基于水通道蛋白的仿生膜的制造的制作方法

基于水通道蛋白的仿生膜的制造
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2019年1月8日提交的新加坡专利申请no.10201900164y的优先权，其全部内容通过引用并入本文用于所有目的。
技术领域
3.本公开涉及制造包含具有蛋白质水通道的蛋白脂质体的膜的方法。本公开还涉及这种膜，以及可操作实施该方法的系统。


背景技术：

4.由于与日俱增的人口和严重的环境污染，淡水短缺正在恶化。为了生产更清洁的水，使用膜对废水和/或海水进行反渗透(reverse osmosis，ro)和纳米过滤(nanofiltration，nf)已经发展了40多年。已开发的商业ro膜和nf膜包括薄膜复合(thin
‑
film composite，tfc)膜。
5.通常，tfc膜可以具有分层结构，其中可在具有织造/非织造层的多孔聚合物基材的顶部形成聚酰胺选择性层。织造/非织造层充当支撑体以增加tfc膜的机械强度。聚酰胺选择性层可能是分离的关键屏障。聚酰胺选择性层通常可以通过界面聚合形成。可以研究和调整聚酰胺层的化学和性质，以用于商业tfc膜，以从废水和海水中生产高质量的饮用水。生产水渗透率高、膜选择性高和/或污染低的高性能tfc膜，减少了化学品消耗、膜面积、运营成本以及能源。
6.话虽如此，常规的用于生产聚酰胺tfc膜的方法存在局限性。例如，聚酰胺层的形成可能会损害要掺入膜的水通道蛋白的结构完整性，甚至损坏水通道蛋白。水通道蛋白在所得到的膜中也可能暴露并且得不到适当的保护，这使得在废水处理过程中水通道蛋白容易损坏。一些常规方法可能使用大量的水通道蛋白。
7.因此需要提供一种改善上述一个或多个限制的解决方案。该解决方案应至少提供一种制造包含具有蛋白质水通道(例如水通道蛋白)的蛋白脂质体的膜的方法。


技术实现要素：

8.在一个方面，提供一种制造包含具有蛋白质水通道的蛋白脂质体的膜的方法，该方法包括：
9.提供多孔基材；
10.将溶液沉积在该多孔基材上，其中该溶液包含蛋白脂质体；及
11.使该多孔基材与水性单体溶液和有机单体溶液接触以在包埋该蛋白脂质体的多孔基材上形成选择性层，其中在使该多孔基材与该水性单体溶液和该有机单体溶液接触之前沉积溶液。
12.在一个方面，提供一种制造包含具有蛋白质水通道的蛋白脂质体的膜的方法，该方法包括：
13.提供多孔基材；
14.使该多孔基材与水性单体溶液接触；
15.将溶液沉积在该多孔基材上，其中该溶液包含蛋白脂质体；及
16.使该多孔基材与有机单体溶液接触以在包埋该蛋白脂质体的多孔基材上形成选择性层，其中在使该多孔基材与该水性单体溶液接触之后、但使该多孔基材与该有机单体溶液接触之前沉积溶液。
17.在另一方面，提供一种膜，该膜包含：
18.多孔基材，包含沉积在其上的蛋白脂质体，其中该蛋白脂质体具有掺入其中的蛋白质水通道；和
19.选择性层，在该多孔基材上形成，其中蛋白脂质体包埋在该选择性层中。
20.在另一方面，提供一种用于制造包含具有蛋白质水通道的蛋白脂质体的膜的系统，该系统包括：
21.多个辊，可操作地在排放组件下方接收和移动多孔基材，该排放组件可操作地将溶液沉积在多孔基材上，其中该溶液包含蛋白脂质体；和
22.接触组件，可操作地使该多孔基材与水性单体溶液和有机单体溶液接触以在该多孔基材上形成选择性层。
附图说明
23.附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明本发明的原理上。在以下的描述中，将参照以下附图描述本发明的各个实施方式，其中：
24.图1是描绘用于制造掺入水通道蛋白的平片仿生膜(本文称为“基于水通道蛋白的仿生膜”(aquaporin based biomimetic membrane，abm))的系统和系统的过程的示意图。图像(a)示出了用于浇铸基材膜的系统和过程。图像(b)是喷淋系统的示意陈列，描绘了一排用于在基材膜上分布蛋白脂质体的喷嘴。图像(c)示出了聚酰胺涂覆系统。图像(d)示出了卷膜机。图像(e)示出了所得的包含仿生膜的螺旋卷式元件；
25.图2是用于制备平片abm的喷淋工艺的示意图；
26.图3a示出了1,2
‑
二油酰基
‑
sn
‑
甘油
‑3‑
磷酰胆碱(dopc)脂质体的透射电子显微镜(transmission electron microscopy，tem)图像。比例尺表示200nm；
27.图3b示出了使用dopc脂质体衍生的蛋白脂质体的tem图像。蛋白质与脂质的比例(摩尔比)为1:400。比例尺表示200nm；
28.图4示出了涂有脂质(顶行)和蛋白脂质体(底行)的膜基材的场发射扫描电子显微镜(field emission scanning electron microscopy，fesem)图像。比例尺表示500nm；
29.图5示出了掺入脂质(顶行)和蛋白脂质体(底行)的膜基材的fesem图像。比例尺表示1μm；
