TWI524921B - 適於水萃取之液態薄膜 - Google Patents

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Description

適於水萃取之液態薄膜
本發明係關於一種已併入功能蛋白通道之液態薄膜基質，諸如水通道蛋白(aquaporin)或水-甘油通道蛋白(aquaglyceroporin)通道或其他跨膜蛋白孔，以便自水性介質中萃取水及/或小溶質。更特定言之，液態薄膜基質為包含併入兩親媒性分子之組織樣黏性液態結構中之水通道蛋白的水通道蛋白液態薄膜，其尤其用於自水性液態介質中萃取純水，例如用於正向滲透(forward osmosis)應用中。
已使用液態薄膜分離製程來移除水性溶液中之溶解物質(諸如離子)，諸如US 4360448(A)中所揭示。該發明係關於一種自水性溶液中移除溶解物質之方法，該方法包含使該水性溶液與乳液接觸，該乳液包含特徵為不可與該水性溶液混溶但可滲透該等溶解物質之外部相及含有能夠將該等溶解物質轉化成不可滲透形式之反應物(諸如離子交換化合物)的內部相。溶解物質滲透該外部相，進入內部相中，在內部相中其轉化成不可滲透形式且因此保留在該乳液之內部相中。該等溶解物質中所消耗之水性溶液與該乳液分離，且該乳液循環以供再使用。然而，當水性溶液或介質中存在多種或未說明離子或溶質時，諸如生物液體，藉由此方法或類似方法移除溶質變得格外複雜，這是因為將必須針對待移除之各物質設計特定反應物。液態薄膜萃取製程之用途之另一實例描述於(WO 87/002380) Production of Low-Ethanol Beverages by Membrane Extraction中，該案係關於設計用於自葡萄酒及其他飲料中選擇性移除乙醇同時保留水及許多其他有機成分的薄膜萃取系統。因此，迄今已開發用於選擇性移除例如水性液體中之溶質的液態薄膜分離方法。存在對於自水性液態源中選擇性移除或萃取水之需要，本發明之發明者已設計一種適用於使用已知不同於水通道蛋白之選擇性水通道自水性液體中移除或萃取純水的液態薄膜方法。
已公認基於螢光之活性分析法用於可溶性蛋白，而不是用於膜蛋白。為此之一可能原因係在於，膜蛋白在自其自然環境(即生物膜)中取出時容易破碎。此外，可獲得之市售蛋白質種類僅侷限於數種膜蛋白。此情況與難以大量(公克規模)表現及純化膜蛋白有關。膜蛋白在復原成充分模擬蛋白質之自然環境的仿生薄膜後通常保留其功能。現今，對用於篩選脂質薄膜組分(亦即特定親水性及疏水性區域或層)在產生滿足膜蛋白需求之仿生薄膜調配物方面之適用性的分析法之需要仍未滿足。同時，該分析法將提供關於膜蛋白之摺疊狀態的有用資訊。
本發明係關於一種呈含有生物通道之整體液態薄膜(BLM)形式的液態薄膜基質，其中該液態薄膜基質係基於包含組織樣結構之小室，該等小室具有由諸如非離子型清潔劑之兩親媒性化合物在脂質存在或不存在下形成之仿生邊界層，從而形成併入生物通道之層，且其中該基質進一步含有穩定油相。本發明亦係關於製備含有該液態薄膜基質之功能水通道蛋白水通道的方法及含有水通道蛋白之液態薄膜基質用於藉由正向滲透自液態水性介質中萃取純水的新穎用途，例如用於鹽水脫鹽。
在另一態樣中，本發明之液態薄膜基質可進一步包含於或固定於接觸器模組中或適用作過濾部件之基本上平坦之多孔夾層構造中。
現將參考附圖及實例以舉例而非限制方式描述本發明之實施例。
本文所述之液態薄膜基質可呈含有水通道蛋白之整體液態薄膜(BLM)形式，其中該液態薄膜包含併入非離子型清潔劑(諸如兩親媒性嵌段共聚物，較佳為泊洛沙姆(poloxamer)型)之分散液中的功能水通道蛋白水通道，其中該基質進一步包含穩定油相。
本發明係關於一種由蜂巢狀結構組成之液態薄膜基質，該蜂巢狀結構具有內部水相、外部油相及介於包含已併入跨膜蛋白通道之非離子型清潔劑之小室之間的邊界層。此新穎液態薄膜基質之優勢在於，其三維結構允許許多不同的形狀及尺寸，且其內聚力提供具有極大內部表面積之水密材料，其中該等小室之間的邊界層展現獨特的兩親媒性及足以容納兩親媒性物質(諸如跨膜蛋白)之空間，該等兩親媒性物質能夠插入該層中以適當地發揮作用，亦即充當水通道(水通道蛋白)、質子供體(視紫質)等。
更特定言之，本發明之液態薄膜基質包含具有至少一種選自由以下組成之群的組分之油相：固醇、角鯊烯、角鯊烷、α-生育酚、藿烷類(hopanoids)、異戊二烯(包括酯化多萜醇)、泛醌(Q10)、荷荷芭油(jojoba oil)、輕質礦物油、亞麻籽油、大豆油、花生油、經磷脂穩定之角鯊烯，或大豆油、磷脂及甘油之乳液；及烷烴，諸如癸烷、十一烷、十二烷；及其混合物。該油相大概藉由迫使非離子型清潔劑之親水性首基(或A鏈)進入穩定結構中並使此等結構穩定而在很大程度上輔助產生本發明之LM基質之多孔結構，如在本文之顯微鏡影像中可見。然而，本發明之發明者不希望受關於油相之詳細功能的任何特定理論或說明約束。
在本發明之液態薄膜基質中，該清潔劑較佳係選自非離子型清潔劑，諸如親水物-疏水物-親水物(A-B-A)型泊洛沙姆，其中該泊洛沙姆可選自(PEO)A-(PPO)B-(PEO)A共聚物，該等共聚物具有60至85之A範圍及25至35之B範圍，A之平均值較佳為約76且B之平均值較佳為約30。用於本發明之例示性泊洛沙姆以商標名Pluronic F68出售。()
本發明之液態薄膜基質可進一步包含兩親媒性脂質組分，較佳選自DOPC、DPhPC、DOPS或天然脂質萃取物，諸如大腸桿菌(E. coli)總脂質萃取物或大豆混合磷脂，或其組合或混合物。
在本發明之液態薄膜基質中，該蛋白通道可為水通道蛋白或水-甘油通道蛋白水通道，諸如酵母水通道蛋白(例如Aqy1)、植物水通道蛋白(例如SoPIP2;1)、水-甘油通道蛋白(例如Aqp3)或細菌水通道蛋白(例如AqpZ)。其他跨膜蛋白可為β-桶孔，諸如α-溶血素及OmpG、FomA及VDAC；視紫質，諸如細菌視紫紅質；或跨膜肽孔，諸如丙甲菌素(alamethicin)、纈氨黴素及短桿菌素A(包括其衍生物)及合成跨膜肽；離子通道或離子選擇性離子載體。
在本發明之液態薄膜基質中，該蛋白通道可以約1:50至約1:400範圍內之蛋白質：兩親媒性清潔劑莫耳比存在。此比率與自在兩親媒性小泡中併入跨膜蛋白(諸如水通道蛋白Z)之研究獲知的比率相當，參看WO/2009/076174。
本發明之液態薄膜基質通常將展現具有小室之閉合蜂巢狀結構，該等小室之近似最大直徑為至多1000 μm，且大部分小室較佳在約20 μm至約50 μm範圍內。
本發明進一步係關於一種自水性液體中萃取水的方法，該方法包含以下步驟：
