TW201313307A

TW201313307A - 基於水通道蛋白之薄膜複合膜

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Publication number: TW201313307A
Application number: TW101106918A
Authority: TW
Inventors: Chu-Yang Tang; Chang-Quan Qiu; Yang Zhao; wen-ming Shen; Ardcharaporn Vararattanavech; Rong Wang; Xiao Hu; Jaume Torres; Anthony G Fane; Claus Helix-Nielsen
Original assignee: Univ Nanyang Tech; Aquaporin As
Priority date: 2011-09-21
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2013-04-01
Also published as: EP2758156A1; CN104144737A; US20140332468A1; SG11201400825XA; CN104144737B; EP2758156B1; EP2758156B8; TWI561294B; WO2013043118A1

Abstract

本發明係關於一種薄膜複合膜，其中併有兩親媒性囊泡之薄選擇性層由微孔基板支載。亦揭示製備薄膜複合膜之方法及其用途。

Description

基於水通道蛋白之薄膜複合膜

本發明係關於薄膜複合膜，其中水通道蛋白(aquaporin)水通道已併入活性層中。此外，本發明係關於一種製造該薄膜複合膜之方法及其在過濾製程(諸如奈米過濾及滲透過濾製程)中之用途。

【背景】

隨著世界範圍內淡水及能源日益短缺，愈來愈多地關注海水及半咸水之淡化。使用諸多技術，諸如多效蒸餾(multi-effect distillation，MED)、多級閃蒸(multistage flash，MSF)及蒸汽壓縮以及膜淡化(如逆滲透(reverse osmosis，RO)或奈米過濾(nanofiltration，NF))^[1]。

生物膜展示經由水通道蛋白(AQP)蛋白質跨滲透壓梯度之水輸送特性之最有效方式^[2]，其中水通道蛋白結合於磷脂細胞膜中，水可自由通過生物膜而離子卻不能。據估計由2000：1莫耳比之脂質/AQP組成之仿生膜將具有960 L/m²．h之水滲透率，其遠高於文獻^[3]中所提及之RO/FO膜之值。因此，基於AQP之仿生膜在水淡化、水回收及廢水處理等領域中具有極大應用潛力。

可開發人工膜來模擬天然細胞膜，此藉由將AQP併入超薄兩親媒性脂質膜/兩親媒性嵌段共聚物膜中，及/或將AQP併入兩親媒性脂質/兩親媒性嵌段共聚物囊泡中，隨後將含有AQP之囊泡併入作為載體之微孔基板(substrate)上之選擇性層中來達成。美國專利7,208,089^[4]「Biomimetic membranes」描述如何將膜蛋白併入膜中以實現水純化。該發明之較佳形式描述利用朗繆耳-布羅基特槽(Langmuir-Blodgett trough)在25 mm商用超濾盤之表面上沈積5 nm厚之合成三嵌段共聚物及蛋白質單層，隨後利用254 nm UV光使聚合物交聯。最後，用多孔PVDF膜覆蓋單層表面以確保安全操作及防止邊緣處滲漏。藉由將裝置安裝在迫使加壓水穿過膜之腔室中來對其進行分析。然而，尚無任何資料支持該膜在嵌有膜蛋白後良好地用於水淡化。美國專利7,857,978^[5]「Membrane for filtering of water」描述如何使脂質雙層併有AQP且配置成夾層結構以用於水純化。然而，仍亦無資料支持水淡化可用呈夾層結構之基於AQP之脂質雙層膜進行。

基於可獲得之已發佈之報告及研究，仍無任何公開專利或文獻提及已成功地製造水通道分子(諸如AQP)併入選擇性層中之水淡化膜。另一方面，已提示水純化技術可藉由將AQP蛋白質表現至脂質層囊泡中且將此等膜澆鑄在多孔載體上來形成^[5]。用此概念製造仿生膜之一些嘗試已發表於文獻^[3,6,7]中。Nielsen等人提出用於水純化或分離目的之仿生膜之設計，其中水通道蛋白質跨過隔板嵌入脂質或其他兩親媒性基質中，使用囊封及緩衝材料來支載膜^[6]。基於該想法，製造仿生膜之一些嘗試已實現且可見於公開文獻中，其中跨過疏水性膜(諸如鐵氟龍膜(Teflon film))之一或多個孔形成雙層脂膜(BLM)之平面脂膜且利用水凝囊封高度交聯以使最終膜穩定^[11-13]。此外，Wong等人^[7] 提出雙層脂膜(BLM)之獨立平面脂膜可藉由將脂質原位囊封於跨過鐵氟龍隔板中之孔形成之(PMOXA-a-PDMS-b-PMOXA-a)型三嵌段共聚物膜中來獲得。Wang等人^[3]提出經由在錨定至塗有金之多孔氧化鋁之羧化聚乙二醇聚合物層表面上展佈水通道蛋白Z(AqpZ)-1,2-二肉豆蔻醯基-sn-甘油-3-磷酸膽鹼(DMPC)(DMPC-AqpZ)囊泡之孔隙懸浮仿生膜，且其主張根據停流量測法，基於DMPC-AqpZ囊泡之仿生膜之水滲透率為膜中僅育有DMPC脂質囊泡者的3,000倍。以上設計之主要顧慮為缺乏足夠機械強度用於膜過濾、保證水通道蛋白之穩定性、避免膜缺陷及製造較大面積膜之製造技術之可縮放性。此外，以上文獻均未展示膜對於淡化目的之適用性。最後，現有設計通常僅適用於製造較小膜面積(cm²級)。

基於逆滲透(RO)之淡化在最近幾十年內已經歷迅速發展。當前海水RO膜通常為薄膜複合(TFC)型，其中藉由二胺及均苯三甲醯氯單體之界面聚合形成約200 nm之聚醯胺阻擋層。儘管相較於過去30年膜分離性質已得以顯著改良，然而現代海水RO膜典型地具有約0.8 Lm^-2h^-1bar^-1之相對較低之水滲透率(Tang,C.Y.,Y.-N.Kwon及J.O.Leckie,Effect of membrane chemistry and coating layer on physiochemical properties of thin film composite polyamide RO and NF membranes II.Membrane physiochemical properties and their dependence on polyamide and coating layers.Desalination,2009.242(1-3)：第168頁至第182 頁)。同時，若干近期研究已集中於合成較高滲透率之RO膜，諸如基於沸石之薄膜奈米複合膜[Wang,H.,B.A.Holmberg及Y.Yan,Homogeneous polymer-zeolite nanocomposite membranes by incorporating dispersible template-removed zeolite nanocrystals Journal of Materials Chemistry 2002.12：第4頁]。

然而，歸因於受限水力滲透性之高能量消耗仍為TFC膜用於包括淡化在內之水過濾目的之障礙，參見Elimelech等人，The Future of Seawater Desalination：Energy,Technology,and the Environment；Science 333,712(2011)。

因此，本發明之一目的為提供水滲透率、機械強度及規模擴大潛力得以改良之薄膜複合膜。本發明之另一目標為提供能量需求降低因此適用於水淡化目的之薄膜複合膜。此外，本發明之一目的為提供過濾膜，其中功能性水通道蛋白水通道併入利用界面聚合反應在多孔膜基板表面上形成之薄膜複合層中。

【發明概要】

本發明係關於基於水通道蛋白之薄膜複合膜及其製備。超薄選擇性層併有兩親媒性脂質-AQP/兩親媒性共聚物-AQP囊泡且由微孔基板支載。所得薄膜複合膜顯示較高水通量，該水通量在脂質-AQP/共聚物-AQP囊泡併入薄膜複合活性層時甚至更高。兩種膜類型對溶質離子保持類似且較高之阻擋率。當今無其他已知技術可達成此目的。在本發明之另一具體實例中，超薄選擇性層併有不具有水通道蛋白的兩親媒性脂質/兩親媒性共聚物囊泡。