30.图6a示出了abm和两种类型的对照膜样品的水渗透率(a)。由圆圈表示的一种对照样品(空白对照)不含脂质和蛋白脂质体。另一种是脂质对照膜，即没有蛋白脂质体，由倒三角形表示。测试条件基于10bar(1mpa)施加的压力，使用10mm nacl作为进料溶液。基于在本公开的第一方面的各种实施方式中描述的方法制造膜样品；
31.图6b示出了经历如图6a所描述的测试条件的图6a中提到的abm和两种类型的对照
膜样品的溶质截留率(r)。在本公开中，术语“溶质截留率”可以与术语“盐截留率”互换使用；
32.图6c示出了经历如图6a所描述的测试条件的图6a中提到的abm和两种类型的对照膜样品的溶质渗透率(r)；
33.图7是用本abm构建的ro膜(标记为本实施例)和使用常规界面聚合方法构建的常规膜(标记为对比例)的性能比较。“a”表示使用了水通道蛋白突变体；
34.图8是示出了图1的系统的一部分(800)的示意图，并且与本文中描述的用于制造包含具有蛋白质水通道的蛋白脂质体的膜的系统的一方面有关。具体地，图8示出了多个辊(802、804)将多孔基材(808)移动到排放组件(806)并移动到排放组件(806)下方以便蛋白脂质体喷淋在其上。然后辊(810、812、814、816)将多孔基材(808)移动到接触组件(818)以在多孔基材(808)上形成选择性层，以及辊(820、822、824)将多孔基材(808)从接触组件(818)移动。如果使用传送组件(未显示)，例如传送带，来移动多孔基材(808)，则不需要辊(802、810、814、820)或辊(804、812、816、822、824)。
具体实施方式
35.以下详细说明引用了附图，附图以举例方式展示了可以实施本发明的具体细节和实施方式。对这些实施方式进行了足够详细的描述，以使得本领域技术人员能够实施本发明。在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用其他的实施方式并且可以进行改变。各个实施方式不一定相互排斥，因为一些实施方式可以与一种或多种其他实施方式组合来形成新的实施方式。
36.在一个实施方式的上下文中描述的特征可以相应地适用于其他实施方式中的相同或相似的特征。在一个实施方式的上下文中描述的特征可以相应地适用于其他实施方式，即使在这些其他实施方式中没有明确描述。此外，在一个实施方式的上下文中针对特征所描述的添加和/或组合和/或替换可相应地适用于其他实施方式中的相同或相似特征。
37.本公开涉及制造基于水通道蛋白的仿生膜(abm)的方法，该方法涉及喷淋技术。该方法可以包括以下步骤：构建具有改善的机械强度和多孔表面的多孔膜基材，在基材上喷淋蛋白脂质体的中间层，以及通过界面聚合形成覆盖蛋白脂质体的薄而致密的选择性层。在蛋白脂质体沉积之后形成薄而致密的选择性层有利地保护了蛋白脂质体。本文中的术语“蛋白脂质体”是指掺入蛋白质的脂质体，这些蛋白质在脂质体膜中形成水通道。例如，蛋白质可以是水通道蛋白(aquaporin，aqp)。此类水通道在本文中可称为“蛋白质水通道”，因为它们是由蛋白质形成的。术语“膜基材”和“基材”在本文中可互换使用，是指其上沉积有蛋白脂质体且其上形成有选择性层的多孔基材。
38.该方法可以包括在多孔膜基材上沉积包含水性单体的溶液的步骤。术语“水性单体”是指溶解在水溶液中用于界面聚合的单体。这种含有水性单体的溶液在本文中可以被称为“水性单体溶液”。然后可以将蛋白脂质体沉积在多孔膜基材上。然后可以将多孔膜基材与包含有机单体的溶液接触以在多孔基材上形成薄而致密的选择性层。术语“有机单体”是指溶解在有机溶剂中用于界面聚合的单体。这种包含有机单体的溶液在本文中可以称为“有机单体溶液”。
39.接触水性单体溶液和有机单体溶液可以引起界面聚合以形成薄而致密的选择性
层。薄而致密的选择性层可以是，例如，可通过界面聚合形成的聚酰胺。
40.上述两种方法都是有利的，因为可获得水渗透率、通量和溶质截留率改善的膜。如上所述，术语“溶质截留率”和“盐截留率”在本公开中可以互换使用。膜的溶质截留率在至少为15lm
‑2hr
‑1的高通量下可以至少为98％，或者在16.7lm
‑2hr
‑1的通量下甚至是99％。与制造abm的传统方法相比，上述两种方法都不会损害薄而致密的选择性层的形成，并且有利地需要显著较少量的蛋白质水通道(例如水通道蛋白)来实现上述性能。传统方法的一个例子包括将整个膜基材浸泡在含有蛋白脂质体的溶液浴中。为了制备这样的溶液浴并使蛋白脂质体均匀地沉积在膜基材上，可能不希望地招致大量的材料和成本。不利的是，必须在溶液浴中制备高浓度的蛋白脂质体，并且不能保证蛋白脂质体先均匀分布在溶液浴中。
41.本公开还描述了一种可操作地执行本公开的方法的系统。
42.本方法、膜和系统及其各种实施方式的细节描述如下。