a)將一定量的如本文所揭示之含有水通道蛋白之液態薄膜基質置於過濾裝置之過濾室中，其中該過濾室與充當饋送溶液之第一水性液體受控地連接，第一水性液體具有低於或等於液態薄膜基質之滲透壓，且該過濾室進一步與充當提取溶液之第二水性液體受控地連接，該第二水性液體具有高於該基質之滲透壓，從而在該第一液體與該第二液體之間產生滲透壓勢能；
b)使該基質經由其水通道蛋白水通道自該第一液體中吸收純水，從而向該第二液體中傳遞純水通量，只要存在滲透壓梯度即可；
c)視情況自該第二液體分離所萃取之純水。
在上文所述之方法中，該第一水性液體可選自由以下組成之群：任何類型之天然水源，諸如海水、河水、湖水、淡鹽水、雨水或對水通道蛋白水通道無毒之廢水；生物流體，包括葡萄酒、果汁及蔬菜汁、牛奶、全血、血漿、尿、唾液、汗液、均質化組織等。
在本發明之一較佳實施例中，萃取水之方法係用於海水脫鹽，其中鹽水為饋送液體或第一水性液體，而含有CO2/NH3之水性溶液為提取溶液或第二水性液體。溶解之氣體(諸如CO2或NH3)可用於正向滲透提取溶液中以產生相當大的滲透梯度，因此經由液態薄膜基質之水通道蛋白驅動水通量，且同時具有容易藉由加熱及蒸發排出所得經稀釋提取溶液的優勢。當然，熟習此項技術者顯然可選擇其他適用於正向滲透提取溶液之溶質，視萃取水之所要最終用途而定。溶解之鹽、糖、糖醇及其類似物為其他適用的產生滲透壓之提取溶質。
本發明亦係關於一種用於自水性液態介質中萃取純水之裝置或器件，該器件具有包含一或多種如本文所述之含有水通道蛋白之液態薄膜基質的過濾屋。實例為雙模組中空纖維液-液薄膜接觸器模組(例如，如美國專利第5328610號中所揭示)或液槽超流量薄膜接觸器(例如，如由Liqui-Cel Membrane Contactors所製造)。
本發明進一步係關於一種製備含有水通道蛋白之液態薄膜基質的方法，該方法包含以下步驟：
a)在玻璃小瓶或玻璃分液漏斗中混合約100 mg/mL之非離子型清潔劑之水性溶液與油組分以獲得0.25之油/水v/v比率，且添加一定量的水性水通道蛋白溶液(其中該蛋白質可攜帶螢光標記)以獲得1:50至1:400之清潔劑：蛋白質莫耳比；
b)在室溫下在翻滾設備中翻轉來自a)之合併混合物隔夜以獲得乳液；
c)使來自b)之乳液靜置持續足以分離成包括乳膏相或延伸之油-水界面的不同液相的時間，該延伸之油-水界面包含該液態薄膜基質；
d)用注射器取出該乳液乳膏相之基質樣品以供注入過濾裝置中，例如如圖4中所示；及
e)視情況獲得與所用螢光標記相容之所形成基質之吸收光譜以驗證水通道蛋白正確插入液態薄膜基質中。
更特定言之，本發明係關於一種製備適於使用正向滲透自液體介質中萃取水之液態薄膜基質的方法，該方法包含合併非離子型清潔劑之水性溶液與水性水通道蛋白製劑及油，接著輕柔混合並使所得乳液分離，並且萃取所產生之延伸油/水中間相，該中間相構成該液態薄膜基質。在該方法中，清潔劑較佳為選自ABA型泊洛沙姆之兩親媒性嵌段共聚物，諸如表X中所列者，該水通道蛋白為溶解於含有緩衝液之水性溶液中的水通道蛋白Z，且該油組分為角鯊烯。當使用AqpZ(水通道蛋白Z)時，該緩衝液較佳具有以下組成：20 mM Tris pH 8+50 mM NaCl+100 mM OG(辛基葡糖苷)或另外，當正向滲透過程不需要鈉或氯離子時，可使用20 mM Tris pH 8+100 mM OG緩衝液組合。在使用SoPIP2;1作為水通道蛋白之其他較佳實施例中，緩衝液可基於PBS，例如PBS+1.0% OG或PBS+1.0% OG。或者，可使用酵母水通道蛋白Aqy1，其中較佳緩衝液製劑包含例如：20 mM Tris pH 8、300 mM NaCl及1% β-OG。約1%至10%之甘油為此等緩衝液製劑之可選組分。因為不同水通道蛋白可需要不同最優處理條件，所以熟習此項技術者應知曉如何針對各種水通道蛋白之儲存及功能來選擇適合緩衝液製劑。適用於本發明之非離子型清潔劑之實例為美國專利第3,740,421號中所揭示之化合物及BASF以商標名Pluronic F68、Pluronic F77、Pluronic F87、Pluronic F108、Pluronic F127、Pluronic P81、Pluronic P84及Pluronic P85出售之泊洛沙姆，亦參看Monica A. James-Smith等人J Surfact Deterg(2008) 11:237-242中之揭示內容。
本發明之液態薄膜基質可包含水-甘油通道蛋白，因此使液態薄膜基質適用於水及甘油過濾。併入除水通道蛋白以外的另一跨膜蛋白將在生物反應器中提供除水萃取以外的可能使用範圍，各特定用途視所選跨膜蛋白之生物物理特性而定，例如視紫質家族之質子泵，例如具有適用於燃料電池應用之相關特性的細菌視紫紅質。
製備併入跨膜蛋白之液態薄膜基質之方法可進一步包含在步驟a)中添加選自例如以下之兩親媒性脂質：DOPC或DPhPC或DOPS或天然脂質萃取物，諸如大腸桿菌總脂質萃取物或大豆混合磷脂，或其組合或混合物。可用諸如DPhPC及大豆磷脂之兩親媒性脂質替代高達約三分之二的非離子型清潔劑。
當使用經標記跨膜蛋白時，該標記較佳為萘衍生物，諸如本文之表1中所列者，或其螢光功能性衍生物，例如6-溴乙醯基-2-二甲基胺基萘。
在本發明之一較佳實施例中，液態薄膜基質包含併入之水通道蛋白水通道，諸如水通道蛋白2，且適用於自因血液透析而損失之患者血漿中再萃取純水。在體外血液透析中，一個熟知問題為大量水自經過濾之血漿中損失。必須替換此水，且此舉提出嚴格純度要求以免損害患者之安全。使用本發明之水通道蛋白液態薄膜基質(其中水通道蛋白為負責每天自腎濾液中重吸收合計約180 L水之任務的天然人類水通道蛋白2)時，將消除在血液透析期間向患者添加大量外部超純水的需要。
此外，本發明係關於一種具有閉合夾層構造之負載型液態薄膜基質，其中實質上平坦之多孔過濾材料在該基質之一個層的兩側上提供支撐，從而固定該層。本發明之此態樣可呈藉由將例如一層含有水通道蛋白之液態薄膜基質夾入選自超濾薄膜及微濾薄膜之過濾材料之間而產生的複合過濾薄膜或複合過濾盤形式。例示性材料為具有孔徑尺寸為約150 nm之活性而非惰性PVDF過濾層的非編織或篩網式聚丙烯薄片，諸如由Alfa-Laval製造之FSM 0.15 PP。
本發明之含有水通道蛋白之液態薄膜基質僅允許純水通過其水通道蛋白水通道，且因此可用於滲透水萃取，例如當該基質包含於在上游與具有小於或等於該基質之滲透壓的饋送溶液或第一水性液體接觸且在下游與具有小於該基質之滲透壓的提取溶液或第二水性液體接觸的過濾裝置中時。該過濾裝置之一實例展示於圖1、圖2及圖3中。所萃取之水將自饋送溶液流向基質並流入提取溶液中，只要存在滲透梯度即可。