此外，本發明係關於一種製備過濾膜之方法，其中在多孔基板表面上藉由添加有兩親媒性脂質/共聚物囊泡懸浮液之(芳族)胺之水溶液與隨後添加之醯氯於有機溶劑中之溶液的界面聚合以允許胺及醯氯在其中形成聚醯胺活性TFC層來產生薄膜。在薄聚醯胺膜形成期間，可能呈併有或未併有水通道蛋白之脂質體或聚合物體(polymersome)(蛋白脂質體或蛋白聚合物體)形式之囊泡成為活性層之一部分。該包含具有或不具有水通道蛋白水通道之脂質體或聚合物體懸浮液之胺水溶液為適用於形成本發明之薄膜複合膜的新穎中間產物。

【發明詳細說明】

定義

縮寫AQP在本文中用於表示水通道蛋白水通道。AqpZ例如在實施例中特定用於大腸桿菌(E.coli)水通道蛋白Z。然而，AqpZ在本文中亦用作水通道蛋白水通道之一般實例。包括水甘油通道蛋白(aquaglyceroporin)在內之天然存在或合成製造之所有已知蛋白質水通道分子均適用於本發明。

如本文所用，術語「微孔(microporous)」描述製備水通道蛋白薄膜複合膜所用之載體材料之特徵，涵蓋奈米級至微米級的孔隙度範圍。較佳孔隙度典型地呈微米級。

本文中所用兩親媒性脂質之實例為大腸桿菌提取脂質(亦稱為大腸桿菌混合脂質)、大豆磷脂(asolectin)、DOPC 及DPhPC，所有該等脂質均可自Avanti Polar Lipids,Alabaster,Alabama,USA購買。

本文中所用兩親媒性共聚物之實例為A-B-A類型，其中較佳三嵌段共聚物實例PMOXA-a-PDMS-b-PMOXA-a、更特定言之諸如PMOXA₁₅-PDMS₆₇-PMOXA₁₅、PMOXA₁₅-PDMS₁₁₀-PMOXA₁₅、PMOXA₁₅-PDMS₁₁₉-PMOXA₁₅及PMOXA₆-PDMS₃₅-PMOXA₆可自Polymer Source,Canada購買；或者三嵌段共聚物可為非離子清潔劑，諸如Synperonic PE/L64(由FLUKA出售之EO₁₀PO₃₀EO₁₀)及Pluronic PE 10300(由BASF出售之EO₁₂PO₅₆EO₁₂)。此外，A-B-C類型之三嵌段共聚物可適用於本發明，諸如Roxana Stoenescu等人(2004)「Asymmetric ABC-Triblock Copolymer Membranes Induce a Directed Insertion of Membrane Proteins」Macromolecular Bioscience，第930頁至第936頁所描述。在本文之三嵌段共聚物中，A及C為親水性部分，且B為疏水性部分。A-B類型之二嵌段共聚物亦適用於本發明之某些具體實例，例如EO₆₁PO₉₅、EO₁₀Bd₁₂、EO₁₄Bd₃₅、EO₂₃Bd₄₆、EO₄₈DMS₇₀及EO₁₅BO₁₆。兩親媒性共聚物之選擇準則可視待併入之水通道蛋白水通道蛋白質之特定類型而定。然而，存在幾個一般準則，諸如嵌段之穩定化學性質、疏水段之長度能夠藉由「直接(direct)」匹配或藉由能夠摺疊至匹配中來匹配水通道蛋白蛋白質之疏水段，意即在A-B-A嵌段共聚物之B嵌段中具有最多約140個重複單元而對於A-B嵌段共聚物具有最多約100個重複單元。此外，疏水區較佳具有相對較強的疏水性，且親水性/疏水性比率應促進囊泡形成。EO=環氧乙烷，PMOXA=(聚)2-甲基噁唑啉，PO=環氧丙烷，BO=環氧丁烷，PDMS=(聚)二甲基矽氧烷且Bd=丁二烯。

本文中所用載體膜較佳為多孔聚碸或聚醚碸片，其可如本文中所揭示製備或自供應商獲得。可使用其他類型之多孔載體材料，且熟習此項技術者應瞭解如何選擇適合之載體膜。

如本文所用之術語「囊泡(vesicle)」表示脂質體及蛋白脂質體以及聚合物體(聚合囊泡)及蛋白聚合物體。

術語「雙價(bivalent)」及「二價(divalent)」在本文中可互換使用。

「滲透過濾製程(osmotic filtration process)」在本文中意謂如此項技術中一般認可之逆滲透、正滲透及壓力延滯滲透製程之任何類型。更特定言之，本文中相關之滲透製程皆關於涉及水性介質之分離製程。滲透分離製程之目的可為自水性介質提取水以便獲得更濃縮之介質，或其可自諸如廢水、半咸水或海水之來源獲得純化水。最後，在壓力延滯滲透中，目的為藉由經由水選擇性及鹽不透性膜自含鹽相對較少的水源提取純水至含鹽較多的接受者中來產生能量。

使用兩種類型之囊泡來形成基於AQP之薄膜複合膜：(1)兩親媒性脂質-AQP囊泡及(2)兩親媒性聚合物體-AqpZ囊泡。亦製備未併有AQP之囊泡用於比較目的。此外，亦製備併有失活AqpZ變體(AqpZ R189A)之囊泡用於比較目的。

第一囊泡類型為可根據以下方式形成之兩親媒性脂質-AQP囊泡。首先，利用各種類型之兩親媒性脂質將純化之AqpZ重組至蛋白脂質體中，該等兩親媒性脂質包括大腸桿菌脂質提取物、DPhPc(1,2-二-3,7,11,15-四甲基十六醯基)-sn-甘油-3-磷酸膽鹼)、DOPC(1,2-二油醯基-sn-甘油-3-磷酸膽鹼)及POPC(軟酯醯基油醯基磷脂醯膽鹼)等。隨後，藉由經0.4 μm孔徑聚碳酸酯過濾器擠出將脂質製備成單層且均質之預成形脂質體。添加純化之AqpZ至脂質體懸浮液中且在室溫下培育1小時，隨後裝載至透析管中(分子質量截止點為12,000至14,000)且在室溫下相對於100體積之pH 7.5之20 mM磷酸鹽緩衝液透析24小時至72小時。最後，脂質體再次經0.2 μm孔徑擠出。利用動態光散射量測所獲得之蛋白脂質體之直徑，且結果顯示於表1中。

藉由英國應用光物理公司(applied photophysics)停流光譜儀量測具有或不具有AqpZ之脂質/聚合囊泡之水滲透率，且水滲透率可利用以下方程式來計算：

其中S為囊泡之初始表面積，V ₀為囊泡之初始體積， V _w為水之莫耳體積(18 cm³/mol)，且△_osm為囊泡上容積滲透濃度之差值，亦即囊泡內水溶液與囊泡外水溶液之間的容積滲透濃度差值。

併有或未併有AqpZ之脂質之水滲透率之一些實例闡明於表1中。結果顯示AqpZ可良好地重組於DOPC中。

速率常數(k)自5至10次量測之平均動力學藉由將圖曲線擬合成二階指數來測定，亦參見圖3及圖9中之類似數據，圖9提供由如下DOPC囊泡得到的另一曲線：併有水通道蛋白Z變體AqpZ R189A，具有可忽略之水輸送，產生21 s^-1 k值及88 μm/s Pf值。圖9中之圖式顯示不同囊泡(脂質體及蛋白脂質體)隨時間而變之標準化光散射。圖中顯示以下三種不同種類之囊泡之速率常數k值及水滲透率：併有野生型AqpZ之DOPC蛋白脂質體、併有AqpZ R189A之DOPC蛋白脂質體(兩種類型蛋白脂質體之脂質與蛋白質比率均為200：1)及DOPC脂質體。速率常數(k)自5至10次量測之平均動力學藉由將圖曲線擬合成一階指數來測定。水滲透率根據方程式(1)計算。此外，圖4顯示聚合物體之停流實驗之結果。來自具有及不具有AqpZ之PMOXA₁₅-PDMS₆₇-PMOXA₁₅(PMOXA-b-PDMS-b-PMOXA)聚合物囊泡之標準化光散射曲線，其中實心點為具有AqpZ 之聚合物體之數據點，k值為505 s^-1，且空心點為無AqpZ之聚合物體的數據點，k值為14 s^-1。該圖清楚顯示AqpZ併入聚合物體中使得否則將相對水密的囊泡之水滲透率得以較大改良。

