊泡的堆积密度的可能性导致通过膜的更高的水通量。因此，使用本发明的囊泡可以获得表现出更高水通量的改进的滤膜。由于本发明的AqpZ PS-PAA囊泡的带电性，它们可以容易地并入LBL膜中。在文献中成功使用PS-PAA作为LBL膜的阴离子组分[Guennouni Z，Langmuir，2016]。另一适合的阴离子聚电解质是聚(苯乙烯磺酸盐)(PSS)。阳离子聚电解质可以选择为聚(二烯丙基二甲基氯化铵)(PDADMAC)、聚烯丙胺(PAH)或类似的带正电荷的聚合物。因此，同样对于LBL膜，使用根据本发明的囊泡提供了更高的水通量。
在另一方面，本发明提供了囊泡或包括囊泡的组合物，其中，囊泡包括PS-PAA嵌段共聚物和两亲性功能分子。优选地，囊泡具有从约50nm至约300nm的流体动力学直径。任选地，囊泡还包括表面活性剂，诸如，十二烷基二甲基胺-N-氧化物(LDAO)和辛基葡糖苷(OG)。表面活性剂可以以0.05至2.5％v/v的范围内的浓度使用。举例来说，两亲性功能分子可以选自两亲性肽和跨膜蛋白(诸如水通道蛋白水通道)的组。
一方面，本发明涉及包括功能分子与PS-PAA嵌段共聚物结合的组合物，该组合物为通过在表面活性剂存在下直接溶解于水性介质中而制备的乳液或混合物的形式。
本发明还提供了通过在表面活性剂存在下直接溶解于水性介质(诸如磷酸盐或其他盐缓冲液)中，任选地并入跨膜蛋白(诸如水通道蛋白水通道)，从而形成PS-PAA自组装的囊泡的新方法。本发明人发现，使用表面活性剂有助于促进跨膜蛋白在聚合物囊泡中的插入，因为表面活性剂是用于跨膜蛋白纯化和保存的组分之一。这可以与现有技术中用于产生PS-PAA囊泡的条件形成对比，其中，现有技术的条件下存在大量(例如40％)有机溶剂，诸如二噁烷或二甲基甲酰胺，使得这些方法不适用于并入跨膜蛋白，因为在自组装过程期间这些溶剂会导致蛋白质变性。优选的是，本发明的囊泡不是在大量有机溶剂的存在下形成的，例如，低于40％、20％、10％或基本上不含有机溶剂，诸如二噁烷或二甲基甲酰胺。
在另一方面，本发明提供了包括支撑层和选择性层的选择性渗透膜，其中，该膜包括并入选择性层中的本发明的囊泡。多孔支撑膜基本上不应阻碍由跨膜蛋白运输的离子和/或水的通量。多孔支撑膜的主要目的是用作用于并入囊泡的活性层的支架，从而允许跨膜蛋白成为主要的差别元素。举例来说，选择性层可以是薄膜复合物(TFC)层或逐层(LBL)结构。在一些实施方式中，囊泡在pH>5时完全带负电荷，这提供了选择性层中囊泡堆积密度增加的可能性。
另外，在另一方面，本发明提供了具有水通道蛋白水通道的选择性渗透膜，其中，所述通道包封在聚苯乙烯-聚丙烯酸嵌段共聚物中，其中，所述膜的实例包括平板膜、中空纤维膜和管状膜。
在另一方面，本发明提供了本发明的膜在低压反渗透(LPRO)工艺，例如在水净化工艺中的用途。
在另一方面，本发明提供了用于水净化的包括本发明的选择性渗透膜的低压反渗透设备。举例来说，低压反渗透设备可以是在低于约5巴的压力下操作的家用净水器。
在另一方面，本发明提供了包括本发明的选择性渗透膜的苦咸水反渗透(BWRO)设备。
现在将通过举例的方式描述本发明的实施方式，且不限于参考所附实施例。然而，鉴于本公开，本发明的各种其他方面和实施方式对于本领域技术人员而言是显而易见的。
“和/或”在本文使用时将被视为对具有或不具有另一个的两个指定特征或组成中的每一个的具体公开。例如，“A和/或B”将被视为对(i)A、(ii)B以及(iii)A和B中的每一个的具体公开，就像在本文中单独列出每一个一样。
除非上下文另有规定，否则上文列出的特征的描述和定义不限于本发明的任何特定方面或实施方式，并且同等地适用于所描述的所有方面和实施方式。
具体实施方式
更具体地，本发明描述了用于PS-PAA自组装的新方法，该方法是在各种比率的表面活性剂(诸如十二烷基二甲基胺-N-氧化物(LDAO)或辛基葡糖苷(OG))存在下，通过在磷酸盐缓冲液(诸如具有的pH＝7.2等)中的直接溶解，并且具有或者不具有通过添加浓度为从1至100mg/L或诸如从5至50mg/L的AqpZ分散体获得的跨膜蛋白并入，并且，其中，将组分搅拌或摇动最多达24小时。本发明的PS-PAA自组装结构具有囊泡尺寸，例如，如测量的流体动力学直径(Dz)，在从大于40nm至300nm的所需范围内，诸如从约90至100nm至约200至250nm，还可以以相同的方式通过改变PS-PAA嵌段共聚物的分子量及其亲水与疏水比率和表面活性剂(例如LDAO、OG等)浓度获得，参见下述实施例4。还获得了在形成的PS-PAA结构内AqpZ的成功重构，并且在下述实施例3中公开了用于AqpZ重构的合适条件。此外，在从30至100℃的温度范围内建立了所形成的结构的稳定性，这使得自组装结构有用并且适用于并入可能必须承受各种温度同时仍然保持其功能性(并且特别是并入的水通道蛋白水通道的水输送功能)的仿生膜中。
定义
如本文所用的术语“PS-PAA”包括聚(苯乙烯)-嵌段-聚(丙烯酸)，又称PS-PAA两亲性二嵌段共聚物和聚苯乙烯-聚丙烯酸聚合物泡囊，形成具有线性式Ha[(C6H5)CHCH2]x[(CO2H)CHCH2]y C(CH3)2C(O)OCH2CH3的聚合物，参见http://www.sigmaaldrich.com/catalog/search？term＝PS-PAA&interface＝All&N＝0&mode＝mode％20matchall&lang＝en&region＝DK&focus＝product。其中，Ha＝卤素，诸如F、Cl或Br，x＝28且y＝70。本文可用的PS-PAA二嵌段共聚物的实例包括聚苯乙烯-嵌段-聚(丙烯酸)130000Da P19511-SAAPolymerSource；聚苯乙烯-嵌段-聚(丙烯酸)128000Da P19513-SAA PolymerSource；聚苯乙烯-嵌段-聚(丙烯酸)230000Da P3001-SAA PolymerSource。