在一較佳實施例中，提取液體或第二水性液體可與產物(經純化)水分離，其具有低毒性或無毒性，且對液態薄膜呈化學惰性。第二水性液體(提取溶液)之實例為已用於海水脫鹽之葡萄糖與果糖之混合物，且最近已獲得基於在熱可移除銨鹽之高度濃縮提取溶液中以特定比率合併氨與二氧化碳氣體的提取溶液，參看J.O. Kessler,及C.D. Moody,Drinking water from sea water by forward osmosis,Desalination 18(1976) 297-306；J.R. McCutcheon,R.L. McGinnis及M. Elimelech,Desalination by a novel ammonia-carbon dioxide forward osmosis process: influence of draw and feed solution concentrations on process performance. J. Membr. Sci. 278 278(2006) 114-123)；及Kirts,Richard Eugene之Method and apparatus for producing potable water from seawater using forward osmosis。或者，可藉由加熱至接近60℃而容易地自經稀釋之提取溶液中分離水，從而產生淡水、氨及二氧化碳。氨及二氧化碳兩者隨後可再用作提取流體之溶質，參看Low(2009)。
美國專利申請公開案(2009)、US 2009308727 A1 20091217揭示用於海水脫鹽之方法及器件，其使用氨-碳酸氫鹽正向滲透脫鹽製程。經由薄膜組件之一側泵出海水，且經由薄膜組件之另一側泵出提取溶液。提取溶液經由薄膜將來自海水之水分子汲入提取溶液中，且提取溶液分離器接收經加熱之提取溶液，接著將其分解成氨、CO2及水。分離可飲用水與氨及CO2氣體。隨後，將氨氣及CO2氣體與一部分可飲用水流再合併，以重新形成碳酸氫銨提取溶液。本發明之一個實施例為本發明之液態薄膜基質在如US 2009308727 A1中所揭示之方法及器件中的用途。在本發明之另一實施例中，使用含有水通道蛋白之液態薄膜基質於自血液透析所產生之透析液中再萃取水。本發明之液態薄膜基質在改良血液透析方法方面存在至少兩種適用應用：
i)　如本文所述之超純水之產生可替代目前復原患者血漿之水含量所必需之極精密的水純化系統；
ii)　在當產生透析液時所使用的正向滲透製程之後，大量源自患者血漿之水被同時移除，且此可在本文所述之任何方法中使用水通道蛋白液態薄膜加以萃取。
本文所述之含有水通道蛋白之液態薄膜基質能夠經由其水通道蛋白吸收純水並釋出純水，例如在重複膨脹及收縮循環中，只要存在適當滲透梯度即可。薄膜基質通常可在與具有低於薄膜基質內部之滲透壓的第一水性液體接觸之前經預先收縮，並且需要自該第一水性液體中萃取水。將已膨脹之薄膜基質與該第一水性液體分離之後，可將所吸收之水萃取至具有高於已膨脹薄膜基質內部之滲透壓的提取溶液中。M. Goulian等人,Biophysical Journal,第74卷,1998年1月，第328頁至第337頁已展示含有短桿菌素A通道之DOPC小泡之體積可因水輸送而膨脹至高達約16%。亦已展示經凝膠填充之DOPC小泡的體積可收縮初始體積之至多約80%，參看A. Viallat等人,Biophysical Journal,第86卷,2004年4月，第2179頁至第2187頁。
第一水性液體或來源相或饋送相之典型滲透壓在約100 mOsm至約500 mOsm或1000 mOsm範圍內，且第二水性液體或接收相或提取相之典型滲透壓更高，在約100 mOsm至1000 mOsm範圍內，以獲得適合滲透壓差。海水之重量莫耳滲透濃度在2000 mOsm至2400 mOsm範圍內，主要由氯化鈉造成。此重量莫耳滲透濃度為正常血漿重量莫耳滲透濃度的8倍，正常血漿重量莫耳滲透濃度為約275至299毫滲透壓莫耳/公斤。吾等腎臟可產生之最濃尿之等級為1400 mOsm，遠低於海水之等級。
除了併入天然水通道蛋白水通道及經工程改造之水通道蛋白水通道以外，本發明之液態薄膜基質可包含其他類型之生物通道，例如β-桶孔，諸如α-溶血素及OmpG、FomA、VDAC；跨膜肽孔(丙甲菌素、纈氨黴素、短桿菌素A)，包括合成肽、離子通道，如Boon,M.及Smith,BD;2002(「Synthetic membrane transporters」,Current Opinion inChemical Biology 2002,6:749-756)中所綜述，及離子選擇性離子載體，諸如鈉選擇性ETH 157、鉀選擇性SQI-Pr及纈氨黴素、氯離子離子載體氯化三辛基錫及其類似物。
本發明之液態薄膜基質包含穩定油相，諸如包含非極性烴熔劑之油相，該非極性烴熔劑具有例如6至12個碳原子之無分支鏈或分支鏈碳鏈。低毒性油相化合物亦較佳。已知諸如大豆油(CAS編號8001227)及花生油(兩者在分析標準中均較佳)之天然油化合物可形成相對穩定之乳液，該等乳液呈現物理穩定性且無毒。此等油類進一步包括角鯊烯、角鯊烷、α-生育酚、藿烷類、異戊二烯(例如酯化多萜醇)、泛醌(Q10)、荷荷芭油、輕質礦物油、亞麻籽油、經磷脂穩定之角鯊烯，或大豆油、磷脂及甘油之乳液、intralipidTM、及其類似物。此外，可在油相中單獨或與先前所提及之油相化合物混合使用高級烷烴，諸如癸烷、十一烷、十二烷等。在本發明中較佳降低有機溶劑之含量，以獲得含較少溶劑或甚至不含溶劑之液態薄膜基質組合物。
定義
術語液-液萃取係用於使用液態薄膜之分離製程。在本發明中，此為液體-水萃取，這是因為水被萃取至液態薄膜中。
使用液態薄膜時，本文將使用通用術語「水萃取」以及通用術語「水分離」。
仿生學：本發明之薄膜基質的特徵在於具有適於插入及整合跨膜蛋白之仿生兩親媒性薄膜。跨膜蛋白較佳在整合於仿生薄膜中時保留其天然三維構形，且該蛋白質因此保留其功能。
如本文所使用之術語「脂質」較佳涵蓋兩親媒性脂質，例如磷脂、磷酸甘油酯、鞘脂及心磷脂以及其混合物，例如磷脂，諸如1,2-二軟脂醯基-sn-磷脂醯膽鹼(DPPC)、DOPC、DPhPC、DOPS、天然脂質萃取物(諸如大腸桿菌總脂質萃取物)、大豆混合磷脂，或磷脂混合物。適用脂質之實例列於WO/2006/122566中之表1中，該案以引用的方式併入本文中。
如本文所使用之術語「生物通道」應意謂任何跨膜通道或孔，諸如可併入仿生兩親媒性層中以用於自液態水性介質中萃取水及/或小溶質的蛋白通道。
如本文所使用之術語「水通道蛋白」應意謂任何功能性水通道，諸如WO/2006/122566「Membrane for filtering of water」及Tamir Gonen及Thomas Walz,Quarterly Reviews of Biophysics(2006),39:4:361-396,Cambridge University Press中所述之跨膜蛋白。如本文所使用之較佳水通道蛋白係選自由以下組成之群：Aqp 4、Aqp 1、Aqp Z、SoPIP2;1及單體、二聚物、四聚物及更高寡聚物以及其功能變異體，包括一級序列之突變、結合及截短型式，例如經優化以用於異源性表現之特定水通道蛋白之工程改造變異體。