另一囊泡類型為聚合物體-AqpZ囊泡，其可根據以下方式形成。(1)製備兩親媒性共聚物PMOXA-a-PDMS-b-PMOXA-a之聚合囊泡，其中a可在約10至約20範圍內，且b可在約100至約120範圍內(較佳為PMOXA₁₅-PDMS₆₇-PMOXA₁₅)，在劇烈攪拌下將共聚物溶解於氯仿中且在室溫下靜置以便均勻混合在一起，該共聚物於溶液中之濃度為1.0 w/v%至20.0 w/v%(8 w/v%至12 w/v%)。隨後，在旋轉蒸氣蒸發儀中在氮氣沖洗下蒸發氯仿。共聚物在真空烘箱中在0.3毫巴下在室溫下進一步乾燥隔夜以移除痕量剩餘溶劑。隨後，向乾燥之嵌段共聚物中添加1 ml PBS溶液且再將混合物劇烈攪拌持續預定之持續時間。所獲得之聚合物體囊泡之直徑由TEM影像顯示(圖2)，且聚合物體囊泡直徑在200 nm至350 nm範圍內(左側部分顯示聚合物體之染色且右側部分顯示聚合物體之聚集)。(2)製備聚合物體-AqpZ囊泡，製備聚合物體-AqpZ囊泡之製程與脂質囊泡相同，但將脂質與AqpZ比率由200：1(莫耳比)變為20：1至500：1(較佳50：1至200：1，莫耳比)。

圖6中描述製備基於AQP之薄膜複合膜所用之製程及化學反應。此處，首先將用作載體之商用微孔UF膜在60℃至90℃(70℃至80℃)Milli-Q水中加熱1分鐘至5分鐘 (1分鐘至2分鐘)且在室溫Milli-Q水中冷卻以達成穩定細孔結構。隨後移除基板，用壓縮空氣移除表面上之水，且用含有具有或不具有AqpZ之囊泡之胺水溶液覆蓋表面側持續2分鐘至20分鐘(5分鐘至10分鐘)，其中，胺溶液中囊泡之濃度在0.02 mg/ml至0.5 mg/ml(較佳0.05 mg/ml至0.2 mg/ml)範圍內。隨後，自表面移除溶液。完成此操作之一種方法為使基板於空氣中垂直豎立5分鐘至30分鐘(較佳5分鐘至15分鐘)，隨後用壓縮氮氣且在0.5巴至3巴(較佳1巴至2巴)下吹拂表面1分鐘至2分鐘以移除表面上任何可能的聚集之囊泡，隨後使基板繼續再垂直豎立乾燥10分鐘至40分鐘(較佳15分鐘至25分鐘)，以使任何可能的過量溶液澈底地離開表面。隨後，將醯氯有機溶液傾於飽和基板之表面上且使之反應0.5分鐘至10分鐘(1分鐘至2分鐘)，隨後在基板表面上形成併有具有/不具有AqpZ之囊泡之超薄聚醯胺選擇性層。沖洗新生複合膜以澈底移除殘餘反應物且儲存於Milli-Q水中，且儲存於Milli-Q水中直至使用。具有兩個胺官能基之芳族胺(諸如間苯二胺(MPD))在該製程中適用或較佳。然而，熟習製備界面聚合之薄膜活性層之技術者應能夠選擇其他適用之胺化合物。同樣地，本文中所用之醯氯較佳為具有三個醯氯基團之均苯三甲醯氯(TMC)，由此提供與MPD之極佳交聯，產生芳族聚醯胺層(AP層)。因此，本發明之一態樣係關於含有具有或不具有AqpZ或其他水通道蛋白水通道之囊泡的胺水溶液，其中該胺較佳為具有兩個或兩個以上胺官能基之芳族胺，諸如間苯二胺，且該等囊泡可為視情況具有另一膽固醇摻合物(諸如在脂質囊泡另外含有水通道蛋白之情況下，約20莫耳%至40莫耳%)的兩親媒性嵌段共聚物或兩親媒性脂質囊泡。該含有囊泡之胺溶液為適用於製備本發明之薄膜複合膜之新穎中間產物。

藉由在Milli-Q水中溶解間苯二胺(MPD)單體及具有/不具有AqpZ之囊泡(懸浮)來製備胺溶液。單體及視情況選用之添加劑之濃度為0.5 wt%至4.0 wt%(1.0 wt%至2.0 wt%)。藉由在具有或不具有視情況選用之添加劑之有機溶劑(諸如己烷、(正已烷)或環己烷)中溶解均苯三甲醯氯(TMC)單體來製備醯氯溶液。添加劑係選自ε-己內醯胺、N,N-二丁基甲醯胺、雙(伸戊基)脲、辛酸乙酯、十二烷基磺酸鈉及其組合。所用醯氯單體之濃度為0.05 wt/v%至2 wt/v%(0.1 wt/v%至0.5 wt/v%)。反應闡明於如圖6所示之流程中。

在吾人之RO實驗中，併有不具有AqpZ之兩親媒性脂質/聚合囊泡之薄膜複合膜的水通量相對較高且隨施加壓力之增加而增加。對於含有兩親媒性脂質/聚合-AqpZ囊泡之TFC膜可見相同模式，其中與僅併有不具有AqpZ之兩親媒性脂質/聚合囊泡之膜相比獲得甚至更高的水通量，但兩種類型之膜對溶質(諸如氯化鈉)保持類似的阻擋率，參見圖7及圖8。圖10及圖11中提供其他數據，顯示根據本發明製備但併有具有失活水通道蛋白Z之DOPC囊泡之TFC膜並未顯示改良之水通量，但維持鹽阻擋率。圖10為顯示根據本文實施例製備之不同膜與兩種商用膜(BW30及SW30HR)相比之RO測試性能之直方圖，其中測試條件為5巴，10 mM NaCl。在圖中，A表示PSUF200+DOPC+野生型Aqpz，B表示PSUF200，C表示PSUF200+DOPC+Aqpz R189A，D表示BW30且E表示SW30HR.。PSUF200+DOPC+野生型Aqpz為具有包含併有活性Aqpz之DOPC蛋白脂質體之聚醯胺層之膜。PSUF200為具有正常聚醯胺層之手工澆鑄聚碸膜(200 μm)。PSUF200+DOPC+Aqpz R189A為具有包含併有失活Aqpz之DOPC蛋白脂質體之聚醯胺層之膜。該圖清楚顯示併有或未併有水通道蛋白水通道之本發明TFC膜與商用RO海水淡化膜(SW30HR)相比顯示出較高水通量(LMH/bar)及NaCl阻擋率。此外，該圖顯示具有野生型水通道蛋白Z之本發明TFC膜與商用RO半咸水淡化膜(BW30)相比具有顯著較高的水通量(LMH/bar)。

圖11為顯示隨壓力自2.5巴增加至10巴而變之水通量及NaCl阻擋率之圖式。PSUF200+DOPC+野生型Aqpz為具有包含併有活性Aqpz之DOPC蛋白脂質體之聚醯胺層之膜。PSUF200為具有正常聚醯胺層之膜。PSUF200+DOPC+Aqpz R189A為具有包含併有失活Aqpz之DOPC蛋白脂質體之聚醯胺層之膜。

此外，併有聚合物體-AqpZ囊泡(50：1莫耳比)之複合膜之通量為僅聚合物體併入複合膜中之膜通量的2倍。且基於AqpZ之淡化膜可維持高於200磅/平方吋之壓力。基於此等性能數據，吾人可推斷本發明所揭示之基於水通道蛋白之薄膜複合膜在水淡化、水回收及廢水處理等方面具有前景。

