智能膜對傳質和反應與分離過程的調控

謝銳，巨曉潔，汪偉，劉壯，褚良銀

（四川大學化學工程學院，四川 成都 610065）

引 言

智能膜是一種受選擇透過性生物膜啟發而開發的新型膜材料，它能夠感知外界微小的化學、物理刺激并做出響應，同時改變自身的表面特性和膜孔構象，從而改變跨膜滲透性或選擇性等參數。因此，智能膜在化學/生物分離、水處理、組織工程、化學傳感器、化學物質/藥物的控制釋放等領域有著潛在的應用價值[1-3]。

智能膜是由非響應性的膜材料和具有環境刺激響應的智能聚合物（即智能開關）組成。智能開關聚合物鏈的化學組成和結構、物理結構以及在膜材料中的分布位置等因素直接決定智能膜的環境刺激響應性能，而這些因素很大程度上取決于智能膜的構建方法。因此，在智能膜的研究初期，研究者主要致力于智能膜的構建方法[1-2]、響應特性改善與調控[3]以及膜過程效率的提高[4]等方面。隨著智能膜研究的深入，現已逐步探明可控構建智能膜方法的機理、規模化制備的路線，同時智能膜的響應性、穩定性和可重復性也日趨優良。在此研究基礎上，研究者開始將目光轉向利用智能膜實現可控、高效的智能膜過程等方面。

物質的傳質、分離與反應是化工、制藥等領域的重要操作過程。將性能穩定、響應特性優良的智能膜用于物質傳質、分離與反應過程調控可以實現高效、易于操控的操作過程，實現可控的化學物質/藥物控制釋放、化學/生物分離等重要應用。本文將對近年來有關智能膜用于跨膜傳質過程的調控、親和分離過程的調控和強化、催化反應過程速率的調控等方面的研究進行較全面的綜述。

1 跨膜傳質過程的調控

通常，研究者將智能高分子開關（可以是交聯的納米凝膠和線性高分子鏈）通過共混[5-8]、接枝[9]或者填充[10]等方法結合到膜材料中，得到能夠響應不同外界信號刺激的智能開關膜。利用智能開關響應外界刺激信號發生構象變化的特性，可控調節物質擴散的跨膜阻力，從而實現跨膜傳質系數的智能調控。

1.1 響應溫度刺激的跨膜傳質過程

Wang 等[5]將聚（N-異丙基丙烯酰胺）（PNIPAM）納米凝膠共混在外相海藻酸鈉溶液并通過毛細管通道乳化得到水包水乳液模板，待海藻酸鈉與氯化鈣交聯后便得到具有溫敏囊膜的海藻酸鈣微囊。得到的海藻酸鈣微囊具有良好的單分散性（變異系數CV=3.12%）和球形度，其平均粒徑和囊膜厚度分別為2.96 和0.11 mm。如圖1 所示，包埋的溫敏PNIPAM 凝膠開關在環境溫度高于低臨界溶液溫度（LCST）時收縮，此時在海藻酸鈣囊膜中出現暢通的跨膜傳質通道，類似于膜孔處于“開啟”狀態；而在低于LCST 時PNIPAM 凝膠溶脹，此時跨膜傳質通道減少，跨膜阻力增大，類似于膜孔“關閉”。利用溶質分子進行跨膜擴散實驗結果表明，包埋PNIPAM 納米凝膠的海藻酸鈣微囊具有良好的溫敏開關特性。隨著PNIPAM 納米凝膠的含量增加，溶質分子透過囊膜的擴散系數在低溫25℃時保持不變，而在高溫40℃時明顯增加，因此微囊膜的溫敏開關系數（即高溫和低溫擴散系數之比）也增加。系統研究不同溶質分子透過海藻酸鈣微囊膜的擴散過程發現，溶質的相對分子質量對微囊膜的溫敏開關特性影響顯著。研究表明，以在海藻酸鈉中添加含量為5.0/15 g·L-1PNIPAM 得到的微囊為例，其對相對分子質量與溫敏開關匹配的溶質分子PEG2000的溫敏開關系數較小分子量VB12 和大分子量PEG20000 的大，為2.71。這類微囊膜在微反應器、固定化細胞或酶的生物反應器、化學物質的控制釋放以及食品與化妝品的包囊方面具有潛在的應用。