術語「水性液體」及「水性液態介質」在本文中用於涵蓋水性溶液；天然水源；生物來源之液體，諸如果汁及蔬菜汁、血液、牛奶及尿；廢水源；水性懸浮液、分散液、乳液及其類似物。
如本文所使用之術語「滲透壓」應意謂由來自水性液體之水的滲透流經由半透膜進入含有更高濃度之水性溶質的區室中所產生的壓力。潛在滲透壓為當藉由選擇性滲透膜與蒸餾水分離時溶液中可產生的最大滲透壓。潛在滲透壓係由單位體積溶液中之溶質「顆粒」數目來確定，如由凡特荷甫等式(van't Hoff equation)所述。
術語「正向滲透」(FO)表示跨越半透膜之滲透壓差為輸送水通過該薄膜之驅動力的過程。FO過程引起饋送物流之濃縮及高度濃縮物流(稱為提取溶液)之稀釋，參看Cath等人,Journal of Membrane Science,281(2006) 70-87。
術語「第一水性液體」對應於「饋送」液體或來源相。
術語「第二水性液體」對應於「提取」液體或接收相，亦稱為洗提溶液。
可與如本文所述之液態薄膜一起使用之術語「標準形成因素」應意謂關於液態薄膜萃取設備之現代工業裝置及器件標準。
如本文所使用之術語「液態薄膜接觸器」應意謂將允許兩個或兩個以上液相彼此接觸以在該等相之間例如經由水通道蛋白整體液態薄膜進行質量轉移的裝置或組合物。如本文所使用之接觸器之實例包括中空纖維模組，包括雙模組中空纖維模組、適用於薄膜生物反應器之中空片狀薄膜，例如由Alfa-Laval製造之MBR用中空片狀薄膜、多束中空纖維接觸器，諸如Liqui-CelTM接觸器、中空纖維超級接觸器及雙室接觸器系統，參看http://sschi.chtf.stuba.sk/MembraneLab/Equipment.htm。
特定實施例
使用本發明之含有水通道蛋白之液態薄膜基質在由生理鹽水饋送溶液(諸如海水)脫鹽產生純水或淡水時尤其有利，其中水通道蛋白水通道之特定純水輸送及氯離子排除特性提供獨特的製程條件。本發明之一有趣實施例為水通道蛋白液態薄膜基質在用於產生淡水之正向滲透製程中之用途，其中鹽水為饋料且含有CO2/NH3之水性溶液為提取溶液，該用途之優勢在於，藉由加熱至約58℃而容易地消除溶解之氣體，參看McGinnis及Elimelech,Desalination,207(2007) 370-382；及Quirin Schiermeier,「Purification with a pinch of salt」,Nature,452,2008年3月20日。
隨時可使用之本發明液態薄膜基質之典型組成展示於表1中。
表1.　每公升水通道蛋白液態薄膜之組分
在圖1至圖12中說明本發明，該等圖式詳細說明於下文中：
圖1展示本文之實驗中所使用之簡單過濾裝置之兩個部分的橫截面及俯視圖。
圖2及圖3為展示圖1之過濾裝置之更多細節的圖式。
圖4展示在相分離後藉由具有本發明液態薄膜基質(乳液「乳膏」相)之注射器進行萃取的原理草圖。
圖5為展示在先前技術正向滲透實驗中所達成之水通量及鹽通量的圖表。
圖6為展示使用本發明液態薄膜基質之正向滲透實驗中所達成之水通量及鹽通量的圖表。圖5及圖6幕後之實驗係使用圖1、圖2及圖3之裝置及如圖7中所示之交叉流過濾裝備來進行。
圖7為交叉流正向滲透裝備之原理草圖，該圖展示固持夾層液態薄膜之裝置(薄膜小室)。
圖8為本發明之含有水通道蛋白Z之液態薄膜基質樣品之顯微鏡20倍放大像片，該像片展示來自經標記水通道蛋白Z僅限於邊界層之藍色badanTM螢光。
圖9及圖10與圖8相同，但展示明視場影像。薄膜基質之小室樣結構清楚可見。
圖11與圖9相同，但展示未併入蛋白質之「乳膏」相。此處，乳液通常由小泡構成。
圖12為正向滲透單元小室之示意圖，其中Kfeed(t)用於饋送溶液之電導率的量測值，Kdraw(t)用於提取溶液之電導率的量測值，且ΔVQ(Kpermeate)用於來自饋料之流體之體積的量測值。寬箭頭指示流體通過液態薄膜空間之方向。
本發明之另一態樣為藉由正向滲透提供包含純飲用水之營養飲料的方法，該方法使用水通道蛋白液態薄膜基質作為載劑系統。舉例而言，水通道蛋白液態薄膜基質將水自尿溶液中萃取至水通道蛋白液態薄膜中。水通道蛋白液態薄膜基質及濃縮之尿溶液將進行相分離，之後將使水通道蛋白液態薄膜基質與具有更高滲透梯度之接收水性溶液接觸。接著將水自水通道蛋白液態薄膜基質中萃取至接收溶液中，且水通道蛋白液態薄膜基質及接收溶液將進行相分離，獲得將水自尿溶液轉移至另一溶液(在此實例中為葡萄糖及蛋白質之溶液)中之最終結果。
在另一態樣中，本發明係關於本發明之薄膜基質在超濾均勻電解質之後的正向滲透中或用於除去溶解之氣體的用途。此態樣為自任何水性溶液或液體中進行水萃取之完全應用的實例。舉例而言，含有水通道蛋白之液態薄膜基質將水自廢水溶液中萃取至水通道蛋白液態薄膜基質中。水通道蛋白液態薄膜基質及濃縮之廢水溶液將進行相分離，之後將使水通道蛋白液態薄膜基質與具有更高滲透梯度之接收水性溶液接觸。接著將水自水通道蛋白液態薄膜中萃取至接收溶液中，且水通道蛋白液態薄膜基質及接收溶液將進行相分離，獲得將水自廢水溶液轉移至另一溶液(在此實例中為另一電解質之溶液或溶解氣體之溶液)中之最終結果。
計算
可使用下式量測通量及計算跨越正向滲透批次小室單元之濾除率。
流量：Q(t)ΔV(t)，其中ΔV(t)係自量測吸管讀取。
通量計算為：，其中A為液態薄膜接觸面積。
通量隨滲透壓變化：
個別移動溶質分子之溶液的滲透壓計算：
Π=cRT[「Quantities,Units and Symbols in Physical Chemistry」中之第2.11章，INTERNATIONAL UNION OF PURE AND APPLIED CHEMISTRY，1993]
c：個別移動溶質之莫耳濃度；
R：氣體常數，0.08206 L‧atm‧mol-1‧K-1；
T：絕對溫度。
對於偏離理想情況之溶液，以上等式變為：
Π=ΦcRT，
其中Φ為滲透係數。對於0.15 M源溶液，在攝氏25度下，Φ=1,01。[Sten-Knudsen,「Stoftransport,membranpotentialer og elektriske impulser over biologiske membraner」,Akademisk Forlag 1995]。Φ可由針對特定溶液之滲透壓測定術來測定。
實例：
0.2 M山梨糖醇(D-山梨糖醇)在攝氏22度之環境溫度下的滲透壓(以巴為單位)：
Π=ΦcRT1‧0.2 mol‧L-1‧0.08206 L‧atm‧mol-1‧R-1‧295 K‧1.01325 bar‧atm-1