PS-PAA二嵌段共聚物可以是末端官能化的，诸如具有DDMAT基团，其中，DDMAT是2-(十二烷基硫代硫羰基硫代)-2-甲基丙酸，S-十二烷基-S'-(α,α'-二甲基-α”-乙酸)三硫代碳酸酯。http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/aldrich/723010？lang＝en&region＝DK。DDMAT封端的PS-PAA嵌段共聚物可能是有用的，因为S-S键的存在可以很容易地用于与包含SH基团的任何功能分子的官能化，诸如可用于进一步交联的2-丙烯-1-硫醇和可用于光谱表征的5-氟苯并噁唑-2-硫醇。其他类型的末端官能化基包括叠氮化物和羧基封端的PS-PAA聚合物。
如本文所用术语“跨膜蛋白”包括插入生物双层膜(诸如细胞或细胞器膜)中的以单体或多聚体形式天然存在的任何蛋白质。跨膜蛋白通常是两亲性的。跨膜蛋白倾向于在水性溶液中聚集和沉淀，并且因此可能适合的是将跨膜蛋白溶解于表面活性剂中。尽管可以使用许多表面活性剂，但通常表面活性剂选自由十二烷基二甲基胺N-氧化物(LDAO)、辛基葡糖苷(OG)、十二烷基麦芽糖苷(DDM)或其组合组成的组。优选的实例是水通道蛋白和水甘油通道蛋白蛋白质，例如原核水通道蛋白Z(AqpZ)和真核水通道蛋白，诸如，人水通道蛋白1和2，以及菠菜SoPIP2；l。其他水通道蛋白水通道包括细菌水通道蛋白和真核水通道蛋白，诸如，酵母水通道蛋白、植物水通道蛋白和哺乳动物水通道蛋白，以及相关的通道蛋白，诸如水甘油通道蛋白。水通道蛋白和水甘油通道蛋白的实例包括：原核水通道蛋白，诸如AqpZ；哺乳动物水通道蛋白，诸如Aqpl和Aqp2；植物水通道蛋白，诸如血浆内在蛋白(PIP)、液泡膜内在蛋白(TIP)、结瘤内在蛋白(NIP)和小内在蛋白(SIP)，例如SoPIP2；l、PttPIP2；5和PtPIP2；2；酵母水通道蛋白，诸如AQY1和AQY2；以及水甘油通道蛋白，诸如GlpF和Yfl054。水通道蛋白水通道蛋白质可以根据本文所述的或如Karlsson等人(FEBS Letters 537：68-72,2003)列出的或如Jensen等人US2012/0080377A1所述的方法(例如参见实施例6)制备。
如本文所用的“流体动力学直径”表示通过动态光散射(DLS)测量的水性介质中纳米颗粒的流体动力学尺寸，定义为假设的硬球的尺寸，该假设的硬球以与被测量的颗粒相同的方式扩散，例如使用来自Malvern的ZetaSizer NanoZs和使用Bio-Logic SFM 300的停流。
在本发明的优选方面，活性层包括形成于多孔基质膜上的并入薄膜复合物层的囊泡。不希望受任何特定理论的束缚，据信表面上包含羧酸基团的囊泡不仅物理上并入或固定(吸附)在TFC层中，而且化学结合在TFC层中，因为反应性酸基团将参与与酰氯(诸如均苯三甲酰氯(TMC))的界面聚合反应。以这种方式，据信囊泡将在TFC层中共价结合，导致相对较高的囊泡负载以及因此通过膜的较高的水通量。此外，据信当并入选择性膜层中时，TFC层中囊泡的共价偶联会导致水通道蛋白和并入了水通道蛋白的囊泡的更高稳定性和/或寿命。
此外，当所述跨膜蛋白包括离子通道或水通道蛋白等，并且包括所述跨膜蛋白的所述囊泡被固定或并入所述活性或选择性层中时，制备具有不同选择性和转运性质的分离膜或过滤膜变得可行，例如，当所述跨膜蛋白是离子通道时的离子交换膜，或当所述跨膜蛋白是水通道蛋白时的水过滤膜。因为跨膜蛋白在复合到自组装囊泡中时保持其生物活性折叠结构，其中，跨膜蛋白可以防止降解。甚至敏感的两亲性蛋白质也可以变得足够稳定，并因此，当在实验室和工业规模中加工成分离膜时保持其所需的功能。
本发明还涉及在多孔基质膜上制备薄膜复合物层的方法，该薄膜复合物层固定有并入跨膜蛋白的囊泡，该方法包括以下步骤：
a.提供包括如上所述制备的囊泡以及二胺或三胺化合物的水性溶液，
b.用步骤a的水性溶液覆盖多孔支撑膜的表面，
c.施加包括酰卤化合物的疏水性溶液，以及
d.使水性溶液和疏水性溶液进行界面聚合反应以形成薄膜复合物层。
二胺化合物可选自一系列化合物，包括例如苯二胺，诸如间苯二胺(MPD)、对苯二胺、2,5-二氯-对苯二胺、2,5-二溴对苯二胺、2,4,6-三氯间苯二胺、2,4,6-三溴间苯二胺等；二氨基联苯，诸如2,2'-二氨基-联苯、4,4'-二氨基联苯、3,3'-二氯-4,4'-二氨基-联苯、3,5,3',5'-四溴-4,4'-二氨基联苯等；二氨基二苯基甲烷，诸如4,4'-二氨基二苯基甲烷、3,3'-二氨基二苯基甲烷、2,2'-二氨基二苯基甲烷、3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷、2,2'-二氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷、3,5,3',5'-四氯-4,4'-二氨基二苯基甲烷，3,5,3',5'-四溴-4,4'-二氨基二苯基甲烷等；二氨基联苄，诸如4,4'-二氨基联苄、3,5,3',5'-四溴-4,4'-二氨基-联苄等；2,2-双氨基苯基丙烷，诸如2,2-双(4'-氨基苯基)丙烷、2,2-双(3',5'-二氯-4'-氨基-苯基)丙烷、2,2-双(3',5'-二溴-4'-氨基苯基)-丙烷等；二氨基二苯砜，诸如4,4'-二氨基-二苯砜、3,5,3',5'-四氯-4,4'-二氨基-二苯砜、3,5,3',5'-四溴-4,4'-二氨基二苯砜等；二氨基二苯甲酮，诸如4,4'-二氨基-二苯甲酮、2,2'-二氨基二苯甲酮、3,3'-二氯-4,4'-二氨基二苯甲酮、3,5,3',5'-四溴-4,4'-二氨基-二苯甲酮、3,5,3',5'-四氯-4,4'-二氨基二苯甲酮等；二氨基二苯醚，诸如3,3'-二氨基-二苯基醚、4,4'-二氨基二苯醚、3,3'-二溴-4,4'-二氨基二苯醚等。哌嗪、N-苯基-苯-1,3二胺、黑素和这些化合物的混合物。在优选的方面，将二胺选择成间苯二胺(MPD)，也称为1,3-二氨基苯。
三胺化合物可选自一系列化合物，包括例如二亚乙基三胺、二亚丙基三胺、亚苯基三胺、双(六亚甲基)-三胺、双(六亚甲基)三胺、双(3-氨基丙基)-胺、六亚甲基二胺、N-牛油烷基二丙烯、1,3,5-三嗪-2,4,6-三胺和这些化合物的混合物。