圖1 包埋PNIPAM 納米凝膠的海藻酸鈣微囊膜的溫敏特性示意圖[5]Fig.1 Schematic illustration of thermo-responsive characteristics of Ca-alginate capsule blended with PNIPAM nanogels[5]

Yu 等[9]采用微流控乳化、溶劑揮發和自由基聚合法成功制備了核殼型溫敏微球，它由具有溫敏PNIPAM 核和填充有PNIPAM 凝膠智能開關的生物相容性乙基纖維素殼（膜層）組成。由于殼層中填充的PNIPAM 交聯開關和PNIPAM 核的共同作用，模型藥物羅丹明B 和VB12 的跨膜擴散系數可以由環境溫度調控。在溫度高于體積相變溫度（VPTT）時，由于PNIPAM 核及殼層中的PNIPAM 開關收縮導致微球殼層中孔穴處于“打開”狀態，因此藥物分子的傳質速率比低溫時快得多。高溫和低溫時VB12 分子通過膜層的傳質速率之比可以高達11.7倍。由于該溫敏核殼型微球具有良好的生物相容性膜層和溫度響應特性，有望用于藥物控制釋放領域。

1.2 響應葡萄糖濃度的跨膜傳質過程

Zhang 等[11]以毛細管微流控技術制備的O/W/O復乳為模板，成功制備了一種能在生理溫度和葡萄糖濃度條件下響應葡萄糖濃度變化的單分散中空微囊。該微囊的囊膜由含有葡萄糖響應性3-丙烯酰胺基苯硼酸（AAPBA）基團的溫敏性PNIPAM 凝膠骨架構成，并引入親水性的聚丙烯酸（PAAc）調節微囊的最適葡萄糖響應溫度。研究結果表明，該微囊在37℃下具有良好的葡萄糖響應性，能夠響應生理血糖濃度范圍內的葡萄糖濃度變化（0.4～3.0 g·L-1），同時表現出可逆的、可重復的溶脹-收縮體積相變特性。基于該微囊優良的葡萄糖響應性體積相變特性，分別以小分子量的羅丹明B 和大分子量的FITC-胰島素作為模型藥物分子，研究了37℃下該微囊在不同葡萄糖濃度溶液中的藥物控釋行為。結果表明，微囊的葡萄糖響應的收縮/溶脹行為能夠控制藥物跨過囊膜的滲透性從而控制藥物的釋放。如圖2 所示，當葡萄糖濃度為0.4 g·L-1，FITC-胰島素以緩慢的速率從微囊中透過囊膜擴散而釋放出來；當葡萄糖濃度由0.4 g·L-1迅速升高至3.0 g·L-1時，由于微囊囊膜響應葡萄糖濃度變化發生溶脹，導致囊膜網絡結構網孔增大，從而使得FITC-胰島素分子透過囊膜的擴散阻力減小、釋放速率增快。這種具有葡萄糖響應型藥物釋放行為的智能微囊在作為自律式藥物傳遞體系用于治療糖尿病等疾病具有較大的潛力。

圖2 37℃下微囊對FITC-胰島素的葡萄糖響應性 控制釋放行為[11]Fig.2 Glucose-responsive release behavior of FITC-insulin from microcapsules at 37℃[11]

1.3 響應特異分子的跨膜傳質過程

將智能高分子鏈和具有分子或離子識別特性的主體分子（如環糊精、冠醚等）結合在膜基材上可以得到環境刺激響應的分子識別型智能膜。此類膜系統中的智能高分子鏈充當“執行器”（actuator），而分子或離子識別主體分子則為“傳感器”（sensor）。研究表明，分子識別型智能膜的分子識別能力和智能高分子鏈的環境刺激響應性能是相互影響和促進的。例如，由于β-環糊精（β-CD）與客體分子的包結常數的大小很大程度上取決于環境溫度，因此當環境溫度在LCST 附近時分子識別型智能膜對客體分子的吸附能力有較大差異[12]；而智能高分子鏈上主體分子識別特異性分子或離子時，由于客體分子的引入使智能高分子鏈微環境中的親疏水或電荷發生變化，從而使其構象也發生變化。例如，當分子識別型智能膜上的冠醚單元識別Ba2+，PNIPAM 高分子鏈的LCST 升高，如果此時的環境溫度正好處于PNIPAM 初始和升高后的LCST 之間，那么PNIPAM 鏈就會由收縮變為伸展，膜孔由“開”變為“關”[13]。