=9.9 bar
此處假定Φ1。
鹽濾除，參看圖12：
藉由使用含有完全離子化之強電解質的提取溶液及饋送溶液，電導率κ在此用作簡單濃度量度。提取溶液電導率之增加反映稀釋至提取體積中之滲透物體積Q(t)中的滲透離子之量(V0為初始提取體積)：
總體R(「鹽濾除率」)可定義為：R=1-。
圖6為展示由MilliQ水組成之饋送液體經由藉由將一層已併入Aqp Z之本發明液態薄膜基質夾入所選過濾材料(亦即FSM 0.15 PP)之間而產生的複合過濾膜或複合過濾盤向1 M NaCl提取溶液中之正向滲透實驗中所達成的水通量及鹽通量的圖表。圖6清楚展示極低而一致之鹽通量，為約0.1 g/m2h，該值與圖5中所示之鹽通量十分相當，圖5中所示之鹽通量起始於約5.5 g/m2h且係用孔徑1至5 nm之技術現狀FO薄膜(得自Hydration Technologies(HTI)之FO SeapackTM薄膜)使用相同設備獲得，參看實例3。與HTI薄膜之水通量快速降低相比，在此期間圖6中之水通量穩定在4 kg/m2h與5 kg/m2h之間。在圖5及圖6中，所用正向滲透裝置如圖1、圖2及圖3中所示，且由兩個部分(上部及下部)組成，該等部分可裝配在含有液態薄膜基質之中心部分周圍，該液態薄膜基質係在擰緊螺絲及密封該裝置之前立即經由兩個過濾器支撐片之間的針注入。薄膜之間的體積由間隔物/薄膜固持器限定。根據圖7中所示之原理草圖，以逆流模式穿過薄膜連續泵入饋送溶液及提取溶液，參看Tang等人,Journal of Membrane Science,第354卷，第1-2期,2010年5月15日，第123-133頁。
根據本發明之負載型液態薄膜亦可呈開放或閉合夾層構造形式，其中實質上平坦之多孔過濾材料在液態薄膜基質之一層的一側或兩側上提供支撐，因此固定該層。過濾材料之實例列於下表2中。此外，可使用陶瓷薄膜(諸如SpinTek Td)作為支撐物。此薄膜類型由185 μm厚的不鏽鋼基板製成，在該基板上薄(15 μm)奈米粉末陶瓷塗層結合至該基板上。陶瓷塗層具有抗汙之平滑表面且因此受到關注。可獲得適用於本發明液態薄膜基質之支撐物並且孔徑尺寸小達0.07 μm且大達0.8 μm之Td陶瓷薄膜。Td薄膜之基材陶瓷為由奈米尺寸化之陶瓷粉末製造之二氧化鈦(TiO2)。此材料可與二氧化鋯或氧化鋁與二氧化矽之複合物摻合，視預期服務而定。
表2.指示類型、生產者及孔選擇性之替代性過濾器清單 縮寫清單：MF：微過濾；NF：奈米過濾；-as：不對稱；-s：對稱
除了如本文之圖式所說明之本發明特定實施例以外，本發明之液態薄膜基質適用於生物反應器及生物感測器應用中，以供用於偵測具有生物通道調節效應(諸如抑制及活化)之化合物以及用於藥物篩選。一個實例為在經固定液態薄膜基質製劑中併入功能性鉀通道，並篩選抑制或阻斷該通道之化合物庫。Judge SI及Bever CT已展示此原理用於鑑別適用於治療多發性硬化症之藥物，參看參考文獻部分。
實驗部分 實例1.Aqp-Z整體液態薄膜基質之製備及萃取
根據下文所述之方法獲得經純化之Aqp-Z。或者，可使用SoPIP2;1，例如根據Maria Karlsson等人(FEBS Letters 537(2003) 68-72)所述之方法獲得。
材料及化學品
可獲自BASF之非離子型清潔劑PluronicF68
13 mg/mL水通道蛋白Z(Aqp-Z)批料(或者SoPIP 2;1)
PBS緩衝液(Sigma P5368)：0.01 M磷酸鹽緩衝生理鹽水(NaCl 0.138 M；KCl-0.0027 M)；pH 7.4，25℃
Milli-Q水
油相組分，角鯊烯
分液漏斗/玻璃小瓶
氣密性玻璃注射器
提取/饋送溶液(1 M NaCl/Milli-Q水)
根據本文之圖1、圖4及圖5之原型交叉流腔室總成
LabRollerTM旋轉器(Labnet International,Inc.)
在以下條件下製備mL尺寸化aqp-Z液態薄膜基質：使用非離子型清潔劑：水通道蛋白之莫耳比200；使用油：水體積比0.25；使用10.6 mg/mL之Aqp-Z批料(總計2 mg)；且其中油(或油相組分)為純角鯊烯；且使用以下步驟：
1.　在4 mL圓底玻璃小瓶中或玻璃分液漏斗(3 mL)中添加以下：
i)　在室溫下，非離子型清潔劑於PBS或其他適合緩衝液中之100 mg/mL溶液。
ii)　向1527 μL非離子型清潔劑中添加蛋白質(189 μL AqpZ)；及最後
iii) 572 μL角鯊烯。
2.　藉由輕緩地吸入/吐出吸液管尖端(1000 μL吸液管)來混合樣品。
3.　視情況：在將蓋帽封閉在小瓶上之前，藉由氮氣流輕緩地沖洗樣品。
4.　在室溫下在LabRoller上翻轉樣品隔夜。翻滾後，在使用前讓樣品靜置1小時。
5.　用500 μL氣密性玻璃注射器(具有側向埠之26標距鈍端針)取出樣品，即350 μL靠近乳液-水中間相之乳液「乳膏」相，以供使用以下其他步驟注入交叉流小室中(參看圖1、圖2、圖3)：
1.　將具有密封過濾器之交叉流小室組裝於BLM腔室及密封墊(3片)中；
2.　使針能夠插入樣品區室中；
3.　插入具有樣品之注射器，使噴出埠面向樣品區室之開放區域(open volume)並且緊閉小室；
4.　緩慢注入至多約350 μL樣品；
5.　抽出注射器並完全擰緊小室螺絲；
具有液態薄膜基質之交叉流小室現已準備安裝在正向滲透交叉流裝備中。
根據下文所述之方法獲得水通道蛋白Z(AqpZ)：
在大腸桿菌菌株BL21(DE3)培養物中過度產生細菌水通道蛋白Z(AqpZ)作為具有菸草蝕刻病毒裂解位點之His標籤蛋白。該融合蛋白具有264個胺基酸及27,234 Da之Mw。使用來自大腸桿菌DH5α之基因DNA作為用於擴增AqpZ基因之來源。使用基因特異性引子，在AqpZ之N端添加菸草蝕刻病毒裂解位點(TEV)；ENLYFQSN來擴增AqpZ基因。用酶Nde1及BamH1消化經擴增之AqpZ，接著連接至以類似方式經消化之6-His標籤表現pET28b載體DNA上。藉由PCR篩選驗證陽性純系。接著藉由DNA定序來確定構築體之可靠性。
使用大腸桿菌菌株BL21(DE3)表現蛋白質。在37℃下將含有50 μg/ml康黴素(Kanamycin)之陸虞亞(Luria)培養液培養物培育13至16小時，在新鮮LB培養液中稀釋100倍，並繁殖至約1.2至1.5(OD，在600 nm下)之密度。在35℃下藉由添加1 mM IPTG誘發重組蛋白表現3小時，接著離心。