酰卤化合物通常具有两个或三个可以与二胺或三胺化合物反应的酰卤基团。二酰卤化合物或三酰卤化合物的适合的实例包括均苯三甲酰氯(TMC)、均苯三甲酰溴、间苯二甲酰氯(IPC)、间苯二甲酰溴、对苯二甲酰氯(TPC)、对苯二甲酰溴、己二酰氯、氰尿酰氯和这些化合物的混合物。
二胺或三胺化合物的胺基团将与酰卤化合物的酰氯基团竞争反应。通常，二胺或三胺化合物与酰卤化合物的重量比为从0:1至30:1。当需要表面上高密度的囊泡时，二胺或三胺基团的量通常在该范围的下部，即0:1至1:1，诸如，在0:1至0.5:1之间。在本发明的其他实施方式中，需要更刚性的TFC层，并且选择的反应物处于该范围的较高端，诸如，1:1至30:1，优选地1:1至5:1。
多孔支撑膜可以由许多材料形成。只要支撑膜能够足以支撑TFC层并在操作条件期间经受分解，即能够承受膜两侧的压力和/或化学环境，材料的具体选择就是非必需的。用于多孔支撑膜的材料的具体实例包括聚砜或聚醚砜聚合物。支撑体可以是对称的或不对称的。在多孔支撑膜不对称的情况下，TFC层适当地形成于表层层面上。
在一些实施方式中，多孔支撑膜还可以被织造或非织造机械支撑体支撑，以增加机械构造并降低操作期间破裂的风险。
多孔支撑膜可以是本领域已知的任何物理外观，诸如平板膜、管状膜或中空纤维膜。在本发明的某方面，中空纤维膜是优选的，因为它提供了更高的堆积密度，即对于一定的体积活性膜面积更高。膜可以组合在一起或组装成本领域已知的模块。因此，多个平板膜可以组装成板框式膜配置。板框式膜系统利用铺设在板状结构顶部的膜，其又通过框状支撑件保持在一起。
平板膜还可以组装成螺旋缠绕式过滤器模块。除平板膜之外，螺旋缠绕膜模块还包括进料隔室和围绕被称为渗透管的中空管缠绕的渗透隔室。螺旋缠绕元件利用错流技术，并且由于其结构，可以容易地以不同的配置创造成具有不同长度、直径和膜材料。螺旋缠绕式过滤器模块的制造可以通过首先铺设膜，然后将其膜向内地对半折叠。然后将进料隔室放入折叠的膜之间，形成膜夹层。进料隔室的目的是为水在膜表面之间流动提供空间，并且允许膜叶之间的均匀流动。接下来，将渗透隔室附接到渗透管，并且使用胶将事先制备的膜夹层附接到渗透隔室。铺设下一个渗透层并用胶密封，并且重复整个过程，直到所有所需的渗透隔室都附接到膜。然后将完成的膜层缠绕在管上，形成螺旋形状。
管状膜模块是具有多孔壁的管状结构。管状模块通过切向错流工作，并且通常用于处理困难的进料流，诸如具有高溶解固体、高悬浮固体和/或油、油脂或脂肪的进料流。管状模块由至少两个管组成；内管，被称为膜管，以及外管，即外壳。进料流穿过膜管的长度并过滤到外壳中，同时在膜管的相对末端收集浓缩物。
中空纤维膜可以组装成模块。因此，本发明提供了通过在壳体中组装一束中空纤维来制造中空纤维模块的步骤，其中，用于通过第一溶液的入口在一端连接至中空纤维的腔，并且出口在另一端连接至腔，并且在壳体中设有入口，用于将第二溶液传递到与壳体连接的出口。
根据本发明产生的膜模块可以以各种配置使用，包括正向渗透配置和反渗透配置。
正向渗透(FO)是一种渗透过程，其使用选择性渗透膜来实现水与溶解的溶质的分离。用于该分离的驱动力是高浓度溶液(本文称为驱动)和低浓度溶液(称为进料)之间的渗透压梯度。渗透压梯度引起通过膜的净水流进入驱动，从而有效地浓缩进料。驱动溶液可以由单个或多种简单盐组成，或者可以是专门为正向渗透应用定制的物质。进料溶液可以是稀释产物流，诸如饮料、废物流或海水，参见IFOA,http://forwardosmosis.biz/ education/what-is-forward-osmosis/
因此，FO的大多数应用分为三大类：产品浓缩、废物浓缩或产生清洁水作为浓缩过程的副产物。当在本文中使用时，术语“PAFO”描述辅助正向渗透过程的压力。当在本文中使用时，术语“PRO”描述延迟渗透的压力，其可用于产生渗透力。本发明的膜可用于所有类型的正向渗透过程，并且可以特别适用于每种FO类型。
本文使用的术语“反渗透”(RO)是指当在选择性渗透膜上施加的进料水压力用于克服渗透压时。反渗透通常从进料水中去除许多类型的溶解物质和悬浮物质，包括细菌，并且既用于工业过程也用于饮用水的生产。在RO过程期间，溶质保留在膜的加压侧并且纯溶剂(渗透物)通过到另一侧。选择性指定膜不允许更大的分子或离子通过其孔(洞)，同时允许溶液的较小组分(诸如溶剂分子)自由通过。低压反渗透(LPRO)膜通常在从约<5巴的进料水压力和最高达约25巴的最大操作压力15LMH/巴的比流量下操作。LPRO在较低的进料压力范围内进行，例如，2至5巴，有时被指定为超低压反渗透。本领域已知的LPRO膜具有典型的操作限制，用于进料水温度为约45℃，进料水pH在2至11的范围内，以及化学清洁在pH1至12的范围内。
本发明更具体地涉及包括PS-PAA嵌段共聚物囊泡的水性组合物，该囊泡在表面活性剂的存在下并入了两亲性功能分子。在某些实施方式中，水性组合物基本上不含非极性溶剂。所述功能分子的实例包括两亲性肽或蛋白质，诸如跨膜蛋白，诸如水通道蛋白水通道，例如水通道蛋白Z，或SoPIP2；l和其他植物水通道蛋白，或水通道蛋白-1，或水通道蛋白-2。更具体地，所述共聚物选自具有的亲水性与疏水性比率在从0.4至3.6的范围内的PS-PAA嵌段共聚物；并且，聚合物:表面活性剂:AqpZ的摩尔比在从约1:0.017:0.0008至1:0.19:0.0047的范围内。
此外，所述PS-PAA共聚物的实例选自具有的分子量(Mw)为从约8000Da至约25000Da的嵌段共聚物，诸如具有分子量8000Da、13000Da和23300Da的嵌段共聚物。
在本发明的组合物中，表面活性剂可以选自LDAO和OG，并且所述表面活性剂可以以从约0.05至约2.5％v/v的浓度存在。
此外，本发明涉及包括PS-PAA嵌段共聚物和两亲性功能分子的囊泡。在某些实施方式中，囊泡具有的流体动力学直径为从约50nm至约200nm，诸如从约55nm至约100nm；并且囊泡还包括表面活性剂，诸如LDAO或OG；并且，两亲性功能分子选自两亲性肽和跨膜蛋白(诸如水通道蛋白水通道)的组。