Yang 等[10]在基于PNIPAM 和β-CD 的線性智能高分子對客體分子識別性能研究的基礎上，設計并成功制備了一種同時具有雙向“開關”功能的溫敏分子識別型智能開關膜——聚（N-異丙基丙烯酰胺- 共聚-甲基丙烯酸縮水甘油酯/乙二胺基β-環糊精）接枝尼龍-6（PNG-ECD-g-N6）膜。該膜的智能聚合物開關是由PNIPAM 接枝聚合物鏈和懸掛主體分子β-CD 構成，它的跨膜擴散系數可以通過改變溫度或客體分子類型來調控。在一定的環境溫度下，當識別帶有疏水基團的客體分子（如8-苯胺-1-萘磺酸銨鹽，ANS）時，智能開關的LCST 向低溫遷移，在環境溫度不變時智能開關表現出分子識別觸發的“開”效應，即智能開關聚合物鏈由“伸展”變為“收縮”；而在識別帶有親水基團的客體分子如2-萘磺酸（NS）時表現出分子觸發的“關”效應，智能開關的LCST 向高溫遷移，智能開關鏈由“收縮”變為“伸展”。該智能開關膜的溫敏和分子識別開關特性和跨膜擴散系數可以通過改變接枝鏈中PNIPAM 溫敏組分與β-CD 分子識別組分的比例以及兩種組分的接枝率來調控。Yang 等[14-15]同樣利用PNG-ECD 智能高分子識別不同客體分子而呈現不同構象變化的特點，成功制備了識別ANS 后收縮和識別NS 后溶脹釋放內載模型藥物的PNG-ECD微囊。研究結果對設計新型的分子傳感器以及依靠控制溫度來實現高效的親和膜分離系統提供有價值的指導。

2 親和分離過程的調控

由于親和分離過程條件溫和、特異性和選擇性強，得到研究者廣泛的關注。有關智能膜用于親和分離過程的調控可以分為對親和吸附過程和親和手性拆分過程的調控兩種。

2.1 親和吸附過程的調控

智能高分子鏈在外界信號作用下發生相變的同時會伴隨著親疏水特性的變化，可望實現環境信號可控調節的疏水吸附親和分離過程。Meng 等[16]成功地制備了用于蛋白質疏水吸附的溫敏親和膜。該膜是在Shirasu 多孔玻璃（SPG）膜上采用化學沉積法由二氧化硅納米小球構建納米結構孔，然后采用等離子體誘導填孔接枝聚合法在SiO2納米小球的表面接枝PNIPAM 接枝鏈而得到的。圖3 為基材膜和PNIPAM 接枝納米結構膜的斷面SEM 照片。納米結構孔的存在可以強化膜表面的親、疏水特性，即使親水的表面更加親水，而疏水的表面更加疏水。當環境溫度為20℃（低于LCST），PNIPAM 接枝納米結構膜呈現出非常親水表面，接觸角達到0°；而當環境溫度為40℃（高于LCST），PNIPAM 接枝納米結構膜呈現出超疏水表面，接觸角達到130°。這種溫敏親水/疏水表面潤濕性變化是可逆的，并具有很好的重復性。

圖3 基材和PNIPAM 接枝的納米結構 SPG 膜的斷面SEM 照片[16]Fig.3 SEM images of cross-sections of substrate SPG membrane and PNIPAM-grafted nano-structured SPG membrane (grafting yield of 0.1%)[16]