在0.4 mg/ml溶菌酶、50單位苯索核酸酶(Bensonase)及3% OG存在下，將所收集之細胞再懸浮於冰冷的結合緩衝液(20 mM Tris pH 8.0、50 mM NaCl、2 mM β-巰基乙醇、10%甘油)中。使樣品在微流化床中在12,000 Pa下進行5次溶解循環。藉由在40,000×g下離心30分鐘將不溶性物質丸粒化。使上清液通過Q-瓊脂糖快流管柱(Amersham Pharmacia)，並收集通過之流體。將通過之流體部分用NaCl加滿至300 mM，接著裝載於經預平衡之Ni-NTA管柱上。用100個管柱體積之洗滌緩衝液(20 mM Tris pH 8.0、300 mM NaCl、25 mM咪唑、2 mM β-巰基乙醇、10%甘油)洗滌管柱以移除非特異性結合材料。用5個床體積之溶離緩衝液(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)溶離Ni-NTA瓊脂糖結合材料。藉由陰離子交換層析；monoQ管柱(GE healthcare)進一步純化AqpZ。稀釋混合物樣品，並用Amicon濃縮器濃縮以使鹽及咪唑濃度達到約10 mM，分子量截止值(MWCO)為10,000 Da，之後裝載至MonoQ管柱上。在陰離子交換層析期間所使用之緩衝液為(A)20 mM Tris pH 8.0、30 mM OG、10%甘油及(B)20 mM Tris pH 8.0、1 M NaCl、30 mM OG、10%甘油。彙集來自離子交換管柱之含有AqpZ之經溶離之峰溶離份。使經純化之AqpZ保持在-80℃下冷凍。
實例2.　如實例1中所製備之整體液態薄膜基質之應用
本發明之BLM製劑可適當地併入經設計用於濃度驅動型液-液質量轉移之中空纖維模組中，例如如Manuel Aguilar 及Jose Luis Cortina,「Solvent Extraction and Liquid Membranes」,CRC Press,2008中第4.21部分中所述及圖4.1(b)中所示之Liquid-Cel超流體10×28接觸器，該文獻之內容併入本文中。本發明之液態薄膜乳液可併入微孔中空纖維薄膜中，且使用鹽水作為饋送流體及經適當濃縮之提取流體，可自該鹽水饋料中萃取純水或脫鹽水。
實例3.　使用呈如圖1、圖2及圖3中所示之外殼單元形式的過濾裝置進行跨越含水通道蛋白之液態薄膜基質之正向滲透過程
在組裝單元中，在過濾區室中使用兩片Alfa Laval微過濾膜(Alfa Laval-FSM 0.15 PP)作為液態薄膜基質之支撐物。對於提取溶液，可使用0.8 M山梨糖醇(D-山梨糖醇，85529 Sigma BioUltra)。樣品體積為500 μL夾層液態薄膜基質。使用磷酸鹽緩衝生理鹽水(PBS)溶液、Sigma P-5368(0.138 M NaCl、0.0027 M KCl、0.01 M磷酸二氫鉀及磷酸氫二鉀及磷酸鈉)作為饋料。或者，可使用MilliQ水/1 M NaCl溶液之饋送/提取組合。
實驗起始時間為添加饋送溶液伴隨開始攪拌提取溶液。可觀察水柱在量測管中之位置。在各時間點經由量測管插入探針以量測提取溶液或饋送溶液之電導率(Microelectrodes Inc.，MI-900電導率電極，Thermo Scientific Orion 3-Star電導計)。量測提取管柱隨時間之上升，且可根據其適當地計算流動速率及通量，呈質量/面積及質量/面積/單位時間形式。在平行於水柱上升之饋送及抽吸處量測電導率。
實例4.　製備水通道蛋白用於併入液態薄膜基質中
菠菜水通道蛋白SoPIP2;1蛋白係獲自瑞典(Sweden)隆德大學(Lund University)生物化學系(The Department of Biochemistry)教授Per Kjellbom及Urban Johansson，且根據Trnroth-Horsefield等人,2006(Susanna Trnroth-Horsefield等人2006. Structural mechanism of plant aquaporin gating,第439卷,Nature,第688-694頁)進行表現及純化。
得自大腸桿菌之細菌水通道蛋白-Z係獲自新加坡(Singapore)南陽工業大學(Nanyang Technical University)生物科學學院(School of biological Sciences)結構與計算生物學分院(Division of Structural & Computational Biology)之副教授Jaume Torres。在大腸桿菌菌株BL21(DE3)細菌培養物中過度產生功能性水通道蛋白-Z作為具有菸草蝕刻病毒裂解位點之His標籤蛋白。該融合蛋白具有264個胺基酸及27234 Da之Mw。使用得自大腸桿菌DH5α之基因DNA作為用於擴增AqpZ基因之來源。使用基因特異性引子，在AqpZ之N端添加菸草蝕刻病毒裂解位點(TEV)；ENLYFQSN來擴增AqpZ基因。用酶Nde1及BamH1消化經擴增之AqpZ，接著連接至以類似方式經消化之6-His標籤表現pET28b載體DNA上。藉由PCR篩選驗證陽性純系。接著藉由DNA定序來確定構築體之可靠性。使用大腸桿菌菌株BL21(DE3)表現蛋白質。在37℃下將含有50 μg/ml康黴素之陸虞亞培養液培養物培育13至16小時，在新鮮LB培養液中稀釋100倍，並繁殖至約1.2至1.5(OD，在600 nm下)之密度。在35℃下藉由添加1 mM IPTG誘發重組蛋白表現3小時，接著離心。
在0.4 mg/ml溶菌酶、50單位苯索核酸酶及3%正辛基β-D-葡萄哌喃糖苷存在下，將所收集之細胞再懸浮於冰冷的結合緩衝液(20 mM Tris pH 8.0、50 mM NaCl、2 mM β-巰基乙醇、10%甘油)中。使樣品在微流化床中在12,000 Pa下進行5次溶解循環。藉由在40,000×g下離心30分鐘將不溶性物質丸粒化。使上清液通過Q-瓊脂糖快流管柱(Amersham Pharmacia)，並收集通過之流體。將通過之流體部分用NaCl加滿至300 mM，接著裝載於經預平衡之Ni-NTA管柱上。用100個管柱體積之洗滌緩衝液(20 mM Tris pH 8.0、300 mM NaCl、25 mM咪唑、2 mM β-巰基乙醇、10%甘油)洗滌管柱以移除非特異性結合之材料。用5個床體積之溶離緩衝液(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)溶離Ni-NTA瓊脂糖結合材料。用陰離子交換層析；monoQ管柱(GE healthcare)進一步純化AqpZ。稀釋混合物樣品，並用Amicon濃縮器濃縮以使鹽及咪唑濃度達到約10 mM，薄膜截止值為10,000 Da，之後裝載至MonoQ管柱上。在陰離子交換層析期間所使用之緩衝液為(A)20 mM Tris pH 8.0、30 mM OG、10%甘油及(B)20 mM Tris pH 8.0、1 M NaCl、30 mM OG、10%甘油。彙集來自離子交換管柱之含有AqpZ之經溶離之峰溶離份。使經純化AqpZ保持在-80℃下冷凍。