43.在本公开的第一方面，提供了一种制造包含具有蛋白质水通道的蛋白脂质体的膜的方法。该方法可以包括：提供多孔基材；将溶液沉积在多孔基材上，其中该溶液包含蛋白脂质体；及使多孔基材与水性单体溶液和有机单体溶液接触以在包埋蛋白脂质体的多孔基材上形成选择性层，其中可以在使多孔基材与水性单体溶液和有机单体溶液接触之前沉积溶液。含有蛋白脂质体的溶液在本文中可称为“蛋白脂质体溶液(proteoliposome solution或proteoliposomes solution)”。针对第一方面的方法所描述的实施方式和优点对于本文随后描述的另一方面的方法可以类似地有效，反之亦然。
44.有利地，所得的由第一方面的方法制造的膜具有至少约1.21l/m2.hr.bar的水渗透率、至少约15l/m2.hr的通量和至少约98％的溶质截留率。与由传统方法产生的abm相比，第一方面的方法、甚至本文公开的随后方面的方法需要更少的蛋白脂质体和更少的蛋白质水通道来实现这样的性能。蛋白脂质体在膜基材上的沉积可以通过喷淋进行。例如，喷淋可以是这样的方式，其中膜基材在其上配置有喷嘴的排放组件下移动，使得蛋白脂质体从喷嘴排出导致随着膜基材移动(例如，在喷嘴下方且经过喷嘴)，蛋白脂质体膜均匀涂覆在基材表面上。喷淋可以通过使用喷淋瓶用蛋白脂质体均匀地涂覆膜基材的表面来进行。因此，该喷淋技术提供了必须使用较少的蛋白脂质体和较少的蛋白质水通道的上述优点，这转化为成本的节约。
45.通过第一方面的方法，被沉积在膜基材上的蛋白脂质体不影响水性单体和有机单体，反之亦然。包含蛋白脂质体的溶液可导致有机单体溶液中有机单体的沉淀。有机单体的沉淀可能抑制界面聚合，损害选择性层的形成。如果有机单体首先与蛋白脂质体或蛋白脂质体溶液接触，则可能会不希望地发生有机单体的沉淀。此外，在沉积水性单体溶液和有机单体溶液之前沉积蛋白脂质体有利地形成了保护蛋白脂质体的选择性层，因为蛋白脂质体被之后形成的选择性层覆盖(即包埋)。因此，蛋白脂质体在水处理过程中被选择性层遮蔽而远离化学物质。
46.在第一方面的方法中，沉积溶液可以包括使多孔基材在排放组件下方单向移动，该排放组件将溶液沉积在多孔基材上。如上所述，排放组件可以具有喷嘴。喷嘴可以配置在排放组件上，使得它们喷淋溶液，以随着膜基材移动(例如在排放组件下方且经过排放组件时)，使蛋白脂质体均匀地覆盖膜基材的表面。当以系统的方式用蛋白脂质体沉积膜基材时，膜基材的单向运动可有助于使喷淋在其上的蛋白脂质体的聚集最小化。膜基材可以通
过排放组件处理一次或不止一次。
47.在各种实施方式中，多孔基材可以由聚合物形成，该聚合物包括聚醚酰亚胺、纤维素酯、聚丙烯腈、聚砜、聚醚砜、聚偏二氟乙烯、醋酸纤维素或其衍生物。
48.在各种实施方式中，多孔基材可以由无机材料形成，该无机材料包括碳、钛、氧化铝或陶瓷。
49.在第一方面的方法中，沉积溶液可以包括喷淋溶液以使多孔基材的表面被蛋白脂质体覆盖。喷淋蛋白脂质体溶液的优点已经在上文讨论过。例如，喷淋蛋白脂质体溶液有助于减少所需的蛋白脂质体量，甚至是所需的蛋白质水通道，而不会损害所得的膜的过滤性能。
50.在各种实施方式中，溶液可以包含浓度范围为1mg/ml至100mg/ml、10mg/ml至100mg/ml、20mg/ml至100mg/ml、30mg/ml至100mg/ml、40mg/ml至100mg/ml、50mg/ml至100mg/ml、60mg/ml至100mg/ml、70mg/ml至100mg/ml、80mg/ml至100mg/ml、90mg/ml至100mg/ml、2mg/ml至10mg/ml等的蛋白脂质体。此类浓度避免了蛋白脂质体的聚集。较高的浓度可能会使蛋白脂质体易于聚集，这可能会降低膜的性能。此类浓度还可有助于降低成本而不降低所得的膜的过滤性能。
51.溶液还可以包含(i)表面活性剂和/或(ii)盐，其中表面活性剂可以包括：正辛基
‑
p
‑
d
‑
葡萄糖苷、正辛酰基蔗糖、正壬酰基蔗糖、正癸酰基蔗糖、正十一烷基
‑
p
‑
d
‑
吡喃葡萄糖苷、正十一烷基
‑
p
‑
d
‑
硫代葡萄糖苷、正十一烷基
‑
β
‑
o
‑
硫代麦芽糖苷、正十一烷基
‑
p
‑
d
‑
硫代吡喃麦芽糖苷、正十一烷基
‑
β
‑
o
‑
硫代吡喃葡萄糖苷或其组合，其中盐可以包括：氯化钠、氯化镁、磷酸二氢钠或其组合。表面活性剂可以0.0002wt％至2wt％、0.001wt％至2wt％、0.01wt％至2wt％、0.02wt％至1wt％、0.5wt％至2wt％等范围的浓度存在于溶液中。盐可以0.001m至0.5m、0.005m至0.5m、0.01m至0.05m、0.01m至0.1m、0.01m至0.5m、0.01m至0.2m等范围的浓度存在于溶液中。表面活性剂和/或盐的浓度可能会影响膜的性能。然而，这可能取决于所使用的表面活性剂和盐的类型。
52.在第一方面的方法中，使多孔基材与水性单体溶液和有机单体溶液接触可以包括在将多孔基材浸泡在有机单体溶液中之前将多孔基材浸泡在水性单体溶液中。如上所述，如果首先接触有机单体溶液，则可能存在有机单体沉淀的风险，这反过来抑制水性单体和有机单体之间的界面聚合。因此，这一步骤规避了这种风险。