通過在LCST 附近改變環境溫度來觀察小牛血清蛋白（BSA）在膜上的吸附/解吸行為，以考察制備膜的溫度控制的疏水吸附性能。研究表明，PNIPAM 接枝納米結構膜對BSA 分子表現出“高于LCST 吸附-低于LCST 解吸”現象，并且通過簡單地調節操作溫度就能實現可逆模型蛋白質的吸附/解吸性能，其解吸效率高于90%（圖4）。該研究通過膜表面的二維納米結構強化PNIPAM 智能膜表面親水/疏水可逆轉換，并實現了蛋白質親和吸附的溫度調控和強化。研究結果為設計和制備高效親和分離智能膜提供了一條嶄新的途徑和重要指導。

圖4 PNIPAM 接枝的納米結構SPG 膜對BSA 的 動態吸附解吸過程[16]Fig.4 Temperature-dependent dynamic adsorption and desorption of BSA on PNIPAM grafted nano-structured SPG membrane[16]

Xie 等[17]采用等離子誘導接枝法和化學反應相結合成功制備了基于PNIPAM 鏈和β-CD 的溫敏分子識別型智能膜；并利用環境溫度對主體分子包結 常數的影響，實現了智能膜對特異分子溫度控制的吸附/解吸行為。當溫度低于接枝智能聚合物開關的LCST 時，該智能膜能夠迅速吸附客體分子ANS；而當溫度升高到LCST 以上，ANS 分子快速從膜上解吸。換句話說，該溫敏分子識別型智能膜對客體分子表現出良好的“低溫吸附-高溫解吸”的溫度控制親和吸附特性。這種溫度控制的吸附/解吸客體分子的現象是由于懸掛β-CD 的PNIPAM 高分子鏈的“伸展-收縮”構象變化和主體分子β-CD 對ANS 較強的包結能力共同作用的結果。隨著β-CD 含量增加，溫敏分子識別型智能膜對ANS 單位吸附量在低溫和高溫的差值越大。環糊精固載量為10.5 μg·cm-2的智能膜對ANS 的高低溫吸附量差值為固載量4 μg·cm-2的膜的1.7 倍。在3 次吸附-解吸重復實驗中，該溫度控制親和吸附過程具有良好的可逆性和重復性。該研究實現了通過調節溫度顯著、可逆地調控智能膜對客體分子的吸附、解吸能力。研究結果有望為開發依靠控制溫度實現新型高效的分子分離過程提供基礎。

2.2 親和手性拆分過程的調控

Yang 等[18]提出了一種基于PNIPAM 和β-環糊精的溫敏手性拆分膜（PNG-ECD-g-N6）。巧妙利用分子識別主體分子β-CD 對客體分子（色氨酸）的結合系數受到PNIPAM 智能聚合物開關“伸展”或“收縮”構象變化而變化的規律，通過簡單地調節操作溫度就能獲得膜的高選擇性手性拆分和膜再生。溫敏手性拆分膜的高選擇性手性拆分過程是在低于智能開關LCST 溫度下進行的，此時智能開關聚合物鏈處于伸展狀態，聚合物鏈上的β-CD 分子與客體分子的結合系數較大，實現氨基酸對映體的高效包結和分離；而由于在高于LCST 溫度下智能開關聚合物鏈收縮使得結合系數顯著降低，此時與β-CD 包結的對映體從膜上解吸下來，從而實現了包結的對映體分子的回收（如圖5 所示）。實驗結果表明，接枝率和溫度對溫敏手性拆分膜的拆分性能有較大影響。無論是在25℃還是40℃，色氨酸的對映體過量值（ee）都隨著接枝率的增加而增加。溫敏手性拆分膜在25℃的ee 比40℃大，對PNIPAM和β-CD 接枝率分別107 和23 mg·cm-2的接枝膜最大達到3 倍。具有溫敏能力的PNG-ECD-g-N6 膜的解析率優于不具溫敏能力的聚甲基丙烯酸縮水甘油酯/乙二胺基β-環糊精接枝膜（PGMA-ECD-g-N6），前者約為后者的4 倍。研究表明該膜手性拆分過程中的拆分能力可以通過PNIPAM 和β-CD 的接枝率來調節。該溫敏手性拆分膜只需要通過簡單地調節操作溫度就能獲得高選擇性的手性拆分能力和令人滿意的再生能力，實現了一個新穎、簡單可行的高效對映體拆分和再生過程，為手性膜拆分技術的大規模發展提供了一條嶄新的途徑。