在本发明的示例性实施方式中，囊泡在与MPD的混合物中稳定至少约6h，更优选地至少约12h，更优选地至少约18小时，且最优选地最多达约24小时。
本发明还涉及选择性渗透膜，其包括多孔支撑层和致密的或无孔的选择性层，其中并入了本发明的囊泡。膜可以是平板膜或中空纤维膜或管状膜的形式。本发明的膜可用于使用正向渗透或反渗透过滤水。低压反渗透(LPRO)膜通常在从约5至10巴的进料压力和约15LMH/巴的比流量下操作。较低的进料压力范围，例如，<5巴有时被称为超低压反渗透。因此，本发明的一方面涉及本发明的选择性渗透水膜在低压反渗透(LPRO)工艺中的用途，诸如利用天然水源或地表或地下水源作为进料水的水净化工艺。
在一些实施方式中，本发明的选择性渗透膜还可以在选择性层或分离层上进行表面处理，例如在选择性层和/或分离层上提供涂层。举例来说，这可以采取包括亲水性聚多巴胺的薄涂层的形式，参见Environ.Sci.Technol.Lett.,2016,3(9),pp 332-338用于防污目的，或作为PVA涂层，参见美国专利No:6,413,425，用于改善诸如盐截留率(rejection)、结垢耐受性等参数。
在另外的方面，本发明提供了包括本发明的选择性渗透膜的用于水净化的低压反渗透设备，其中，所述设备的实例是在低于约5至10巴，诸如在2至5巴之间的压力下操作的家用净水器。
本发明的另一方面是包括本发明的选择性渗透膜的苦咸水反渗透(BWRO)设备。本发明的选择性渗透膜可用于苦咸水脱盐，其中，与传统系统相比，在选择性层中活性水通道蛋白水通道的并入提供了改善的通量和降低的能量消耗。
本发明是多功能的，因为它提供了PS-PAA自组装囊泡或聚合物泡囊，其可以包封或并入一系列具有两亲性两者、亲水性或疏水性性质的功能分子。为此目的，功能分子可以直接与PS-PAA和合适的水性表面活性剂的混合物混合，以确保亲水性化合物包封在囊泡内部，或疏水性化合物包封在PS嵌段内，或两亲性化合物排列在两亲性囊泡膜中，例如，某些肽(例如胰岛素)或跨膜分子或蛋白质，以及包封的分子之后可以在受控条件下释放。
实施例
通过以下实施例进一步说明本发明，这些实施例不应解释为进一步的限制。
通用方案
实施例1.在LDAO存在下将PS-PAA直接溶解于pH＝7.2的磷酸盐缓冲液中以形成自组装囊泡
材料和方法
聚苯乙烯-嵌段-聚(丙烯酸)、DDMAT封端(MW8000Da)(PS-PAA3000:5000，PDI＜1.1)购自Sigma-Aldrich(HOCOC(CH3)2(CH2CHC6H5)m(CH2CHCOOH)nSCSSC12H25)，其中m＝28且n＝70，并且不经任何其他纯化按原样使用。通过将8g NaCl、0.2g KCl、1.44g Na2HPO4和0.24g KH2PO4溶解于800mL MiliQ纯化的H2O中，用HCL调节pH到7.2，并且将体积补充至1L，从而制备了10mM磷酸盐溶液(PBS)(pH 7.2，136mM NaCl，2.6mMKCl)。N,N-二甲基十二烷基胺N-氧化物BioXtra(月桂基二甲基胺N-氧化物)(99％纯度)，LDAO购自Sigma Aldrich。
通过LDAO介导的直接溶解法制备了并入AqpZ囊泡的PS-PAA。为此，将200mg PS-PAA粉末与0.5mL 5％LDAO储备溶液和195mL PBS混合。
将PS-PAA、LDAO混合物以170转每分钟搅拌过夜，过夜不超过24小时(但不少于12h)。搅拌后次日，将混合物转移到100ml玻璃瓶中并在室温下保存。转移到储存玻璃瓶后，通过使用来自Malvern的ZetaSizer NanoZs的动态光散射和使用Bio-Logic SFM 300的停流测定了PS-PAA自组装结构(囊泡)的尺寸和渗透性以及ζ电位。
PS-PAA结构的流体动力学直径测定为78nm(平均值)。PS-PAA自组装结构的ζ电位测定为-13mV，表明结构的预期负电荷。
从0.5M NaCl作为渗透物中的停流测量获得的渗透率数据得到快速扩散系数Ki为100s-1。
实施例2.通用水通道蛋白的纯化和水通道蛋白储备溶液的制备
水通道蛋白Z的重组生产
水通道蛋白水通道蛋白质的所有类型和变体，包括水甘油通道蛋白，可以用于制备根据本发明的膜和组合物，参见WO2010/146365中描述的方法。代表性实例包括菠菜水通道蛋白SoPIP2；l蛋白质和来自大肠杆菌(E.coli)的细菌水通道蛋白-Z。
功能性水通道蛋白-Z在大肠杆菌菌株BL21(DE3)细菌培养基中过量产生，作为带有烟草蚀刻病毒切割位点的His标记的蛋白质。融合蛋白质具有264个氨基酸并且Mw为27234Da。来自大肠杆菌DH5的基因组DNA用作扩增AqpZ基因的来源。使用基因特异性引物扩增AqpZ基因，并添加烟草蚀刻病毒切割位点(TEV)；ENLYFQSN位于AqpZ的N末端。用酶NdeI和BamHI消化扩增的AqpZ，并且，然后连接至类似消化的6-His标记的表达pET28b载体DNA。通过PCR筛选验证阳性克隆。然后通过DNA测序确认构建体的真实性。
大肠杆菌菌株BL21(DE3)用于表达蛋白质。将包含50μg/mL卡那霉素的LuriaBroth培养基于37℃下温育13-16小时，稀释100倍至新鲜LB肉汤中并繁殖至约1.2-1.5(在600nm处的OD)的密度。通过在35℃下添加1mM IPTG3小时诱导重组蛋白质的表达，然后离心。在0.4mg/mL溶菌酶、50单位Bensonase和3％正辛基β-D-吡喃葡萄糖苷的存在下，将收获的细胞重悬于冰冷的结合缓冲液(20mM Tris pH 8.0、50mM NaCl、2mMβ-巯基乙醇、10％甘油)中。将样品在12,000Pa下于微流化器中进行五次裂解循环。通过以40,000x g离心30分钟压制不溶性物质。将上清液通过Q-琼脂糖凝胶快速流动柱(Amersham Pharmacia)，并且10收集流通物(flow through)。在加载到预平衡的Ni-NTA柱上之前，将流通级分用NaCl加至300mM。