本發明所涵蓋之修改

未來將研究以下方法以進一步改良膜性能：

1.旋塗法，諸如在膜基板已用胺溶液浸泡之後利用旋塗法在膜基板表面上沈積脂質/聚合囊泡(具有或不具有AqpZ)。

2.膜表面塗佈。在面對污水源時可在界面聚合之後使用交聯水凝膠(如PVA、PVP等及其衍生物)塗覆塗層以保護具有AqpZ之脂質/聚合囊泡。

3.基於AQP之薄膜複合膜亦可應用於使用薄且較多孔之微孔基板作為基板的正滲透及壓力延滯滲透應用中。

4.本發明可研究及涵蓋其他類型之水通道蛋白、脂質及聚合囊泡組合。

5.可併有其他類型之天然或合成水通道或離子通道。

新穎特徵

如吾人所知，生物膜展示經由水通道蛋白蛋白質跨滲透壓梯度之水輸送特性之最有效方式^[2]。已針對人工膜作出若干努力來模擬天然細胞膜，即藉由將AQP併入超薄兩親媒性脂質膜/兩親媒性嵌段共聚物膜(film)及膜(membrane)中。舉例而言，美國專利7,208,089^[4]「Biomimetic Membranes」已描述如何將膜蛋白併入膜中來實現水純化。然而，無資料顯示此等膜有用於淡化。膜之機械強度為主要問題。美國專利7,857,987^[5]「Membrane for Filtering of Water」描述如何使併有AQP之脂質雙層配置成夾層結構以用於水純化。然而，亦無資料支持水淡化可以呈夾層結構之基於AQP之脂質雙層膜進行。

直至目前，仍無任何公開專利或文獻提及成功地製造水通道分子(諸如AQP)併入功能層中之水淡化膜。本發明研製包含併有由微孔膜基板支載之AQP-脂質/AQP-聚合物囊泡之超薄選擇性層之基於水通道蛋白的薄膜複合淡化膜。

一個具體實例使用薄膜阻擋層中併有/未併有AQPZ之脂質囊泡，且另一具體實例使用薄膜阻擋層中併有/未併有AQPZ之聚合囊泡。所有基於AqpZ之薄膜複合膜與僅併有脂質/聚合囊泡之膜相比顯示較高水通量。此外，本發明研製之膜能夠經受住高壓(\200磅/平方吋)。製造技術可易於規模放大。由此將使本發明所揭示之基於AQP之薄膜複合膜能夠用於水淡化、水回收及廢水處理等之極有前景的具體實例中。

效用

在本發明中，研製基於水通道蛋白之薄膜複合膜，其中超薄選擇性層併有由微孔基板支載之兩親媒性脂質-AQP/兩親媒性共聚物-AQP囊泡。超濾膜用作載體基板，且含有該等兩親媒性囊泡之薄選擇性層經由界面聚合在基板上形成。本發明中之基於AQP之薄膜複合膜藉由將含水通道(諸如AqpZ)之囊泡併入薄選擇性層中來製備。在此方法中，囊泡被完全固定至選擇性層中，其使得在使用其他方法(如在公開文獻中多次提及之囊泡融合^[14]或朗繆耳-布羅基特槽法^[4])時在長期操作期間囊泡/水通道蛋白之不穩定性之風險降低。採用薄膜複合層作為容納含有AQP之囊泡之基質亦確保所得膜之機械穩定性。在結構方面，併入薄選擇性層中之囊泡中具有或不具有AqpZ之脂質/聚合囊泡及本發明之基於AQP的膜與選擇性層中僅具有脂質/聚合囊泡者相比可達到甚至更高的水通量及相當的鹽阻擋率。此方法開創了經由界面聚合將各種含有天然及/或合成水通道以及離子通道之囊泡併入選擇性層中之新局面，且產生較高水滲透率之膜。

本發明中所提及之膜可應用於許多應用中且具有前景，該等應用包括用於海水及半咸水淡化、水回收、超純水製造、水軟化、飲用水生產、水純化、廢水處理^[15]、海水及鹽水淡化^[16,17]、食品加工^[18,29]等之逆滲透(RO)或正滲透(FO)，且其有用於逆滲透、奈米過濾、正滲透及壓力延滯滲透應用。

實施例1.製備脂質體及蛋白脂質體

製備所用之材料及方法

除非另外提及，否則使用來自Milli-Q超純水系統(Milli-pore Singapore Pte有限公司)之電阻率為18.2 M Ω cm之超純水來製備本研究中之試劑。純度大於99%之分析級NaCl、KCl、Na₂HPO₄、KH₂PO₄、MgCl₂、MgSO₄及Na₂SO₄購自Merck(Germany)。蔗糖(超純級)獲自USB公司(Cleveland,USA)。水通道蛋白Z表現及純化中所用之化學物(包括胺苄青黴素(Ampicilin)、氯黴素(Chloramphenicol)、IPTG、Tris、β-巰基乙醇、甘油及溶菌酶)獲自Sigma-Aldrich且為ACS(美國化學學會)級或SigmaUltra級。Benzonase購自Merck。Ni-NTA樹脂購自Bio-Rad。正辛基-b-D-葡萄哌喃糖苷(OG，超純級，Merck,Germany)在蛋白脂質體製備期間用作清潔劑。當前研究中所用脂質包括1,2-二油醯基-sn-甘油-3-磷酸膽鹼(DOPC)、大腸桿菌提取脂質、1,2-二植烷醯基-sn-甘油-3-磷酸膽鹼(DPHPC)、1,2-二油醯基-sn-甘油-3-磷酸-(1'-外消旋-甘油)(鈉鹽)(DOPG)及1,2-二油醯基-3-三甲銨-丙烷(氯鹽)(DOTAP)。此等脂質由Avanti Polar Lipids(Alabama,USA)以氯仿溶液(20毫克脂質/毫升)之形式提供。脂質保持於-20℃冰箱中直至使用。所有化學物均未作進一步純化即使用。在一些實驗中，膽固醇(Avanti Polar Lipids)用作蛋白脂質體製備之添加劑。

水通道蛋白Z(AqpZ)表現及純化

在本研究中選擇AqpZ(一種見於大腸桿菌細胞膜中之水通道蛋白)係歸因於其可用性及其經充分描繪之性質^[25]。AqpZ之表現及純化根據先前報導之方案^[25,27]進行。將含有AqpZ基因之pET3a質體轉型至大腸桿菌勝任細胞株C41-pLysS中以達成蛋白質過表現。挑選來自單個群落之細胞接種於具有100 μg/ml胺苄青黴素及34 μg/ml氯黴素之極品肉汁(Terrific Broth，TB)培養基中，且在37℃下生長隔夜。將隔夜培養物100倍稀釋至新鮮TB肉汁中且繁殖至約1.2至1.5之密度(在600 nm下之OD)。用1 mM異丙基-β-硫半乳糖苷(IPTG)誘導細胞且在37℃下生長3小時，隨後離心。藉由使用離子交換層析繼之以Ni-NTA親和層析來純化AqpZ。使收穫之細胞在0.4 mg/ml溶菌酶、50單位Bensonase(Merck)及3%正辛基-β-D-葡萄哌喃糖苷存在下再懸浮於陰離子交換結合緩衝液(20 mM Tris(pH 8.0)、50 mM NaCl、2 mM β-巰基乙醇、10%甘油)中。使樣品在微射流均質機(microfluidizer)中進行五次溶解循環，隨後離心以移除不溶性物質。使上清液通過Q-瓊脂糖凝膠快流管柱(Amersham Pharmacia)，且收集流過物。流過部份用250 mM NaCl加滿，隨後裝載至預平衡之Ni-NTA管柱(Bio-Rad)上。使蛋白質在4℃下在輕微震盪下與樹脂結合隔夜。用20倍管柱體積之含有20 mM Tris(pH 8.0)、300 mM NaCl、25 mM咪唑、2 mM β-巰基乙醇、10%甘油之緩衝液洗滌結合有融合蛋白質之鎳樹脂。用含有(20 mM Tris(pH 8.0)、300 mM NaCl、300 mM咪唑、2 mM β-巰基乙醇、10%甘油、含有30 mM正辛基-β-D-葡萄哌喃糖苷)之洗提緩衝液來洗提結合之蛋白質。藉由凝膠電泳檢查含有融合蛋白質之部分且以Amicon濃縮器(膜截止點為10,000 Da)(Milipore®)濃縮至5 mg/ml至10 mg/ml之濃度。藉由量測在280 nm下之UV吸光率來測定AqpZ之蛋白質濃度(AqpZ消光係數=35090 M^-1cm^-1，分子量=24524 g/mol)。將濃縮之AqpZ在-80℃下保持冷凍直至使用。