圖5 溫敏手性拆分膜的拆分和再生過程示意圖[18]Fig 5 Schematic illustration of chiral resolution and membrane generation of thermo-responsive membrane[18]

3 催化反應過程速率的調控

智能膜響應外界刺激信號改變其跨膜傳質速率的原因在于，膜基材中智能高分子鏈響應外界刺激發生了構象變化，從而改變了跨膜的傳質阻力，在傳質推動力不變的情況下使跨膜傳質速率提高。利用這一原理，研究者嘗試將智能膜用于調控酶催化反應過程中底物的傳質速率，從而有效地控制酶催化反應的速率，甚至實現反應的“啟/停”控制[19-20]。在酶催化反應過程中通常采用固定化酶，以改善游離酶在使用過程中穩定性差、重復利用率低等不足。采用天然高分子多糖和合成高分子化合物等高分子材料對游離酶進行包埋是固定化酶的常見方法。然而，很難獲得兼具良好機械強度和穩定性、生物相容性和傳質性能優良的高分子材料用以包埋酶。受到硅藻細胞壁形成的啟發，Zhang 等[21]通過仿生硅化技術，在具有良好生物相容性的海藻酸鈣凝膠囊表面生成一層二氧化硅，大大提高了膠囊的機械強度，同時抑制了海藻酸鈣的溶脹。Wang等[22]和Wu 等[23]通過乳液模板法和生物硅化技術結合制備了海藻酸鈣/二氧化硅復合膠囊（其二氧化硅層厚度在420 nm～15 μm 之間可調），并將其成功用于漆酶的固定化。實驗中漆酶由于具有較高的相對分子質量而被限定在海藻酸鈣/二氧化硅復合膠囊內部，而小分子量的底物與產物則可以通過膠囊囊膜進行傳質。與游離漆酶相比，固定化漆酶的海藻酸鈣/二氧化硅復合膠囊具有更好的熱穩定性、pH穩定性、存儲穩定性和可逆性。

為了實現酶催化反應過程的調控，將智能膜引入用于固定化酶的囊膜中，通過智能囊膜對外界信號的響應來實現反應過程速率的有效調控。Mei等[24]在前人的研究基礎上開發了一種基于海藻酸鈣/精蛋白/二氧化硅的pH 響應型酶固定化膠囊，并將其用于酶催化反應速率的可控調節，如圖6 所示。首先采用乳液模板法制備包埋蔗糖酶的海藻鈣膠囊[圖6（a）]，然后通過靜電吸附將大量的精蛋白分子沉積到膠囊表面形成海藻酸鈣/精蛋白囊[圖6（b）]，最后帶負電的硅酸鈉與精蛋白分子縮聚形成二氧化硅殼，得到海藻酸鈣/精蛋白/二氧化硅膠囊[圖6（c）]。該膠囊具有類似于雞蛋的仿生結構，即囊膜具有類似于“蛋殼”的二氧化硅致密層和類似于“蛋膜”的海藻酸鈣/精蛋白復合疏松層組成。其中，由于在不同pH 環境下海藻酸鈣凝膠網絡與精蛋白分子之間的靜電吸附和解吸作用，海藻酸鈣/精蛋白復合層可呈現pH 響應開關特性，從而實現對內部酶催化反應速率的控制。而外層的二氧化硅致密層起到保護內部海藻酸鈣/精蛋白復合疏松層穩定發揮pH 響應性功能的作用。酶催化反應實驗是在25℃、不同的pH 條件下進行的，以蔗糖為底物，利用蔗糖酶催化其水解生成還原糖（包含葡萄糖和果糖）。如圖6（d）、（e）所示，當環境pH 高于臨界pH（簡稱pHcritical= 4.5，接近于海藻酸鈣凝膠的電離平衡常數pKa）而低于精蛋白的等電點（簡稱pIprotamine=10～12）時（即pHcritical4.5時，酶催化反應正常進行。二氧化硅殼層的壁厚為8.2 μm、海藻酸鈣/精蛋白復合層的厚度為110 μm 的海藻酸鈣/精蛋白/二氧化硅膠囊在pH=5 與pH=4下的動態催化反應速率之比為123，且其pH 控制的酶催化反應特性具有良好的可逆性和可重復性。該pH 響應型仿生酶固定化膠囊具有優良的環境pH 控制的酶催化反應性能。