用100柱体积的洗涤缓冲液(20mM Tris pH 8.0、300mM NaCl、25mM咪唑、2mMβ-巯基乙醇、10％甘油)洗涤柱以除去非特异性结合的物质。用五床体积的洗脱缓冲液(20mMTris pH 8.0，300mM NaCl，300mM咪唑，2mMβ-巯基乙醇，10％15甘油，包含30mM正辛基β-D-吡喃葡萄糖苷)对Ni-NTA琼脂糖结合的物质进行洗脱。用阴离子交换色谱；monoQ柱(GEhealthcare)进一步纯化AqpZ。将样品混合物稀释并浓缩，用Amicon浓缩器使盐和咪唑浓度达到大约10mM，在装载到MonoQ柱之前将膜切下10,000Da。在阴离子交换色谱期间使用的缓冲液是(A)20mM Tris pH 8.0、30mM OG、10％甘油和(B)20mM 20Tris pH 8.0、1M NaCl、30mM OG、10％甘油。汇集了包含来自离子交换柱的AqpZ的洗脱峰级分。将纯化的AqpZ提取物在-80℃下冷冻保存。
用于纯化水通道蛋白质的程序
获得了一批水通道蛋白质的冷冻提取物，诸如水通道蛋白Z，AQPZ，例如来自大肠杆菌发酵，并且如下处理以用于实验以产生和表征包括本发明的蛋白质-PAI纳米结构的膜。
纯化实验前一天，将AQP提取物(储存在-80℃冰箱中)在冰上或4℃冷藏室中解冻。在4℃下准备好缓冲液和ddH2O的部分。通过磁棒在冰浴上在足够冷却的烧杯中搅拌AQP提取物以溶解任何沉淀物。将1.5体积预冷却的无LDAO的AQP结合缓冲液逐渐加入1体积的溶解的提取物中(使用另外0.5体积缓冲液冲洗提取管和过滤杯)，充分混合并过滤，通过无菌0.45μM真空过滤杯。对过滤杯施加真空以避免过度起泡，并将滤液置于冰上以在2小时内使用。
在RT下将Histrap柱用无菌水平衡，然后用AQP结合缓冲液平衡。流速设定为1ml/min(对于1mL预填充柱)或2.5ml/min(对于5ml预填充柱和自填充柱)。使用程序将3倍稀释的提取物(在冰水浴上)装载到Histrap柱上。流速设定为1ml/min(对于1mL预填充柱)或2.5ml/min(对于5mL预填充柱和自填充柱)。装载量小于30ml/ml树脂。收集冰水浴上的提取物流通物并在4℃下储存以供进一步使用。用10CV冰冷的AQP结合缓冲液洗涤柱。流速设定为2.5ml/min(对于5ml预填充柱和自填充柱)或设定为1ml/min对于1ml预填充柱。使用程序，用冰冷的AQP洗脱缓冲液(10柱体积)以2.5ml/min的流速洗脱AQP蛋白质。将级分体积设定为10ml，并在0.5-1CV后在15ml PP管中开始收集。
将洗脱的级分加盖并储存在冰上或4℃下。通过变性和天然PAGE分析分别检查AQP纯度和构象。通过Nanodrop测量蛋白质浓度。可以根据需要第二次和第三次处理提取物流通物以产生合适质量的AQP组合物。
当AQP质量分析通过时，可以通过加入冰冷的不含咪唑的包含2％LDAO的AQP结合缓冲液将蛋白质浓度调整至5mg/ml。最后，将AQP过滤通过0.45μM灭菌杯灭菌，并储存于4℃的冷藏室中以在一个月内使用，或者储存于-80℃的冷冻箱中。
实施例3.使用LDAO作为表面活性剂制备具有AqpZ并入的PS-PAA囊泡
材料和方法
聚苯乙烯-嵌段-聚(丙烯酸)，DDMAT封端(MW 8000Da)(如实施例1中的PS-PAA)购自Sigma Aldrich，并且不经任何其它纯化按原样使用。通过将8g NaCl、0.2g KCl、1.44gNa2HPO4和0.24g KH2PO4溶解于800mL MilliQ纯化的H2O中，用HCL调节pH至7.2并将体积补充至1L，从而制备10mM磷酸盐溶液(PBS)(pH 7.2，136mM NaCl，2.6mM KCl)。N,N-二甲基十二烷基胺N-氧化物BioXtra(月桂基二甲基胺N-氧化物)(99％纯度)，LDAO购自SigmaAldrich。)。2％LDAO中5mg/mL AqpZ纯化的储备溶液，参见上文实施例2中的通用制备。
通过LDAO介导的直接溶解法制备并入AqpZ囊泡的PS-PAA。为此，将200mg PS-PAA粉末与0.5mL 5％LDAO储备溶液和194.9mL PBS和0.5mg(0.1mL)在2％LDAO中的AqpZ纯化的储备溶液混合，以获得1/330AQPZ/聚苯乙烯-嵌段-聚(丙烯酸)，DDMAT封端摩尔比。
将PS-PAA、LDAO、AqpZ混合物以170转每分钟搅拌过夜，过夜不超过24小时(但不少于12h)。搅拌后次日，将混合物转移到100mL玻璃瓶中并在室温下保存。在转移到储存玻璃瓶后，通过使用来自Malvern的ZetaSizer NanoZs的动态光散射和使用Bio-Logic SFM 300的停流测定PS-PAA AqpZ自组装结构的尺寸和渗透性以及ζ电位。
PS-PAA AqpZ结构的流体动力学测定为69nm(平均值)。PS-PAA AqpZ自组装结构的ζ电位测定为-14mV，表明了结构的预期负电荷。
从0.5M NaCL作为渗透物中的停流测量获得的渗透率数据得到快速扩散系数Ki为1000s-1。
通过在从30至100℃的范围内的各种温度下加热5mL 10min测定了基于PS-PAAAqpZ的自组装结构的温度稳定性，并且通过动态光散射和停流测量进一步测定了它们的尺寸和渗透性。随着温度升高到60℃，尺寸减小(达到39nm)，而快速扩散系数Ki值未改变。
通过使用具有从8000Da至23300Da的Mw并且具有从0.4至3.6的亲水性与疏水性比率的PS-PAA共聚物，并且使用浓度范围为从0.05至2.5％v/v的LDAO进行了相同类型的实验。
实施例4.使用OG作为表面活性剂制备具有AqpZ并入的PS-PAA囊泡
材料和方法
聚苯乙烯-嵌段-聚(丙烯酸)，DDMAT封端(MW 8000Da)(如实施例1中的PS-PAA)购自Sigma Aldrich，并且不经任何其它纯化按原样使用。通过将8g NaCl、0.2g KCl、1.44gNa2HPO4和0.24g KH2PO4溶解于800mL MiliQ纯化的H2O中，用HCL调节pH到7.2并且将体积补充至1L，从而制备10mM磷酸盐溶液(PBS)(pH 7.2，136mM NaCl，2.6mMKCl)。N,N-辛基β-D-吡喃葡萄糖苷(98％纯度)，OG购自Sigma Aldrich。在1％OG中的5mg/mL AqpZ纯化的储备溶液。