53.在第一方面的方法中，使多孔基材与水性单体溶液和有机单体溶液接触可以包括：(i)将多官能胺溶解在水溶液中以形成水性单体溶液；和(ii)将多官能酰氯或多官能磺酰氯溶解在有机溶剂中形成有机单体溶液。本文中术语“多官能”中的前缀“多”是指不止一个官能团。例如，多官能胺意味着可能有不止一个胺基团。
54.在各种实施方式中，多官能胺可以包括邻苯二胺、间苯二胺或哌嗪。在各种实施方式中，多官能酰氯可以包括均苯三甲酰氯、间苯二甲酰氯(isophthaloyl chloride，ipc)、5
‑
异氰酸酯
‑
间苯二甲酰氯(5
‑
isocyanato
‑
isophthaloyl chloride，icic)或5
‑
氯甲酰氧基
‑
间苯二甲酰氯(5
‑
chloroformyloxy
‑
isophthaloyl chloride，cfic)。在各种实施方式中，多官能磺酰氯可以包括1,5
‑
萘
‑
双磺酰氯、1,3
‑
二甲基2
‑
咪唑烷酮或1,3
‑
二氧代
‑
1,3
‑
二氢异苯并呋喃
‑5‑
磺酰氯。
55.第一方面的方法还可以包括在使多孔基材与水性单体溶液和有机单体溶液接触
之前干燥其上沉积有溶液的多孔基材。有利地，干燥过程保持水性单体的浓度，因为基材上的任何残留的水都可能稀释其浓度。
56.在本公开的另一方面，提供了一种制造包含具有蛋白质水通道的蛋白脂质体的膜的方法。该方法可以包括：提供多孔基材；使多孔基材与水性单体溶液接触；将溶液沉积在多孔基材上，其中该溶液包含蛋白脂质体；及使多孔基材与有机单体溶液接触以在包埋蛋白脂质体的多孔基材上形成选择性层，其中可以在使多孔基材与水性溶液之后、但使多孔基材与有机单体溶液接触之前沉积溶液。该方法类似于第一方面的方法，因为可以通过喷淋到膜基材上来沉积含有蛋白脂质体的溶液。然而，该方法首先沉积水性单体溶液，然后是含有蛋白脂质体的溶液，再然后是有机单体溶液。由当前方面的方法制造的膜具有至少约1.26l/m2.hr.bar的水渗透率、至少约16.72l/m2.hr的通量和至少约99的溶质截留率。因为蛋白脂质体在有机单体之前但在水性单体之后沉积，蛋白脂质体可以更好地掺入到水性单体中，从而形成选择性层，这进一步提高了膜的性能。
57.类似地，与由传统方法(其中一种涉及溶液浴的方法已在上文进行了描述)制造的abm相比，当前方面的方法有利地减少了产生更好结果所需的蛋白脂质体和蛋白质水通道的量。由于蛋白脂质体可以沉积到水性单体溶液中或膜基材上含有水性单体的层中，因此在有机单体沉积在其上进行界面聚合以形成选择性层后，蛋白脂质体同样地被遮蔽。因此，当前方面的方法提供了与第一方面的方法中描述的相同的蛋白脂质体保护。针对第一方面的方法所描述的其他实施方式和优点对于本文描述的当前方面的方法可以类似地有效，反之亦然。由于上文已经描述了各个实施方式和优点，因此为了简洁起见不再赘述。作为另一个示例，第一方面的方法中的喷淋技术的实施方式和优点已经在上文描述，例如用于将蛋白脂质体均匀涂覆在膜基材上的排放组件和喷嘴，其对于当前方面的方法中的喷淋技术可以类似地有效。因此，本方面的方法中的喷淋技术的实施方式和优点不再赘述。
58.与第一方面的方法的实施方式和优点类似，在当前方面的方法中沉积溶液可以包括使多孔基材在排放组件下方单向移动，该排放组件将溶液沉积在多孔基材上。
59.与第一方面的方法的实施方式和优点类似，当前方面的方法中的多孔基材可以由聚合物形成，该聚合物包括聚醚酰亚胺、纤维素酯、聚丙烯腈、聚砜、聚醚砜、聚偏二氟乙烯、醋酸纤维素或其衍生物。多孔基材可以由无机材料形成，该无机材料包括碳、钛、氧化铝或陶瓷。
60.与第一方面的方法的实施方式和优点类似，在当前方面的方法中沉积溶液可以包括喷淋溶液以使多孔基材的表面被蛋白脂质体覆盖。溶液可以包含浓度范围为1mg/ml至100mg/ml的蛋白脂质体。该溶液的其他实施方式和优点已经在上文描述，为了简洁起见不再赘述。例如，该溶液还可以包含(i)表面活性剂和/或(ii)盐，其中表面活性剂可以包括：正辛基
‑
p
‑
d
‑
葡萄糖苷、正辛酰基蔗糖、正壬酰基蔗糖、正癸酰基蔗糖、正十一烷基
‑
p
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d
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吡喃葡萄糖苷、正十一烷基
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p
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d
‑
硫代葡萄糖苷、正十一烷基
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β
‑
o
‑