圖6 pH 響應性酶固定化膠囊的制備步驟及響應機理[24]Fig.6 Schematic illustration of preparation process (a—c) and pH-responsive property (d, e) of proposed enzyme- immobilized mini-egg with pH-responsive membrane.(a) Ca-alginate mini-capsule, (b) Ca-alginate/protamine mini-capsule, (c) Ca-alginate/protamine/silica mini-egg.Enzymatic reaction in APSiE mini-egg is in inactive state (d) and in active state (e)[24]

Mei 等[25]利用紫外光照誘導接枝技術在囊膜表面引入聚甲基丙烯酸（PMAA）接枝鏈以調控pH響應型酶固定化膠囊的臨界pH，如圖7所示。PMAA的電離平衡常數（簡稱pKa（PMAA））約為4.65～5.35。表面接枝PMAA 接枝鏈的pH 響應型仿生酶固定化膠囊的臨界響應pH由未接枝前的4.5調控至5～6。當環境pH 低于pKa（PMAA）時，PMAA 聚電解質的官能團因質子化作用而呈現電中性，聚電解質鏈段處于收縮構象，如圖7（a）所示。此時，二氧化硅殼層表面將被收縮的接枝鏈所覆蓋，反應底物難以透過囊膜進入膠囊內部，酶催化反應無法正常進行。當環境pH 高于pKa（PMAA）時，PMAA聚電解質的官能團因離解而帶上負電，由于帶負電官能團之間的靜電斥力作用使得接枝鏈處于伸展構象，如圖7（b）所示。此時，二氧化硅殼層表面的孔隙處于通暢狀態，反應底物可自由進入囊內部，酶催化反應順利進行。結果表明，該膠囊表現出優良的pH 響應性酶催化反應控制性能。當pHpKa（PMAA）時，酶催化反應正常進行。包埋蔗糖酶的PMAA 接枝海藻酸鈣/精蛋白/二氧化硅膠囊在動態催化實驗中pH=6 與pH=5 時的催化反應速率之比約為2。這些具有優良生物相容性和pH 響應性的功能載體在酶固定化、益生菌保護、藥物控制釋放等領域具有廣闊的應用前景。研究結果為酶催化反應的優化控制提供了一種工藝簡單、條件溫和的新模型和新途徑。

圖7 表面接枝PMAA 的pH 響應性酶固定化膠囊的 響應機理[25]Fig.7 Schematic illustration of pH-responsive property of proposed Ca-alginate capsule membrane with grafted PMAA brushes for controllable enzyme reaction[25].Enzymatic reaction in capsule is in inactive state(a) and in active state(b)

4 總結與展望

綜述了近年來有關智能膜用于跨膜傳質過程的調控、親和分離過程的調控、催化反應過程速率的調控等方面的研究。

（1）根據智能開關響應的環境信號類型，智能膜可對環境溫度、pH、葡萄糖分子、客體分子等信號做出響應，改變智能開關高分子的構象以調節物質擴散的跨膜阻力，在傳質推動力不變的情況下實現跨膜傳質速率的智能調控。

（2）在可控調節跨膜傳質速率的基礎上，將智能膜用于酶固定化系統，可以調控酶催化反應過程中底物的傳質速率，從而有效地控制酶催化反應的速率，甚至實現反應的“啟/停”控制。

（3）利用智能開關高分子鏈在外界刺激信號作用下發生親疏水特性的變化，可望實現環境信號可控調節的親和吸附分離過程。

（4）將智能高分子鏈和具有分子或離子識別特性的主體分子（比如環糊精、冠醚等）結合在膜基材上可以得到環境刺激響應的分子識別型智能膜，并利用分子識別型智能膜的分子識別能力和智能高分子鏈的環境刺激響應性能的共同作用實現跨膜傳質速率和吸附能力的調控。

綜上，基于智能膜的傳質、反應與分離過程具有條件溫和、易于操控、易調控、高效等特點，為簡單、高效的傳質分離與反應操作提供了新途徑和新方法。

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