AqpZ表現構築體

來自大腸桿菌DH5a之基因組DNA用作擴增AqpZ基因之來源。使用在N-末端處添加6-His標記序列之基因特異性引子來擴增AqpZ基因。經擴增之AqpZ用酶NdeI及BamHI消化，隨後接合至經類似消化之pEt3a載體DNA上。利用PCR篩選驗證陽性純系。隨後，藉由DNA測序(第一鹼基)來證實構築體之可靠性。

為獲得AqpZ突變體R189A，藉由使用Quikchange^TM定點變突誘發(SDM)套組(Stratagene,La Jolla,CA)將位置189上之精胺酸殘基用丙胺酸替換至pET3a/AqpZ中。藉由DNA測序(第一鹼基)來證實突變誘發之構築體之可靠性。

AqpZ之過表現

將含有AqpZ基因(野生型及R189A)之pET3a質體轉型至大腸桿菌勝任細胞株C41-pLysS中以達成蛋白質過表現。挑選來自單個群落之細胞接種於具有100 μg/ml胺苄青黴素及34 μg/ml氯黴素之極品肉汁(TB)培養基中，且在37℃下生長隔夜。將隔夜培養物100倍稀釋至新鮮TB肉汁中且繁殖至約1.2至1.5之密度(在600 nm下之OD)。用1 mM異丙基-β-硫半乳糖苷(IPTG)誘導細胞且在37℃下生長3小時，隨後離心。

藉由使用離子交換層析繼之以Ni-NTA親和層析來純化AqpZ。使收穫之細胞在0.4 mg/ml溶菌酶、50單位Bensonase(Merck)及3%正辛基-β-D-葡萄哌喃糖苷存在下再懸浮於陰離子交換結合緩衝液(20 mM Tris(pH 8.0)、50 mM NaCl、2 mM β-巰基乙醇、10%甘油)中。使樣品在微射流均質機中進行五次溶解循環，隨後離心以移除不溶性物質。使上清液通過Q-瓊脂糖凝膠快流管柱(Amersham Pharmacia)，且收集流過物。流過部份用250 mM NaCl加滿，隨後裝載至預平衡之Ni-NTA管柱(Bio-Rad)上。使蛋白質在4℃下在輕微震盪下與樹脂結合隔夜。用20倍管柱體積之含有20 mM Tris(pH 8.0)、300 mM NaCl、25 mM咪唑、2 mM β-巰基乙醇、10%甘油之緩衝液洗滌結合有融合蛋白質的鎳樹脂。用含有(20 mM Tris(pH 8.0)、300 mM NaCl、300 mM咪唑、2 mM β-巰基乙醇、10%甘油、含有30 mM正辛基-β-D-葡萄哌喃糖苷)之洗提緩衝液來洗提結合之蛋白質。藉由凝膠電泳檢查含有融合蛋白質之部分且以Amicon濃縮器(膜截止點為10,000 Da)(Milipore®)濃縮至5 mg/ml至10 mg/ml之濃度。藉由量測在280 nm下之UV吸光率來測定AqpZ(野生型及R189A)之蛋白質濃度(AqpZ消光係數=35090 M^-1cm^-1，分子量=24524 g/mol)。將濃縮之AqpZ在-80℃下保持冷凍直至使用。

脂質體及蛋白脂質體製備

藉由膜再水合法^[26,27]製備脂質囊泡。溶解於0.5 ml氯仿中之10 mg脂質在氮氣下乾燥，形成薄脂質膜。在一些實驗中，將預定量之膽固醇與指定脂質(本研究中之DOPC)混合，形成含有膽固醇之脂質膜。在各情況下，將所得膜保持在真空乾燥器中至少2小時。使用1 ml磷酸鹽緩衝鹽水(PBS)緩衝溶液(pH 7.4)再水合脂質膜，隨後進行3個凍融循環處理。所得溶液含有尺寸分佈較寬之單層脂質囊泡。藉由使用Avestin擠出機(Canada)將溶液經由200 nm孔徑聚碳酸酯過濾器擠出21次來獲得具有均一尺寸之脂質體。藉由利用透析法將AqpZ併入脂質體中來製備蛋白脂質體^[20]。簡言之，將AqpZ溶液與含有10 mg/ml脂質囊泡及1%清潔劑OG之第二溶液以所需蛋白質脂質比率混合，隨後在室溫下培育1小時。使用透析管(Spectrum laboratories,USA，MWCO為12 KDa至14 KDa)藉由將蛋白脂質體溶液相對於PBS緩衝溶液在pH 7.4下透析3天以自蛋白脂質體溶液中移除OG。在此期間，透析PBS緩衝溶液每日更換一次。在3天透析之後，AqpZ(野生型或R189A)成功地重組至脂質囊泡中。

脂質體及蛋白脂質體特性化

尺寸及ξ電位特性化

使用Zetasizer Nano ZS(Malvern Instruments有限公司，UK)來測定脂質體及蛋白脂質體之尺寸。所量測之直徑用於計算脂質體或蛋白脂質體之水滲透率。此外，尺寸測定亦用於監測囊泡溶液品質。在本研究中，溶液多分散指數(PDI)始終小於0.2，指示囊泡之尺寸分佈較窄^[29]。均一尺寸分佈有助於使囊泡水滲透率測定中之誤差最小。脂質體及蛋白脂質體之ξ電位值亦利用Zetasizer Nano ZS來量測。

水滲透率及溶質反射係數評估

使用SX20停流光譜儀(Applied Photophysics,United Kingdom)來特性化囊泡水滲透率。停流測試中所用所有溶液之容積滲透濃度均由蒸氣滲壓計5520(Wescor公司，USA)特性化。針對所有停流測試選擇螢光動力學模式，且光源波長為500 nm。用8個大氣壓之加壓氮氣促進樣品溶液與吸引溶液(draw solution)之快速混合，且空滯時間為500 μs。在所有停流量測中，溫度均維持在23℃±1℃下。基於螢光信號與囊泡體積之間的關係，隨時間變化記錄囊泡體積變化速率。囊泡體積因水向外輸送而減少，其將受囊泡上之容積滲透濃度差值以及囊泡之水滲透率影響。在典型停流實驗中，吸引溶液及樣品溶液具有相同之PBS緩衝液濃度，使得水滲透由吸引溶質(例如蔗糖或NaCl)濃度誘發。水滲透率可利用以上方程式1計算。

指定溶質之反射係數σ可藉由比較在相同容積滲透濃度條件下使用特定吸引溶質量測之水滲透率(Pf，溶質)與使用參考溶質量測之水滲透率(Pf，參考)來測定。蔗糖在當前研究中用作參考溶質，因為其分子相對較大且幾乎完全為脂質囊泡保留。因此，較小吸引溶質(諸如NaCl)之表觀反射係數可利用以下方程式來計算^[30]：

除蔗糖及NaCl之外，其他物質亦有用於作為吸引溶質。使用溶解於PBS緩衝溶液中之MgCl₂來評估雙價離子在影響脂質體及蛋白脂質體性質中之效應。囊泡處於PBS緩衝溶液中。容積滲透濃度為914 mosm/l之吸引溶液為溶解不同濃度MgCl₂之PBS緩衝溶液。施用其他蔗糖以維持所有吸引溶液之容積滲透濃度為914 mosm/l。