實例5.　螢光標記菠菜SoPIP2;1及大腸桿菌Aqp-Z水通道蛋白
用badanTM標記水通道蛋白跨膜蛋白：菠菜水通道蛋白SoPIP2;1或大腸桿菌AqpZ。在暗光下合成並處理badanTM衍生之蛋白質。為進行反應，對SoPIP2;1採用來自20 mM badanTM儲備溶液(溶解於二甲基甲醯胺中)之10倍莫耳過量badanTM，獲得10 mg/ml蛋白質溶液。在4℃下隨翻滾式旋轉進行反應20小時。將反應混合物在聚丙烯醯胺凝膠Econo-Pac 10DG脫鹽管柱(Bio-Rad)上於PBS、1% OG、1% 甘油(pH 7.4)中針對SoPIP2;1脫鹽，且於20 mM Tris、30 mM OG(pH 8)中針對Aqp-Z脫鹽。將所得經螢光標記之水通道蛋白儲存於4℃下直至使用。在根據實例1製備之液態薄膜基質中以1:200之非離子型清潔劑：蛋白質莫耳比將經badanTM標記之SoPIP2;1或AqpZ復原。
實例6. badan TM -水通道蛋白之螢光光譜法及顯微法
使用Varian Cary Eclipse螢光光譜儀(Varian Inc.，Palo Alto，CA，USA)進行螢光光譜法，λex(激發波長)為380 nm且在400至700 nm下記錄發射。經badanTM標記之水通道蛋白SoPIP2;1及AqpZ之螢光發射特性對螢光探針badanTM之局部環境的極性敏感。若探針周圍之局部環境變得更具疏水性或更具親水性，則badanTM之螢光最大發射產額分別呈現藍移或紅移。SDS之飽和量引起最大發射產額紅移。可藉由比較經badanTM標記之水通道蛋白之移位螢光強度峰與未移位螢光強度峰之廣義極化率(GP)值來定量發射光譜變化。藉由下式計算GP值：GP=I b-I g/I b+I g，其中I b及I g分別對應於發射光譜之藍色及綠色邊緣處之強度。使用Varian Cary Eclipse螢光光譜儀(Varian Inc.，Palo Alto，CA，USA)進行螢光光譜法，其中λex(激發波長)為400 nm且在425至700 nm下記錄發射。根據對應於螢光共焦顯微鏡成像所應用之帶通濾光片範圍的發射光譜計算I b及I g。
圖8展示根據製造商方案經螢光團6-溴乙醯基-2-二甲基胺基萘(由Molecular Probes,Inc.,29851 Willow Creek Road，Eugene或97402-9132，USA製造之badanTM)標記並藉由併入本發明之薄膜基質中而復原之水通道蛋白Z的螢光影像。使用裝備有Roper Cascade冷幀傳遞CCD單色相機之Zeiss Axioplan2立式螢光顯微鏡(Carl Zeiss，Jena，Germany)獲取影像。用於影像獲取之濾光片設定為390 nm激發及435至465 nm發射濾光片(藍色通道)。此單色影像明確顯示，仿生兩親媒性薄膜之個別小室周圍的邊界層或殼層中存在經標記之Aqp Z蛋白質。此外，圖9及圖10之明視場顯微影像顯示，基質之獨特蜂巢狀結構已併入水通道蛋白。相反，圖11展示所製備之不含任何蛋白質之乳膏相的明視場顯微鏡影像。在此影像中清楚可見該材料由獨立小泡組成。其他適用萘探針列於下表中。
表3.　螢光環境敏感性硫醇反應性萘衍生物：
實例6.　使用本發明之液態薄膜基質作為生物感測器用於傳染病之免疫分析及藥物發現
具核梭桿菌(Fusobacterium nucleatum)之主要外膜蛋白FomA為三聚蛋白，其呈現與其他腸桿菌(enterobacterial)擴散孔蛋白相似之滲透特性。各FomA單體描繪由16個反平行β股組成之擴散孔蛋白中典型的β-桶基元。FomA孔蛋白充當電壓依賴性通道蛋白。可根據以上實例1製備具有併入FomA通道之功能性脂質薄膜的液態薄膜基質。
FomA感測器分析將構造為液態薄膜基質分析且在下文中用作監測感測之膜片鉗裝置。該膜片鉗裝置可為例如開發為單埠膜片鉗裝置(port-a-patch patch clamp device)(Nanion Technologies GmbH，Munich，Germany)之自動膜片鉗裝置。FomA孔蛋白為可適用於革蘭氏陰性細菌(Gram-negative bacteria)感染疾病之藥物發現中或用於免疫分析法中之潛在藥物目標。吾等之初步研究已顯示，可用環糊精阻斷FomA。先前從未描述關於FomA之此結果。可應用阻斷FomA之環糊精的獨特特徵來建立基於FomA之隨機感測分析。某些藥物(如抗抑鬱藥物)可結合至環糊精上(Li-Qun Gu等人2000)，繼而可寄存於蛋白質上(在此情況下為FomA)。
實例7.　本發明之液態薄膜基質在血液透析系統中之用途
在許多動物中(包括脊椎動物以及有些無脊椎動物)腎為具有重要功能之器官。其功能為移除來自血液中之廢物，且因此代表血液之天然過濾器。在產生尿時，腎分泌諸如尿素及銨之廢物；腎亦負責再吸收水、葡萄糖及胺基酸。每天180 L水進入腎，且幾乎所有該水體積被回收(約0.5 L排泄掉)。尿之鹽濃度可高達血液之4倍。水回收及尿中鹽濃度較高之原因與腎之構造及水通道蛋白之功能有關。腎充當複雜正向滲透系統。在腎中，薄升支、厚升支及遠端小管高度不滲透水，而其他區段則可滲透水。由此產生跨越腎之鹽梯度，該鹽梯度為正常腎功能所必需之滲透過程的驅動力。
就此而言，近端小管及收集導管中水通道蛋白較豐富。收集導管負責水再吸收及升高尿中之鹽濃度(與血液相比)。在腎衰竭時，腎不能充分發揮功能，且可歸因於許多醫學問題。血液透析為自腎衰竭患者之血液中移除諸如離子(例如K+及PO4 3-)及尿素以及游離水之廢物的醫學方法。
在血液透析中，將礦物質離子之滅菌透析溶液用於正向滲透過程以經由半透膜移除該等廢物。然而，同時自血液中移除過量水且必須補充水。因此，純化水在血液透析中為必需的。此外，透析患者將曝露於大量水，水與透析液濃縮物混合形成透析液，其中即使痕量礦物質污染物或細菌內毒素亦不能滲入患者血液中。就此而言，即使極低濃度之金屬離子(諸如源自玻璃器皿之鋁離子)以及低含量之內毒素亦會導致問題。為此，血液透析中所用之水在使用前經小心地純化。一個純化步驟涉及迫使水通過微孔逆滲透薄膜。以此方式濾出小溶質，諸如電解質。可藉由使水通過具有離子交換樹脂之貯槽來最終移除殘留電解質，該等樹脂移除任何殘留陰離子或陽離子並分別用羥基及氫分子替換該等離子，留下超純水。
即使此程度之水純化亦不夠充分。近來趨向於使此最終經純化水(在與透析液濃縮物混合之後)通過透析薄膜。由此藉由移除雜質，尤其是通過初始水純化系統後可能積聚在水中之細菌來源之雜質，而提供另一層保護。
本發明之液態薄膜基質在改良血液透析方法方面具有至少兩種適用應用：