通过OG介导的直接溶解法制备并入AqpZ囊泡的PS-PAA。为此，将200mg PS-PAA粉末与0.25mL 10％OG储备溶液和195.15mL PBS和0.5mg(0.1mL)的1％OG中AqpZ纯化的储备溶液混合，以获得1/330AQPZ/聚苯乙烯-嵌段-聚(丙烯酸)，OG封端摩尔比。
将PS-PAA、OG和AqpZ混合物以170转每分钟搅拌过夜，过夜不超过24小时(但不少于12h)。搅拌后次日，将混合物转移到100ml玻璃瓶中并在室温下保存。在转移到储存玻璃瓶后，通过使用来自Malvern的ZetaSizer NanoZs的动态光散射和使用Bio-Logic SFM 300的停流测定PS-PAA AqpZ自组装结构的尺寸和渗透性以及ζ电位。
PS-PAA AqpZ囊泡结构的流体动力学直径尺寸测定为50nm(平均值)，峰值在56nm(84％)和71nm(16)。PS-PAA AqpZ自组装囊泡结构的ζ电位测定为-14mV，表明了结构的负电荷。从0.5M NaCl作为渗透物中的停流测量获得的渗透率数据得到快速扩散系数Ki为1350s-1。
实施例5.手工FO过滤膜，使用来自Sigma-Aldrich的PS-PAA 8000,/聚苯乙烯-嵌段-聚(丙烯酸)，DDMAT封端
使用手动方案在PES支撑膜上形成TFC层；
a)通过将1.5g MPD溶解在约55mL MilliQ水中以获得约2.5-3％(W/W)浓度制备MPD/水溶液；
b)将水性PS-PAA-水通道蛋白Z溶液与步骤a)中制备的MPD溶液混合：将6mL PS-PAA/aqpZ溶液与约54mL MPD水溶液混合；
c)将TMC溶解在Isopar中至最终浓度为0.15％W/V；
d)用约20mL/m2膜的在步骤b)中制备的PS-PAA-aqpZ/MPD溶液覆盖矩形膜，例如孔径为0.1μm的5.5cm×11cm滤膜(MICRO PES 1FPH，由Membrana Co.制造)，并在温和搅拌下放置30秒；
e)用实验室干燥纸(例如Kim-Wipe)干燥非活性侧(背面)5-10秒；
f)将膜放在玻璃板上并用N2温和地干燥，直到表面从光亮变暗；
g)在膜的边缘(≈1mm)周围贴上胶带；
h)将有贴了胶带的膜的玻璃板放入玻璃或金属容器中，向一端加入约155mL/m2膜的TMC-Isopar，并且温和地来回摇动30秒；
i)从储液器中取出玻璃板并用N2干燥10至15秒。
在除去胶带之后，可以将膜转移到MilliQ，使新形成的活性面朝上，并且如果需要，在后续步骤中的处理期间保持湿润。
将5.5cm×11cm形状的五个涂覆的膜分别装配到Sterlitech CF042FO单元(cell)中，并用DI水中的5μM钙黄绿素进料溶液和1M NaCl驱动溶液运行200分钟。对于通过使用实施例3中获得的囊泡获得的膜，具有标准偏差的平均结果示于表1中。从结果可以看出，FO水通量(Jw)性能既令人满意又高度可再现，如低标准偏差所示。与此同时，反向氯化钠通量低，并且Js/Jw比率优异，即低于0.20。获得的钙黄绿素截留率超过99％是表征没有针孔或其他缺陷的紧密膜的量度。
表1
实施例6.试验机使用来自Sigma-Aldrich的PS-PAA 8000,/聚苯乙烯-嵌段-聚(丙烯酸)，DDMAT封端制备FO过滤膜
使用试验涂覆机在PES支撑膜上形成TFC层。
a)通过将MPD溶解在MilliQ水中以获得2.5％(W/W)浓度制备MPD/水溶液；
b)如实施例5的步骤a)和b)制备PS-PAA/水通道蛋白-Z/MPD/水溶液；
c)将TMC溶解在Isopar中至最终浓度为0.15％W/V；
d)将一卷MICRO PES 1FPH(孔径为0.1μm；由Membrana Co.制造)的滤膜安装在机器的退绕单元上；
e)将膜穿过涂覆；
f)洗涤池中充满DI水；
g)运行涂覆过程(以0.6m/min)：
-膜从退绕件展开；
-然后浸泡在MPD/水中于轧染(foulard)浴中；
-用气刀(0.5巴空气)除去表面水；
-通过狭缝模头以1.2mL/min的泵速施加步骤b)的PA-PAA/水通道蛋白/MPD/水溶液；
-通过气刀除去表面水，以确保在界面聚合(0.75巴)之前表面无液滴；
-通过狭缝模头以4.2mL/min施加TMC/Isopar以开始界面聚合；
-在环境空气中干燥膜表面的Isopar；
-在洗涤浴中除去剩余的化学物质；
-以活性侧指向辊的方向卷起涂覆的膜；
h)将涂覆的膜进行最后的干燥步骤。
将五个涂覆的膜切割成5.5cm×11cm的形状，并分别装入Sterlitech CF042FO单元中，并用DI水中的5μM钙黄绿素进料溶液和1M NaCl驱动溶液运行200分钟。获得了FO水通量(Jw)性能的平均结果与标准偏差。
实施例7.使用来自Sigma-Aldrich的PS-PAA 8000，/聚苯乙烯-嵌段-聚(丙烯酸)，DDMAT封端的手工TFC PS-PAA-AQPZ过滤膜用于低压RO
根据下面概述的步骤制备膜：
a)提供支撑膜，例如，具有手指状结构、尺寸为5.5cm×11cm的PES非织造物(例如，具有的孔径为0.1μm的MICRO PES 1FPH；由Membrana Co.制造)；
b)将3wt％MPD和93.5wt％DI水混合以得到溶液；
c)加入根据实施例3制备的0.1mg/mL的PS-PAA-AQPZ蛋白质聚合物泡囊(自组装纳米囊泡)，以得到悬浮液；
d)将来自c)的悬浮液温育2小时；
e)由0.09wt％TMC、99.01wt％Isopar和任选地小于约1wt％的非极性溶剂(诸如丙酮)制备TMC溶液；
f)将支撑膜浸涂在悬浮液d)中约30秒；
g)用气刀进行干燥；
h)加入来自e)的TMC溶液用于界面聚合；
i)然后在通风橱中干燥2min。
制备了八个膜并将其安装在Sterlitech CF042RO单元中，www.sterlitech.com，使用500ppm NaCl作为进料在5巴下操作60分钟。结果如下表2所示，并且表明RO水通量(Jw)性能既令人满意又高度可重复，同时氯化钠截留率高。