使用蔗糖作為吸引溶質(△osm=356 mosm/L)，DOPC脂質體之動力學速率常數為約20 L/s。比較而言，對於重組之DOPC AqpZ蛋白脂質體(蛋白質與脂質比率為1：200，參見上表1)觀察到較大改良之速率常數(188 L/s)。蛋白脂質體之相應水滲透率為690 μm/s。假設所有AqpZ均成功地併入脂質體中，則所得蛋白脂質體之蛋白質與脂質比率為1：200。可藉由參考每AqpZ及每脂質之面積來估算AqpZ單體之量^[31,32]。因此，各AqpZ之滲透性可估算為3.2×10^-14 cm³/s。此值與先前由Norman T.Hovijitra報導之結果(約4×10^-14 cm³/s)^[33]相符。因此，蛋白脂質體滲透性比相應DOPC脂質體高一個數量級。當NaCl用作吸引溶液時亦觀察到類似趨勢，證實AqpZ之水滲透率極佳。

基於DOPC之脂質體及蛋白脂質體對NaCl之反射係數(使用蔗糖作為參考溶質，根據方程式2測定)接近於一致。在當前研究中，儘管在AqpZ併入之後水滲透率顯著增強，然而對NaCl之保留率仍然極佳。由此提示脂質雙層及AqpZ對於溶質均具有良好保留率，因此其成為併入本發明之TFC膜之較佳候選者。

多種脂質效應

使用多種脂質在PBS緩衝溶液中製備單層囊泡。根據相同程序以固定之蛋白質與脂質莫耳比(1：200)進行AqpZ蛋白脂質體重組。發現圖13中所示之不同蛋白脂質體之水滲透性不同。大腸桿菌提取脂質、DOPC及DPHPC脂質對Aqpz有偏向性，且大腸桿菌提取脂質具較高偏向性。由於蛋白脂質體之滲透性受AqpZ四聚體之活性及數量支配，故其中在不同蛋白脂質體中AqpZ之滲透性活性保持相同^[33]。因此，吾人認為不同脂質性質(諸如結構及頭端基團)藉由影響脂質與AqpZ之間的相互作用可影響重組製程且產生不同蛋白脂質體性能。已發現脂質之厚度及電荷性質會影響蛋白質脂質相互作用^[34,35]。ξ電位測試顯示DOPG及DOTAP脂質體分別因磷酸基團、三甲基銨基團而具有較強電荷性質(分別約-30 mV及約+30 mV)，其可使得AqpZ併入困難。

AqpZ與脂質比率及膽固醇效應

類似於針對聚合物體所發現之最佳條件^[21]，亦觀察到圖13中所示之大腸桿菌提取脂質及DOPC脂質系統之最佳AqpZ與脂質莫耳比。對於兩種脂質系統，當蛋白質與脂質比率為1：200時，蛋白脂質體達到最高水滲透率。

一旦超過特定比率，所得蛋白脂質體即顯示較低滲透性。此可能因為當併入較多蛋白質時出現較多缺陷。已發現在使30%膽固醇與DOPC脂質混合之後，脂質體之滲透性減小約40%(自76 μm/s減小至45 μm/s)，其與先前報導^[36]相符。然而，吾人發現蛋白脂質體之水滲透率保持隨AqpZ與脂質比率增加而增加。已知膽固醇摻合可增加脂質雙層之剛性，改變撓曲彈性及脂質雙層裝填^{[23,24,25,28,37]}，且可增強脂質雙層與AqpZ之間的相互作用或吸引力^[28]。吾人假設在此混合物系統中膽固醇有效促進減少可能由較高蛋白質與脂質比率所引起之缺陷，且令人驚訝地甚至增加總體滲透性。因此，當製備AqpZ蛋白脂質體以用於併入本發明之TFC膜中時向兩親媒性脂質中添加約30%膽固醇在需要極高水通量時可成為優勢。

濃度極化機制

藉由停流，使用一系列不同容積滲透濃度之NaCl及蔗糖溶液作為吸引溶液來特性化DOPC脂質體及蛋白脂質體之滲透性。對於脂質體，速率常數k與容積滲透濃度梯度△osm線性相關，其由方程式1充分描述。此亦提示SD機制充分描述脂質體之水滲透率^[34]。然而，對於蛋白脂質體，僅在較低容積滲透濃度梯度蔗糖溶液條件(<0.2 osmol/L)下，以上方程式可適用。在蔗糖濃度高於0.3 osmol/L時，k值將出現顯著偏差。可能因稀釋之蔗糖吸引溶液接近雙層表面而出現較低k值。在最初水自囊泡中出來時，表面邊界蔗糖被稀釋且因逆擴散能力較差而保持在較低濃度下。600 mM蔗糖吸引溶液之黏度與NaCl吸引溶液有細微差別，兩者之黏度均在1.015 PaS至1.30 PaS之間(數據由OLI Analyzer 3.1,OLI Systems公司，USA提供)。然而，PBS緩衝溶液中蔗糖之質量擴散係數低至4.11×10^-11 m²/s，遠小於NaCl擴散係數。此可能為蔗糖吸引溶液濃度極化較嚴重之原因。因此，吾人咸信適合之測試條件應低於0.3 osmol/l，尤其在物質具有較低擴散係數時。

吸引溶質物質效應

考慮到潛在海水淡化應用，研究海水中存在之4種主要物質(NaCl、MgSO₄、Na₂SO₄及MgCl₂)之效應。對於脂質體，所有物質中之大多數對DOPC脂質體水滲透率之效應可忽略。然而，與DOPC脂質體相比，大腸桿菌提取脂質脂質體對Mg²⁺及SO₄ ^2-較為敏感，其可能歸因於大腸桿菌提取脂質之較強負電荷性質(在pH 7.4下在PBS緩衝溶液中ξ電位為約-20 mv)。在脂質體與較高濃度Mg²⁺溶液混合時此值甚至可達到正值(約1 mv)。對於蛋白脂質體，雙價離子(包括Mg²⁺及SO₄ ^2-)甚至在極低濃度10 mM下亦可顯著影響大腸桿菌提取脂質蛋白脂質體特性。NaCl亦能夠使停流特性化結果出現較大偏差。與大腸桿菌提取脂質相比，DOPC系統可經受住較高濃度之Mg²⁺及SO₄ ^2-，不過存在Mg²⁺及SO₄ ^2-亦使得DOPC蛋白脂質體之停流量測較為困難。此等離子可藉由影響雙層與AqpZ之間的相互作用或形成錯合物、組合雙層及AqpZ來影響AqpZ^[38]。

針對DOPC及大腸桿菌提取脂質系統進一步研究Mg²⁺濃度效應。容積滲透濃度為914 mosm/l之吸引溶液為溶解不同濃度MgCl₂之PBS緩衝溶液。施用其他蔗糖以維持所有吸引溶液之容積滲透濃度為914 mosm/l。已發現對於DOPC蛋白脂質體，Mg²⁺在測試條件內(Mg²⁺濃度至多50 mM)對水滲透率之效應可忽略。然而，對於大腸桿菌提取脂質蛋白脂質體，在Mg²⁺濃度大於5 mM時，Mg²⁺在測試時間(1 s)內能夠引起嚴重的囊泡聚集。已報導Mg²⁺及Ca²⁺均可以極低濃度(低於5 mM)藉由與脂質形成多種錯合物來引起脂質體融合^[40]。基於先前報導^[41]，Ca²⁺最有可能會引起更嚴重的問題，但本研究中未包括Ca²⁺。存在Mg²⁺可使Ca²⁺甚至更有效地誘導脂質體融合。其他金屬離子亦可顯著影響脂質雙層之相或結構^[39]。儘管據報導一些膜蛋白在一定程度上在重組至脂質體中之後可增強脂質雙層之穩定性^[40]，但AqpZ似乎不能夠允許大腸桿菌提取脂質蛋白脂質體經受住較高濃度之雙價離子，諸如50 mM Mg²⁺溶液。