1.　如本文所述的超純水之產生可替代血液透析中所用之極精密水純化系統。
2.　在上文所述之正向滲透過程(其中大量源自患者血漿之水被同時移除)之後，此可在本文所述之任何方法中使用水通道蛋白液態薄膜加以萃取。為此目的，將跨越本發明之液態薄膜產生模擬正常腎功能之鹽梯度及逆流，該鹽梯度及逆流接著將構成正向滲透過程之必需驅動力。此舉將確保再使用患者自身之血漿水，並且消除外部水中存在污染物所致之風險，不論該外部水已純化至何種程度。
雖然已出於闡明及理解之目的在一定程度上詳細描述上述發明，但熟習此項技術者在閱讀本發明後應清楚，可在形式及細節方面作出各種改變。舉例而言，可將所有上述技術及器件以各種組合形式使用。本申請案中所引用之所有公開案、專利、專利申請案及/或其他文獻係出於所有目的而以全文引用的方式併入本文中，其引用程度就如同個別地指示個別公開案、專利、專利申請案及/或其他文獻出於所有目的而以引用方式併入本文中一般。
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圖1展示本文之實驗中所使用之簡單過濾裝置之兩個部分的橫截面及俯視圖。
圖2及圖3為展示圖1之過濾裝置之更多細節的圖式。
圖4展示在相分離後藉由具有本發明液態薄膜基質(乳液「乳膏」相)之注射器進行萃取的原理草圖。
圖5為展示在先前技術正向滲透實驗中所達成之水通量及鹽通量的圖表。
圖6為展示使用本發明之液態薄膜基質之正向滲透實驗中所達成之水通量及鹽通量的圖表。
圖7為交叉流正向滲透裝備之原理草圖，該圖展示固持夾層液態薄膜之裝置(薄膜小室)。
圖8為本發明之含有水通道蛋白Z之液態薄膜基質樣品之顯微鏡20倍放大像片，該像片展示來自經標記之水通道蛋白Z僅限於邊界層之藍色badanTM螢光。
圖9及圖10與圖8相同，但展示明視場影像。
圖11與圖9相同，但展示未併入蛋白質之「乳膏」相。
圖12為正向滲透單元小室之示意性說明。
(無元件符號說明)

Claims (22)

  1. 一種液態薄膜基質，其包含蜂巢狀結構，該蜂巢狀結構具有內部水相、外部油相及介於包含兩親媒性非離子型清潔劑與視需要一或多種兩親媒性脂質組分之小室之間的邊界層，其中水通道蛋白或水-甘油通道蛋白水通道蛋白已被併入於液態薄膜基質之小室之間的邊界層中，且其中蛋白質：兩親媒性非離子型清潔劑於邊界層中的莫耳比係介於1：50至1：400之間。
  2. 如請求項1之液態薄膜基質，其中所述兩親媒性非離子型清潔劑係一種兩親媒性嵌段共聚物。
  3. 如請求項2之液態薄膜基質，其中該兩親媒性嵌段共聚物係一種泊洛沙姆(poloxamer)。
  4. 如請求項3之液態薄膜基質，其中該泊洛沙姆係一種親水物-疏水物-親水物(A-B-A)型泊洛沙姆。
  5. 如請求項1至4中任一項之液態薄膜基質，其中該油相包含選自由以下組成之群的組分：固醇，角鯊烯，角鯊烷，α-生育酚，藿烷類(hopanoids)，異戊二烯，甘油，泛醌，荷荷芭油(jojoba oil)，輕質礦物油，亞麻籽油，大豆油，花生油，經磷脂穩定之角鯊烯，或大豆油、磷脂與甘油之乳液，及烷烴，及其混合物。
  6. 如請求項1至4中任一項之液態薄膜基質，其中所述油相包含一種非極性烴溶劑。
  7. 如請求項1至4中任一項之液態薄膜基質，其中該一或多種兩親媒性脂質組分係選自由以下組成之群：磷脂、鞘 脂、心磷脂、天然脂質萃取物、大腸桿菌(E.coli)總脂質萃取物及其混合物。
  8. 如請求項7之液態薄膜基質，其中該磷脂係1,2-二軟脂醯基-sn-磷脂醯膽鹼(DPPC)、DOPC、DPhPC、DOPS、磷酸甘油酯或大豆混合磷脂。
  9. 如請求項1至4中任一項之液態薄膜基質，係選自由以下組成之群：Aqp 4、Aqp 1、Aqp Z、SoPIP2；1及其單體、二聚物、四聚物及更高寡聚物，以及其功能變異體。
  10. 如請求項1至4中任一項之液態薄膜基質，其中該小室具有最大直徑為至多1000μm。
  11. 如請求項10之液態薄膜基質，其中大部分小室具有直徑在20μm至50μm範圍內。
  12. 一種負載型液態薄膜基質，其具有閉合夾層構造，其中實質上平坦之多孔過濾材料在如請求項1至11中任一項之液態薄膜基質之一層的兩側上提供支撐，從而固定該層。
  13. 一種負載型液態薄膜基質，其具有開放夾層構造，其中實質上平坦之多孔過濾材料在如請求項1至11中任一項之液態薄膜基質之一層的兩側上提供支撐，從而固定該層。
  14. 一種用於自水性液體介質中萃取純水之器件，該器件包含一或多種如請求項1至11中任一項之液態薄膜基質。
  15. 一種用於自水性液體介質中萃取純水之器件，所述器件具有包含一或多種如請求項1至11中之任一項含有水通 道蛋白之液態薄膜基質的過濾屋。
  16. 如請求項15之器件，其中該器件係一種中空纖維模組。
  17. 如請求項15之器件，其中該器件係一種雙模組中空纖維液-液薄膜接觸器模組或液槽超流量薄膜接觸器。
  18. 一種製備液態薄膜基質之方法，該液態薄膜基質適於使用正向滲透一種液態薄膜基質自液體介質中萃取水，該液態薄膜基質包含蜂巢狀結構，該蜂巢狀結構具有內部水相、外部油相及介於包含兩親媒性非離子型清潔劑與視需要一或多種兩親媒性脂質組分之小室之間的邊界層，其中水通道蛋白或水-甘油通道蛋白水通道蛋白已被併入於液態薄膜基質之小室之間的邊界層中，該方法包含：合併非離子型清潔劑之水性溶液，及視需要一或多種兩親媒性脂質組分與經緩衝之水性水通道蛋白製劑及油，接著進行翻轉式混合並使該所得乳液分離並且萃取所產生之延伸油/水中間相，該中間相構成該液態薄膜基質，其中蛋白質：兩親媒性非離子型清潔劑於邊界層中的莫耳比係介於1：50至1：400之間。
  19. 一種如請求項1至11中任一項之液態薄膜基質的用途，其係用於經由正向滲透萃取純水。
  20. 一種如請求項1至11中任一項之液態薄膜基質的用途，其係用於自因血液透析而損失之患者血漿中再萃取純水。
  21. 一種自水性液體中萃取水之方法，該方法包含以下步 驟：a)將一定量的如請求項1至11中任一項之液態薄膜基質置於過濾室中，該過濾室與第一水性液體(饋送溶液)連接，且該過濾室進一步與第二水性液體(提取溶液)受控地連接，該第一水性液體具有低於或等於該液態薄膜基質之滲透壓的滲透壓，該第二水性液體具有高於該基質之滲透壓的滲透壓，從而在該第一液體與該第二液體之間產生滲透壓勢能；b)使該基質自該第一液體中吸收純水且向該第二液體中傳遞純水通量，只要存在滲透壓梯度即可；c)視情況自該第二液體分離該萃取之純水。
  22. 如請求項21之方法，其中該第一水性液體係選自由以下組成之群：任何類型之天然水源，及生物流體。
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