硫代麦芽糖苷、正十一烷基
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p
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d
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硫代吡喃麦芽糖苷、正十一烷基
‑
β
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o
‑
硫代吡喃葡萄糖苷或其组合，其中盐可以包括：氯化钠、氯化镁、磷酸二氢钠或其组合。表面活性剂可以0.0002wt％至2wt％等范围内的浓度存在于溶液中。盐可以0.001m至0.5m等范围内的浓度存在于溶液中。
61.与第一方面的方法的实施方式和优点类似，在当前方面的方法中使多孔基材与水性单体溶液接触可以包括将多官能胺溶解在水溶液中以形成水性单体溶液。多官能胺可以
包括邻苯二胺、间苯二胺或哌嗪。
62.与第一方面的方法的实施方式和优点类似，在当前方面的方法中使多孔基材与有机单体溶液接触可以包括将多官能酰氯或多官能磺酰氯溶解在有机溶剂中以形成有机单体溶液。多官能酰氯可以包括均苯三甲酰氯、间苯二甲酰氯(ipc)、5
‑
异氰酸酯
‑
间苯二甲酰氯(icic)或5
‑
氯甲酰氧基
‑
间苯二甲酰氯(cfic)。多官能磺酰氯可以包括1,5
‑
萘
‑
双磺酰氯、1,3
‑
二甲基2
‑
咪唑烷酮或1,3
‑
二氧代
‑
1,3
‑
二氢异苯并呋喃
‑5‑
磺酰氯。
63.当前方面的方法还可以包括在使多孔基材与有机单体溶液接触之前干燥其上沉积有溶液的多孔基材。干燥过程避免了水性单体被可能残留在多孔基材上的水稀释。
64.本公开还提供了一种膜，该膜包含：多孔基材，该多孔基材包含沉积在其上的蛋白脂质体，其中蛋白脂质体具有掺入其中的蛋白质水通道；和选择性层，该选择性层在该多孔基材上形成，其中蛋白脂质体包埋在该选择性层中。针对以上方面的方法所描述的实施方式和优点对于此处描述的该膜可以类似地有效，反之亦然。由于各个实施方式和优点已经在上文描述，因此为了简洁起见不再赘述。
65.在各种实施方式中，多孔基材可以由聚合物形成，该聚合物包括聚醚酰亚胺、纤维素酯、聚丙烯腈、聚砜、聚醚砜、聚偏二氟乙烯、醋酸纤维素或其衍生物。多孔基材可以由无机材料形成，该无机材料包括碳、钛、氧化铝或陶瓷。
66.在各种实施方式中，蛋白脂质体中的每个可以包含范围为1:100到1:1000、1:200至1:1000、1:400至1:1000、1:200至1:400等的蛋白质水通道与脂质的比率。这些范围有助于减轻脂质体膜的缺陷，从而避免较差的分离效果，并提高分离效率。例如，当使用更多脂质时，水渗透率和通量可能会受到影响。当更多的蛋白质水通道掺入脂质体时，脂质体中可能会出现堆积缺陷，分离效果可能会受到影响。
67.蛋白脂质体的平均直径可在50nm至400nm、80nm至120nm、100nm等范围内。这种平均直径允许蛋白脂质体包埋在选择性层中，从而不需要形成相当厚而致密的选择性层。如果使选择性层变得太厚太致密，只是为了保护较大尺寸的蛋白脂质体，则水渗透率和通量可能会受到影响。相反，可能必须掺入明显更多的蛋白脂质体，以补偿更厚且更致密的选择性层的存在。
68.在各种实施方式中，沉积在多孔基材上的蛋白脂质体可以0.8mg/m2至1000mg/m2、1mg/m2至1000mg/m2、100mg/m2至1000mg/m2、150mg/m2至1000mg/m2、20mg/m2至1000mg/m2、500mg/m2至1000mg/m2等的量存在。这样的范围提高了所得的膜的总通量，因为蛋白脂质体在整个膜上得以均匀分布。上述两个方面的方法中的喷淋技术以这种方式沉积蛋白脂质体。
69.在各种实施方式中，蛋白质水通道可以包含水通道蛋白、水甘油通道蛋白、离子通道蛋白或其类似物。这适用于上述两个方面的方法。
70.在各种实施方式中，选择性层的厚度可以为50nm至1500nm、100nm至1500nm、1000nm至1500nm等范围内。这适用于上述两个方面的方法。这种厚度提供了蛋白脂质体的充分覆盖，如以上所述，有利地保护和遮蔽了蛋白脂质体。选择性层可以包括聚酰胺或由聚酰胺组成。
71.在各种实施方式中，膜可以是平片膜或螺旋卷式膜。这适用于上述两个方面的方法。
72.本公开还提供了用于制造包含具有蛋白质水通道的蛋白脂质体的膜的系统。该系统可以包括：多个辊(802、804)，其可操作地在排放组件(806)下方接收和移动多孔基材(808)，排放组件(806)可操作地将溶液沉积在多孔基材(808)上，其中溶液包含蛋白脂质体；和接触组件(818)，其可操作地使多孔基材(808)与水性单体溶液和有机单体溶液接触以在多孔基材(808)上形成选择性层。针对上述方面的方法和膜所描述的实施方式和优点对于本文描述的本系统可以类似地有效，反之亦然。由于各个实施方式和优点已经在上文描述，因此为了简洁起见不再赘述。本系统可操作地适应上述两个方面的方法。