對於涉及具有相對較高二價離子濃度之海水或其他水源之水過濾製程，可能宜在製備本發明之薄膜複合膜中選擇中性兩親媒性脂質(諸如DOPC)以避免不需要之相互作用。在吾人當前膜設計中，蛋白脂質體嵌埋於界面聚合之聚醯胺(PA)膜中。在吾人當前發明中，PA膜充當對蛋白脂質體之保護，PA膜不僅提供足夠機械支載，而且其亦因PA層固有之較高阻擋率而排斥二價離子以免其與蛋白脂質體直接接觸，且因此提供另一優勢。

結論

本研究系統地研究脂質類型、吸引溶質濃度、蛋白質與脂質比率、膽固醇混合物、溶解離子之存在對水通道蛋白-脂質雙層性質之效應。顯示例如大腸桿菌提取脂質及DOPC脂質均可適用於在併入AqpZ之後形成功能性雙層，提供極佳水滲透率。濃度極化現象(膜過濾主題中之重要問題之一)可能在高濃度蔗糖溶液用作吸引溶液的蛋白脂質體停流量測中變得顯而易見。為了提昇水輸送性能，可優化AqpZ與脂質比率。對於純脂質系統，最佳AqpZ與脂質比率可為1：200。隨著AqpZ量增加，可能出現缺陷。在此情況下，膽固醇添加可有益於維持較高水通量。當前脂質體結構藉由自組裝形成，其本身可能並不足夠強以致於能經受住RO淡化條件(諸如較高水壓)。因此，如以下實施例中所述在薄膜複合層中併入脂質體提供必需之機械強度。

實施例2.製備併有脂質-AqpZ囊泡之薄膜複合膜且在RO裝置中測試

商用UF膜(MWCO，50,000道爾頓(Dalton))用作基板，將含有0.08 mg/g DOPC-AqpZ囊泡之50 ml胺水溶液1.5 wt% MPD展佈於UF膜基板表面上，且用水溶液保持基板濕潤15分鐘。隨後，自表面移除胺水溶液，且使基板於空氣中垂直豎立10分鐘，隨後用壓縮氮氣且在2巴下吹拂表面1分鐘以移除表面上任何可能的聚集之囊泡，隨後使基板繼續再垂直豎立乾燥20分鐘。隨後，將0.1 w/v% TMC溶液傾注於飽和基板之表層上且使之反應1分鐘。將所得膜儲存於Milli-Q水中直至使用。tfc膜之面積為200 cm²，將其切割以安裝至測試模塊中(42 cm²)。將所得TFC膜固定於測試單元(6)中，參見圖5。以200磅/平方吋自進料槽(1)泵出進料溶液(500 ppm NaCl)，流過膜之活性層且返回至槽中。收集滲透物，且在天平(7)上量測重量，且藉由電導率量測來測定溶質之濃度以便計算通量及阻擋率(參見方程式1及2)。併有DOPC-AqpZ囊泡之薄膜複合膜對於500 ppm NaCl(200磅/平方吋)之水通量及鹽阻擋率分別為25.2 L/m².h及96.3%。

實施例3.製備併有脂質囊泡之薄膜複合膜且在RO裝置中測試

界面聚合之兩個階段及製程中反應性單體溶液之組成與實施例2類似，例外為僅0.08 mg/g不具有AqpZ之DOPC囊泡溶解於胺水溶液中。如實施例2進行RO測試。併有DOPC-AqpZ囊泡之薄膜複合膜對於500 ppm NaCl(200磅/平方吋)之通量及阻擋率分別為16.9 L/m².h及98.5%。來自涉及在漸增至200磅/平方吋之壓力下僅併有脂質囊泡或併有脂質-AqpZ囊泡之薄膜複合膜之水通量及溶質阻擋率的比較的實驗結果顯示於圖7中，其清楚顯示在併入DOPC囊泡的情況下可獲得相對較高之水通量。然而，DOPC-AqpZ囊泡之併入顯著改良所得膜之水通量。兩種類型之TFC膜均顯示初始較高且漸增之鹽阻擋率，其穩定在較高水準(>98%)。

實施例4.製備併有脂質-AqpZ囊泡之薄膜複合膜且在RO裝置中測試

界面聚合之兩個階段及製程中反應性單體溶液之組成與實施例2類似，例外為將0.16 mg/g DOPC-AqpZ囊泡溶解於胺水溶液中。如實施例2進行RO測試。併有DOPC-AqpZ囊泡之薄膜複合膜對於500 ppm NaCl(36磅/ 平方吋)之通量及阻擋率分別為17.2 L/m².h及76.5%。

實施例5.製備併有共聚物-AqpZ囊泡之薄膜複合膜且在RO裝置中測試

界面聚合之兩個階段及製程中反應性單體溶液之組成與實施例2類似，例外為在胺水溶液中，將0.08 mg/g(PMOXA₁₅-PDMS₆₇-PMOXA₁₅)聚合物體-AqpZ囊泡溶解於胺水溶液中。如實施例2進行RO測試。併有聚合物體-AqpZ囊泡之薄膜複合膜對於500 ppm NaCl(200磅/平方吋)之通量及阻擋率分別為36.5 L/m².h及95.2%。

實施例6.製備併有共聚物囊泡之薄膜複合膜且在RO裝置中測試

界面聚合之兩個階段及製程中反應性單體溶液之組成與實施例5類似，例外為在胺水溶液中，僅0.08 mg/g不具有AqpZ之(PMOXA₁₅-PDMS₆₇-PMOXA₁₅)共聚物囊泡溶解於胺水溶液中。如實施例2進行RO測試。併有聚合囊泡之薄膜複合膜對於500 ppm NaCl(200磅/平方吋)之通量及阻擋率分別為17.2 L/m².h及93.3%。來自涉及在漸增至200磅/平方吋之壓力下僅併有共聚物囊泡或併有聚合物體-AqpZ囊泡之薄膜複合膜之水通量及溶質阻擋率的比較的實驗結果顯示於圖8中。在此實驗中，對於併有聚合物囊泡之TFC膜，吾人獲得與實施例3中併有脂質囊泡之TFC膜相同之較高水通量。然而，聚合物體-AqpZ併入薄膜複合膜中顯著增強膜之水通量且不損害鹽阻擋率。

實施例7.澆鑄聚碸UF膜且將其用於製備併有脂質囊泡 或脂質-AqpZ囊泡之薄膜複合膜

聚碸超濾膜用聚合物摻雜劑(16 wt%聚碸、5 wt%聚乙二醇(分子量=600 Da)、2 wt% LiCl及77 wt% N-甲基-2-吡咯啶酮)內部澆鑄。此超濾膜用作後續膜製備之基板。將含有0.08 mg/g DOPC或DOPC-AqpZ囊泡之50 ml胺水溶液1 wt% MPD展佈於UF膜基板表面上，且用水溶液保持基板濕潤10分鐘。隨後，自表面移除胺水溶液且使基板在空氣中保持水平30分鐘，隨後在2巴下用壓縮氮氣吹拂表面1分鐘以移除過量液體。其餘程序與實施例2相同。在5巴(74磅/平方吋)下測試所得膜。空白膜(無DOPC或DOPC-AqpZ)、含有DOPC之膜及含有DOPC-AqpZ之膜之膜水滲透性分別為3.16±0.07 L/m².h、3.34±0.29 L/m².h及3.92±0.34 L/m².h。包括AqpZ具有顯著增強之水滲透率。圖1顯示基於AQP之薄膜複合膜所用微孔基板之橫截面之掃描電子顯微照片(SEM)：(a)由Dow(Dow Water & Process Solutions)製造之商用UF膜(聚碸)及(b)自製UF膜(聚碸)。

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圖1顯示基於AQP之薄膜複合膜所用微孔基板之橫截面之掃描電子顯微照片(SEM)：(a)商用UF膜(MWCO，50,000道爾頓)及(b)自製UF膜。

圖2顯示PMOXA₁₅-PDMS₆₇-PMOXA₁₅囊泡之穿透式電子顯微照片(TEM)。

圖3顯示具有或不具有AqpZ之DOPC脂質囊泡之停流量測。相同數據提供於圖9中。

圖4顯示來自具有或不具有AqpZ之PMOXA₁₅-PDMS₆₇-PMOXA₁₅(PMOXA-b-PDMS-b-PMOXA)聚合物囊泡之停流量測之標準化光散射數據。實心點及線為具有AqpZ之聚合物體，k值為505 s^-1，且空心點及虛線為不具有AqpZ之聚合物體，k值為14 s^-1。