实施例8.使用本发明的PS-PAA自组装囊泡制备逐层膜
LbL聚电解质组装件已应用于膜分离，用于具有不同尺寸和拓扑结构的许多多孔膜基质，其可以吸附初始聚电解质层，诸如聚(醚砜)、聚(乙烯胺)、聚(4-甲基-1-戊烯)、聚酰胺、聚丙烯腈(PAN)、聚(乙烯基吡咯烷酮)、平板中的阳极氧化铝、管状或中空纤维结构[Duong,P.H.H.,Zuo,J.,Chung,T-S.,J.Memb.Sci.427(2013),411-421]。
我们建议使用LBL聚电解质技术制备基于非织造PES基质和并入PS-PAA AqpZ纳米结构的PEI/PAA聚电解质层的超滤膜。为了制备膜，将应用以下步骤。
步骤1：在非织造支撑上选择并准制备带负电的PES；
步骤2：由于静电引力，将PEI吸附在基质的带负电的表面上；仅通过浸没在PEI溶液中；
步骤3：用去离子水洗涤基质表面，以除去未被强吸附在表面上的过量的PEI分子；
步骤4：将覆盖有PEI的PES浸入PS-PAA Aqpz溶液中，其中，负电荷将吸附在表面上；
步骤5：用去离子水洗涤基质表面，以除去未被强吸附在表面上的过量的PS-PAAAqpZ结构；
步骤6：将覆盖有来自PS-PAA Aqpz溶液的负电荷的PES浸入PEI溶液中；
步骤7：用去离子水洗涤覆盖有PEI和PAA AqpZ结构的PES表面，以除去过量的PEI分子；
步骤8：通过直接浸入2mg/mL PS-PAA 8000Da溶液中，将PS-PAA吸附在带正电荷的表面上；
步骤9：用去离子水洗涤覆盖有PS-PAA和PEI结构的PES表面，以除去过量的PS-PAA分子；
步骤6：重复步骤6-9，直至达到多层-2的目标数量；
步骤8：用去离子水洗涤
在优选其他电解质对的情况下，将使用类似的程序来制备膜。基于PS-PAA AqpZ的纳米结构将用于替代用于组装电解质多层的聚阴离子。
实施例9：并入水通道蛋白囊泡的逐层(LBL)膜的制备。
材料：
PAH——聚烯丙胺40wt％于水中；Mw＝150,000g/mol；由Nittobo制造；等级：PAA-HCL-10L。
PSS——聚(4-苯乙烯磺酸钠)30wt％于水中；Mw＝200,000g/mol；由Sigma-Aldrich制造。
NaCl——氯化钠；由Akzo Nobel制造。
纤维——由TWENTE大学用磺化聚醚砜与聚(二烯丙基二甲基氯化铵)制备的超滤膜。内径为0.68mm且外径为0.88mm。该纤维具有的标准渗透率为约200Lmhb(L*m-2*h-1*巴-1)。
LBL的制备
通过将纤维浸入0.5M的NaCl和0.1g/l的聚电解质溶液中制备聚电解质多层(PEM)。聚电解质是PAH(聚烯丙基胺)和PSS(聚苯乙烯磺酸酯)，并且所有溶液均用去离子水制备。首先将纤维放入PSS溶液中15分钟，然后在三个独立的圆筒中冲洗各5分钟。随后，将纤维也放入PAH溶液中15分钟。重复该过程直至制备了7个双层系统([PSS/PAH]7)。
由于囊泡具有负电荷，因此它们应附着在带正电荷的表面上。由膜制成模块，其中一侧被封闭，就像死端过滤。该模块由PE管构成，在底部有孔。将实施例4中制备的PS-PAAAqpz囊泡溶液放入注射器中，并然后连接至膜组块。随后允许囊泡溶液流动通过膜内部，直至所有空气都流出。然后将一侧封闭，就像死端过滤，并将PS-PAA溶液从内向外推动通过，直至膜开始滴落。
此后，将膜在15/85wt％甘油/水中干燥至少4小时，并然后干燥过夜，然后进行任何其他测量。
对于该特定情况，使用用于构建PEM的单一盐浓度。然而，这可以在从5至1000mM(0.005至1.0M)的NaCl间变化。
测试的RO膜的数量 Jw±SD[L/m<sup>2</sup>h/bar] 截留率％[NaCl]±SD
4 6.46±0.3 44.1±4
Zhang T et al 2013描述了类似的盐截留率结果。
实施例10.使用激光扫描显微镜和扫描电子显微镜表征本发明的PS-PAA囊泡。
所形成的PS-PAA AqpZ和PS-PAA囊泡的形态以及尺寸将通过在100kV下操作的Tecnai T20G2电子显微镜上的透射电子显微镜表征。将囊泡分散体沉积在碳涂覆的铜网格上，并用2％乙酸双氧铀溶液负染色。
实施例11.使用Sterlitech CF042流动室在标准测试设置中使用5μM钙黄绿素作为进料和1M NaCl标准溶液作为驱动的各种PS-PAA-AqpZ手工FO膜的表征
使用上述实施例6的方案制备所有膜。
设备：
·柔性硅胶管(Tygon L/S25–di＝4.8mm)
·电导仪(Thermo Scientific Orion 3星+数据记录软件(StarPlus Navigator，LabSpeed Navigator)
·电导探针(Thermo Scientific 013016MD电池常数0,1/cm工作范围0,1-300μS)
·泵(LongerBT100-1L，有3个辊泵头YZ1515x)
·磁力搅拌器(Assistent Magnetmix 2070)
·Kern Scale 572+软件平衡连接4
·CF042FO-单元
·如上所述制备的1个CF042尺寸的膜
·2个瓶子(进料/驱动储液器，塑料或玻璃)驱动：2L且进料1L体积
·Invitrogen Qubit荧光计Q 32857Gonotec Osmomat 030冰点降低渗透计
·实验室人员(Lab boy)或者类似方式以提升驱动储液器
标准FO测试设置的总结：
·膜取向：AS—FS
·运行时间：>215min/分析时间：200min(记录中不包括15min的磨合时间)
·泵上的流速：50mL/min
·驱动：lM NaCl
·进料：DI水中的5μM钙黄绿素
·在开始时顶部表面进料和驱动的高度相同
FO站的准备：
1.用1L的1M NaCl溶液填充驱动储液器，并在报告单上记下重量。
2.用1L的5μM钙黄绿素溶液填充进料储液器，并在报告单上记下重量。
3.确保驱动和进料中的水位高度处于同一水平(使用实验室人员(Lab boy)或类似方式来提升磁力搅拌器)