73.多个辊(802、804、810、812)可以被布置为在第一位置和第二位置接收多孔基材(808)，其中第一位置和第二位置可以被布置为远离排放组件(806)，并且其中多个辊(802、804、810、812)可以可操作地将排放组件(806)下方的多孔基材(808)从第一位置移动到第二位置。这样操作和配置多个辊(802、804、810、812)提供了膜基材(808)的单向移动，例如，排放组件(806)的下方且经过排放组件(806)，这在上文中已经描述。由于已在第一方面的方法中对它们进行了描述，为了简洁起见不再赘述。
74.第一位置可以包括可操作地接收多孔基材(808)的一个或多个辊(802、804)。换言之，多孔基材(808)可以在第一位置被供给到排放组件(806)。一个或多个辊(802、804)可以以将多孔基材(808)移动到排放组件(806)的喷嘴的方式进行旋转或操作，以便将含有蛋白脂质体的溶液喷淋在其上。位于第一位置的一个或多个辊(802、804)可以被称为第一组辊。随着多孔基材(808)从其移动，多孔基材(808)可以在第二位置与第二组辊(810、812)接触，其中第二组可以具有一个或多个辊。当将其上喷淋有蛋白脂质体的多孔基材(808)供给到第二组辊时，第二组辊有助于将多孔基材(808)从排放组件(806)移开。在第一位置和第二位置各自具有一个辊的实施方式中，可以存在传送组件，例如传送带，以将多孔基材(808)移至排放组件(806)和从排放组件(806)移开。这些实施方式适用于上述两个方面的方法。
75.排放组件(806)可以包括一个或多个喷嘴，当溶液从一个或多个喷嘴喷淋到在排放组件(806)下方移动的多孔基材(808)上时，使多孔基材的表面被蛋白脂质体覆盖。有利地，喷嘴在排放组件(806)上间隔开，使得蛋白脂质体在其上的喷淋均匀地覆盖多孔基材(808)的表面。
76.在本系统中，接触组件(818)可以可操作地在使多孔基材(808)(i)在与有机单体溶液接触之前，或(ii)在与溶液接触之前，与水性单体溶液接触。换言之，该系统可操作地适应上述两个方面的方法。可以操作本系统以执行第一方面的方法或后续方面的方法，这两者都已在上文进行了描述。
77.在各种实施方式中，该系统还包括浇铸组件，该浇铸组件可操作地形成多孔基材(808)，其中该浇铸组件包括储液器，该储液器被设计成容纳使得由聚合物溶液形成多孔基材(808)的凝结液。在本公开的实施方式中描述了凝结液和聚合物溶液的更多细节。图1的图像(a)中示出了浇铸组件的示例。
78.在本公开中，“基本上”一词并不排除“完全”，例如，“基本上不含”y的组合物可以完全不含y。必要时，可以从本发明的定义中省略“基本上”一词。
79.在各个实施方式的上下文中，关于特征或元件所使用的冠词“一”、“一个”以及“该”包括引用一个或多个特征或元件。
80.在各个实施方式的上下文中，应用于数值的术语“约”或“大约”涵盖精确值和合理
偏差。
81.如本文所用，术语“和/或”包括一种或多种相关的所列项目的任何和所有组合。
82.除非另有说明，否则术语“包括”和“包含”及其语法变体意在表示“开放性”或“包含性”语言，使其包括所列举的元素但是也允许包含额外的、未列举的元素。
83.虽然上述方法被阐述并描述为一系列步骤或事件，但应当理解，这些步骤或事件的任何排序都不应以限制性含义来理解。例如，除了本文阐述和/或描述的步骤之外，一些步骤可以以与其他步骤或事件不同的顺序发生和/或同时发生。另外，可以不需要所有阐述的步骤来实现本文描述的一个或多个方面或实施方式。而且，本文描绘的一个或多个步骤可以在一个或多个单独的动作和/或阶段中进行。
84.实施例
85.本公开涉及用于制造基于水通道蛋白的仿生膜(abm)的喷淋方法。仅基于掺入的少量水通道蛋白(约为常规使用的水通道蛋白量的1/10)，所得的膜表现出高透水率和高溶质截留率。
86.在本方法中，将掺入水通道蛋白的步骤与界面聚合(interfacial polymerization，ip)分离有利地保护了水通道蛋白脂质体的完整性不受苛刻的ip反应条件的影响。该喷淋方法还显著降低了基于水通道蛋白的仿生膜的成本。此外，可以预先确定掺入膜中的水通道蛋白的量。
87.本方法提供了对高性能的基于水通道蛋白的薄膜复合膜的开发，以处理不同的低盐度废水(例如受污染的地表水、生物处理废水、油污染废水、工业过程水)和高盐度水(例如海水)。
88.本公开还涉及通过本方法获得的膜，以及根据本方法可操作的系统。
89.本发明的方法、膜和系统的细节通过以下阐述的非限制性实施例进一步讨论。
90.实施例1a：系统概述
91.本公开描述了一种与常规方法相比以成本有效的方式生产界面聚合的abm的方法。描述本方法的方案示于图1。