圖5顯示交叉流RO裝置，其中測試所製備基板及複合膜之固有分離性質。膜固定於測試單元之頂板與底板之間。進料溶液自進料槽泵出，流過膜之活性層且返回至槽中。收集滲透物且量測溶質之重量及濃度以測定通量及阻擋率。交叉流RO裝置用於量測膜之固有分離性能。(1)進料槽。(2)泵。(3)、(4)及(5)分別為進料、保留物及滲透物之壓力轉換器。(6)膜單元。(7)天平。

圖6顯示形成基於AQP之薄膜淡化膜之界面聚合製程之示意圖。

圖7顯示併有具有/不具有AQP之脂質囊泡之TFC膜之水通量及溶質阻擋率的比較。DOPC：含0.08 mg/ml DOPC囊泡之胺溶液(1.5 wt% MPD，98.5 wt% H₂O)；AQP：含0.08 mg/ml併有AqpZ之DOPC(DOPC：AqpZ，200：1，莫耳比)囊泡之胺溶液(1.5 wt% MPD，98.5 wt% H₂O)。測試條件：500 ppm NaCl，在收集之前壓實3小時。

圖8顯示併有具有/不具有AQP之聚合囊泡之TFC膜之水通量及溶質阻擋率的比較。P-囊泡：含0.08 mg/ml聚合物體(PMOXA₁₅-PDMS₆₇-PMOXA₁₅)囊泡之胺溶液(1.5 wt% MPD，98.5 wt% H₂O)；AQP：含0.08 mg/ml併有AqpZ之DOPC(DOPC：AqpZ，50：1，莫耳比)囊泡之胺溶液(1.5 wt% MPD，98.5 wt% H₂O)。測試條件：500 ppm NaCl，在收集之前壓實3小時。

圖9顯示不同囊泡之標準化光散射。圖中顯示以下三種不同種類囊泡之速率常數k值及水滲透率：併有野生型Aqpz之DOPC蛋白脂質體、併有Aqpz R189A之DOPC蛋白脂質體(脂質與蛋白質比率為200：1)及DOPC脂質體。速率常數(k)自5至10次量測之平均動力學藉由將圖曲線擬合成一階指數來測定。水滲透率根據本文中方程式1計算。

圖10為顯示不同膜之RO測試性能之直方圖，其中試驗條件為5巴、10 mM NaCl。

圖11為顯示隨壓力自2.5巴增加至10巴而變之水通量及NaCl阻擋率之圖式。PSUF200+DOPC+野生型Aqpz為具有包含併有活性Aqpz之DOPC蛋白脂質體之聚醯胺層之膜。PSUF200為具有正常聚醯胺層之膜。PSUF200+DOPC+Aqpz R189A為具有包含併有失活Aqpz之DOPC蛋白脂質體之聚醯胺層之膜(實驗描述為圖10及圖11所必需，參見圖6)。

圖12為顯示各種脂質體及相應蛋白脂質體之水滲透率之直方圖。

圖13為顯示與水通道蛋白Z在一系列蛋白質與脂質比率(0、1：800、1：400、1：200、1：100及1：50)下重組之大腸桿菌提取脂質、DOPC脂質及DOPC膽固醇(7：3)混合物蛋白脂質體之水滲透率測試結果之圖式。

Claims

一種薄膜複合膜，其中併有兩親媒性囊泡之薄選擇性層係由微孔基板(substrate)支載。
如申請專利範圍第1項之薄膜複合膜，其中該等兩親媒性囊泡含有水通道蛋白(aquaporin)水通道。
如申請專利範圍第1項或第2項之薄膜複合膜，其中該選擇性層經由胺之水溶液與醯氯於有機溶劑中之溶液之界面聚合形成，且其中兩親媒性水通道蛋白囊泡併入該水溶液中。
如申請專利範圍第1項至第3項中任一項之薄膜複合膜，其中該胺選自由間苯二胺組成之群，該醯氯選自由均苯三甲醯氯(trimesoylchloride)組成之群，且該有機溶劑選自由正已烷、環己烷組成之群。
如申請專利範圍第1項至第4項中任一項之薄膜複合膜，其中該等兩親媒性囊泡係由選自由脂質、嵌段共聚物及其混合物組成之群的兩親媒性物質製備。
如申請專利範圍第5項之薄膜複合膜，其中該等脂質選自DPhPC、DOPC及大腸桿菌(E.coli)混合脂質。
如申請專利範圍第6項之薄複合膜，其併有水通道蛋白水通道，另外包含在脂質體積之20莫耳%至40莫耳%範圍內之膽固醇。
如申請專利範圍第5項之薄膜複合膜，其中該兩親媒性物質選自嵌段共聚物，諸如親水物-疏水物-親水物(A-B-A或A-B-C)類型之三嵌段共聚物或親水物-疏水物類型(A-B) 之二嵌段共聚物。
如申請專利範圍第8項之薄膜複合膜，其中該三嵌段共聚物選自PMOXA-a-PDMS-b-PMOXA-a，更特定言之PMOXA₁₅-PDMS₆₇-PMOXA₁₅、PMOXA₁₅-PDMS₁₁₀-PMOXA₁₅、PMOXA₁₅-PDMS₁₁₉-PMOXA₁₅及PMOXA₆-PDMS₃₅-PMOXA₆或該三嵌段共聚物可為非離子清潔劑，諸如EO₁₀PO₃₀EO₁₀及EO₁₂PO₅₆EO₁₂。
如申請專利範圍第8項之薄膜複合膜，其中該二嵌段共聚物選自EO₆₁PO₉₅、EO₁₀Bd₁₂、EO₁₄Bd₃₅、EO₂₃Bd₄₆、EO₄₈DMS₇₀及EO₁₅BO₁₆。
如前述申請專利範圍中任一項之薄膜複合膜，其中該水通道蛋白水通道為功能性天然或合成水通道蛋白或水甘油通道蛋白(aquaglyceroporin)水通道，諸如水通道蛋白Z、GIPf、SoPIP2；1、水通道蛋白1、水通道蛋白2。
如前述申請專利範圍中任一項之薄膜複合膜，其中該等水通道蛋白水通道以在約1：20至約1：500、更佳約1：50至約1：200範圍內之蛋白質與兩親媒性物質莫耳比存在。
如前述申請專利範圍中任一項之薄膜複合膜，其中該微孔基板選自由聚碸膜及聚醚碸膜組成之群。
一種如申請專利範圍第1項至第13項之薄膜複合膜之用途，其用於奈米過濾及滲透製程中，諸如正滲透、逆滲透及壓力延滯滲透(pressure retarded osmosis)。
一種製備如申請專利範圍第1項至第13項中任一項之薄膜複合膜之方法，其經由界面聚合製備。
如申請專利範圍第15項之方法，其包含以下步驟：a.提供適當微孔載體膜，諸如如申請專利範圍第13項之微孔載體膜，b.向該載體膜之至少一個表面塗覆胺溶液與併有或未併有水通道蛋白之濃縮囊泡溶液之水性混合物以使該膜浸泡，c.向該浸泡之膜塗覆醯氯於有機溶劑中之溶液以形成具有固定囊泡之薄聚醯胺層。
如申請專利範圍第16項之方法，其中該胺為間苯二胺且其中該醯氯為均苯三甲醯氯。
一種含有囊泡之胺水溶液，其有用於作為如申請專利範圍第15項至第17項之方法中之中間產物，其中該胺較佳為具有兩個或兩個以上胺官能基之芳族胺，諸如間苯二胺，且該等囊泡可為兩親媒性嵌段共聚物或兩親媒性脂質。
如申請專利範圍第18項之胺水溶液，其在該等囊泡中另外含有水通道蛋白，諸如AqpZ，且具有另一膽固醇摻合物，諸如為脂質之約20莫耳%至40莫耳%。