4.通过泵(高速)填充整个系统(进料和驱动)
5.将泵速设置为50.03mL/min(管内径4.8mm)
结果在下面的表2至表5中给出，其中，在所有实验运行中获得了从非常低的0.11至最高达0.37的范围的期望的Jw/Js比率。此外，在所有运行中都得到了超过99.7％的非常高的钙黄绿素截留率，证明了tfc层的完美性质。
表2.200min运行时间
*购自Sigma-Aldrich，参见实施例3
**2mG/mL PS-PAA：0.1mG/mL LDAO：5mg/L AqpZ
表3.900min运行时间
*购自Sigma-Aldrich，参见实施例3
**2mG/mL PS-PAA：0.1mG/mL LDAO：5mg/L AqpZ
表4.200min运行时间
*购自Sigma-Aldrich，参见实施例3
**2mG/mL PS-PAA：0.2mG/mL LDAO：5mg/L AqpZ
表5.200min运行时间
*购自Sigma-Aldrich，参见实施例3
**2mG/mL PS-PAA：0.25mG/mL LDAO：5mg/L AqpZ
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Claims (30)

1.一种囊泡，所述囊泡包含聚苯乙烯-聚丙烯酸(PS-PAA)嵌段共聚物和两亲性功能分子。
2.根据权利要求1所述的囊泡，其中，所述嵌段共聚物具有的分子量为从约7500Da至约25000Da。
3.根据权利要求1或2所述的囊泡，其中，所述PS-PAA嵌段共聚物选自具有分子量8000Da、13000Da和23300Da的嵌段共聚物。
4.根据权利要求1或2中任一项所述的囊泡，其中，所述PS-PAA嵌段共聚物具有的亲水与疏水比率在从约0.4至约3.6的范围内。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的囊泡，其中，所述PS-PAA嵌段共聚物具有末端官能化基。
6.根据权利要求5所述的囊泡，其中，所述末端官能化基选自叠氮基、羧基或表现出硫醇部分的DDMAT基团。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的囊泡，所述囊泡在室温下具有从约50nm至约300nm的流体动力学直径。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的囊泡，所述囊泡以乳液或混合物组合物的形式存在，所述乳液或混合物组合物通过在表面活性剂存在下直接溶解于水性介质中制备。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的囊泡，其中，所述表面活性剂选自十二烷基二甲基胺-N-氧化物(LDAO)和辛基葡糖苷(OG)。
10.根据权利要求8或9所述的囊泡，其中，所述表面活性剂的使用浓度在0.05至2.5％v/v的范围内。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的囊泡，其中，共聚物:表面活性剂:AqpZ的摩尔比在从约1:0.017:0.0008至1:0.19:0.0047的范围内。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的囊泡，其中，所述两亲性功能分子选自两亲性肽和跨膜蛋白的组。
13.根据权利要求12所述的囊泡，其中，所述跨膜蛋白是水通道蛋白水通道。
14.根据权利要求13所述的囊泡，其中，所述水通道蛋白水通道选自水通道蛋白Z、水通道蛋白-1、水通道蛋白-2或SoPIP2；1。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的囊泡，所述囊泡在与3％的间苯二胺(MPD)水溶液混合中能稳定至少约12h。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的囊泡，其中，所述乳液或混合物组合物基本上不包括有机溶剂，诸如，二噁烷或二甲基甲酰胺。
17.一种选择性渗透膜，所述选择性渗透膜包括支撑层和选择性层，其中，所述膜包括并入所述选择性层中的根据权利要求1至16中任一项所述的囊泡。
18.根据权利要求17所述的选择性渗透膜，其中，所述选择性层是薄膜复合物(TFC)层。
19.根据权利要求17所述的选择性渗透膜，其中，所述选择性层具有逐层(LBL)结构。
20.根据权利要求18或权利要求19所述的膜，其中，所述囊泡在pH>5时完全带负电荷，提供了所述选择性层中增加的并入的囊泡堆积密度。
21.根据权利要求17至20中任一项所述的膜，所述膜为平板膜、中空纤维膜或管状膜的形式。
22.一种制备并入了两亲性功能分子的PS-PAA嵌段共聚物囊泡的方法，包括提供含有PS-PAA嵌段共聚物囊泡的水性组合物和在表面活性剂存在下并入所述两亲性功能分子的步骤。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述两亲性功能分子并入所述聚苯乙烯-聚丙烯酸(PS-PAA)嵌段共聚物囊泡通过在表面活性剂存在下直接溶解于水性介质中实现。
24.根据权利要求22或23所述的方法，其中，所述组合物基本上不包括有机溶剂，诸如二噁烷或二甲基甲酰胺。
25.根据权利要求22至24中任一项所述的方法，其中，所述两亲性功能分子是肽或蛋白质，诸如跨膜蛋白，诸如水通道蛋白水通道。
26.根据权利要求17至20中任一项所述的膜在低压反渗透(LPRO)工艺中的用途。
27.根据权利要求26所述的用途，其中，所述工艺是水净化工艺。
28.一种用于水净化的低压反渗透设备，包括根据权利要求17至20中任一项所述的选择性渗透膜。
29.根据权利要求28所述的设备，所述设备是在低于约5巴的压力下操作的家用净水器。
30.一种苦咸水反渗透(BWRO)设备，包括根据权利要求17至20中任一项所述的选择性渗透膜。
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