92.在将膜基材或膜基材的表面浸泡在水性单体溶液中之前，将蛋白脂质体溶液喷淋在膜基材的表面上。用氮气干燥后，将表面暴露于水性单体溶液一定时间，然后进行有机相聚合反应程序。与通过传统的界面聚合方法获得的膜相比，该喷淋方法可以很容易地扩大规模并消耗更少的水通道蛋白(aqp)来获得具有相似性能的膜。这证明了本方法在降低abm生产总成本方面的巨大潜力。
93.平片abm扩大规模可以通过修改反渗透(reverse osmosis，ro)膜制造工艺以添加简单的aqp喷淋步骤来实现(图b)，如图1所示。
94.实施例1b：材料与化学品
95.在本文公开的各个实施例和实施方式中，使用以下材料作为非限制性实施例以证明本方法、膜和系统。
96.使用1,2
‑
二油酰基
‑
sn
‑
甘油
‑3‑
磷酰胆碱(dopc，20mg/ml，avanti polar lipids，alabama，美国)作为脂质来掺入水通道蛋白(aqp)蛋白质(即水通道蛋白)。水通道蛋白可以按照常规方法生产。使用缓冲溶液(ph约为7.4的磷酸盐缓冲盐水(即pbs溶液))使dopc脂质再水化。在蛋白脂质体重构过程中，使用生物珠(bio
‑
rad laboratories，美国)去除正辛
基
‑
b
‑
d
‑
吡喃葡萄糖苷(og，超纯级，merck，德国)。对于蛋白脂质体表征，纯度超过99％的分析级氯化钠(nacl)购自merck(德国)并用于停流测试。除非另有说明，否则使用去离子(deionized，di)水(millipore，集成超纯水系统)制备所有溶液。
97.对于abm膜的制造，使用非织造支撑体来增加abm膜的机械强度。将聚砜(polysulfone，ps，分子量约75kda至约81kda，solvay advanced polymers，ga，美国)溶解在n
‑
甲基
‑2‑
吡咯烷酮(nmp，merck)中以形成聚合物溶液。对于界面聚合过程，分别使用间苯二胺(mpd)和均苯三甲酰氯(tmc)(均购自sigma
‑
aldrich)作为水性单体和有机单体。分别使用di水作为水性单体的溶剂，使用正己烷(fisher scientific)作为有机单体的溶剂。
98.实施例2a：蛋白脂质体制备
99.dopc蛋白脂质体可以如下制备。
100.简而言之，将10mg dopc脂质体通过氮气干燥，然后在真空干燥器中储存至少12小时。含1wt％og的pbs缓冲溶液将干燥的脂质体与一定量的aqp一起溶解。最终体积为1ml。将溶液冻融3次，然后使用400nm过滤器(avestin挤出机，avestin，加拿大)挤出21次。然后，将生物珠添加到溶液中并涡旋至少3小时以去除og。最后，使用200nm过滤器将溶液(含有蛋白脂质体)挤出11次，以获得大小和分布均匀的蛋白脂质体。假设1ml所得的蛋白脂质体溶液中存在10mg dopc脂质体，则最终溶液浓度为10mg/ml dopc蛋白脂质体。
101.实施例2b：abm膜合成
102.可以通过用于形成平片膜的任何合适的膜浇铸方法来制备膜基材。通过界面聚合制备选择性层。在本实施例中，使用定制的喷淋瓶将蛋白脂质体溶液喷淋到表面积为310.8cm2的a5尺寸聚砜膜基材上。之后，用mpd溶液浸泡膜基材表面。用n2气体去除过量的mpd溶液后，使剩余的mpd与tmc溶液接触以反应并形成聚酰胺层，这需要几分钟才能完成。在反应过程中，蛋白脂质体或脂质体被包埋到聚酰胺层中。然后将所得的膜在di水中保持过夜。由此，制造了掺入蛋白脂质体的abm膜和掺入脂质的abm膜。为了比较，制造了不含任何蛋白脂质体的膜。
103.实施例3：脂质体、蛋白脂质体和膜的表征
104.使用nano zetasizer(nanozs，malvern instruments limited，英国)进行动态光散射(dynamic light scattering，dls)测量以确定脂质体和蛋白脂质体囊泡的大小。使用停流仪器(sx20停流光谱仪，applied photophysics，英国)来表征脂质体和蛋白脂质体的活性。将0.3mnacl溶解在pbs缓冲溶液中用作驱动液，并且在停流测量期间使用0.5mg/ml蛋白脂质体溶液作为进料溶液。在系统中通过采用单指数法拟合得到拟合的上升率。使用透射电子显微镜(tem，jeol jem
‑
1400plus电子显微镜，美国)表征蛋白脂质体和脂质体的形态。
105.通过fesem(场发射扫描电子显微镜，jsm
‑
7600f，jeol，日本)对膜基材，dopc蛋白脂质体沉积的膜基材表面和界面聚合后的膜基材表面进行表征。在表征之前，所有膜都在真空干燥器中干燥至少24小时。
106.实施例4：膜分离性质的评价
107.所得的膜通过横流ro装置进行评估。通过在10巴(1mpa)的施加压力下使用di水作为进料溶液获得水渗透率(a)。通过向进料罐中添加10mm nacl来测量溶质(或盐)截留率(r)。在膜测试池(cf42膜池，sterlitech)中测得的膜面积为42cm2。使用菱形隔离物来最小
化浓差极化。在测试期间施加约10cm/s的恒定横向流速。在进行任何测量之前，至少要进行2小时的压实，以获得稳定的水通量和盐截留率。a和r分别由以下等式(1)和(2)确定：
108.a＝j
v
/p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
109.r＝1
‑
c
p
/c
f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
110.基于a和r，溶质渗透率(b)可以由以下等式3确定。
111.b＝a(p)(1/r
‑
1)
ꢀꢀꢀꢀ
(3)
112.在等式(1)至(3)中，j
v
表示水通量，由重量法确定，p表示施加的压力。c
p
和c
f
分别是渗透电导率和进料电导率，通过导电计(ultrameter ii，myron l company，carlsbad，ca)测量。
113.实施例5：本方法和膜的演示
114.合适的膜基材的要求包括高机械强度，这可以通过添加非织造或织造支撑体来实现。基材应该是多孔基材以允许在其上形成聚酰胺层。用于这种膜基材的材料包括聚合物、无机材料或其组合。聚合物的非限制性实例包括聚醚酰亚胺(pei)、纤维素酯、聚丙烯腈(pan)、聚砜(ps)、聚醚砜(pes)、聚偏二氟乙烯(pvdf)、醋酸纤维素及其衍生物。无机材料的非限制性实例包括陶瓷、碳、钛和氧化铝。
115.用于制备膜基材的聚合物溶液的浓度为10.0wt％至30.0wt％(或15.0wt％至25.0wt％)。使用的溶剂可包括1
‑
甲基
‑2‑
吡咯烷酮(nmp)、二甲基乙酰胺(dmac)、二甲基甲酰胺(dmf)和/或其组合。有机大分子、有机小分子和无机盐，例如聚乙烯吡咯烷酮(pvp)、聚乙二醇(peg)、丙酮、异丙醇、乙醇、氯化锂(licl)等可用作添加剂以调节膜孔隙率和/或疏水性
‑
亲水性。此类添加剂在聚合物溶液中的浓度范围可以为0.1wt％至50.0wt％(或0.2wt％至20.0wt％)。
116.使用具有一定比例溶剂的室温蒸馏水作为凝固浴以沉淀平片膜基材。添加的溶剂选自nmp、dmac、dmf等，其浓度范围为0wt％至80.0wt％(或0wt％至50.0wt％)。在制备聚合物溶液的过程中，，将有机溶剂中一定量的聚合物和添加剂在密闭容器中在室温(如23℃
±
3℃)或加热至90℃(或50℃至70℃)进行混合，直至聚合物溶液变得均匀。在将加热的聚合物溶液冷却至室温后，将聚合物溶液在同一容器中静态脱气至少24小时。
117.然后通过elcometer 4340电动涂膜机(elcometer(asia)pte ltd)将聚合物溶液直接涂布在干净的玻璃板上(在涂布前可选地在玻璃板顶部添加非织造或织造支撑体)以形成具有一定厚度的聚合物溶液膜。将所得聚合物溶液膜迅速且平稳地浸入凝结水浴中。在聚合物溶液膜沉淀并固化后，通过将基材浸泡在去离子水中去除过量的溶剂和添加剂。
118.本公开中使用的蛋白脂质体是基于掺入到脂质中的蛋白质水通道而形成蛋白脂质体囊泡。蛋白质水通道的非限制性实例包括但不限于水通道蛋白、水甘油通道蛋白、其他通道蛋白、离子通道蛋白和/或其类似物。蛋白脂质体可以通过掺入洗涤剂辅助的水通道蛋白的膜水化法形成，包括例如涡旋、一次或多次冻融、挤出和/或透析的步骤。脂质与蛋白质水通道(例如水通道蛋白)的摩尔比可为1000:1至100:1，或200:1至400:1，等等。
119.在喷淋步骤中，将蛋白脂质体均匀地喷淋在膜基材上并通过使用n2或其他惰性气体、加热或使用吸收材料(薄纸)干燥。使用可操作地递送(喷淋)细小液滴并确保在基材上均匀分布的喷淋机(或在本文中所称的“排放组件”)。喷淋溶液可含有高浓度的蛋白脂质体，例如范围从1mg/ml至100mg/ml(或2mg/ml至10mg/ml)。
120.喷淋溶液中可以包含表面活性剂，表面活性剂的非限制性实例包括正辛基
‑
p
‑
d
‑
葡萄糖苷、正辛酰基蔗糖、正壬酰基蔗糖、正癸酰基蔗糖、正十一烷基
‑
p
‑
d
‑
吡喃葡萄糖苷、正十一烷基
‑
p
‑
d
‑
硫代葡萄糖苷、正十一烷基
‑
β
‑
o
‑
硫代麦芽糖苷、正十一烷基
‑
p
‑
d
‑
硫代吡喃麦芽糖苷、正十一烷基
‑
β
‑
o
‑
硫代吡喃葡萄糖苷或其组合。喷淋溶液中表面活性剂的浓度可在0.0002wt％至2wt％(或0.02wt％至1wt％)的范围内。
121.此外，喷淋溶液中可以包含一些盐，盐的非限制性实例包括nacl、mgcl2、nah2po4、na2hpo4或其组合。喷淋溶液中盐的浓度范围可以为0.001m至0.5m(或0.01m至0.2m)。将盐添加到喷淋溶液中作为ph缓冲液，为蛋白脂质体和蛋白脂质体中的蛋白质水通道(例如水通道蛋白)提供更有利的环境。
122.用于界面聚合的单体选自用于水性单体的多官能胺和用于有机单体的多官能酰氯或聚磺酰氯。
123.多官能胺的非限制性实例包括邻苯二胺(opd)、间苯二胺(mpd)、哌嗪等。这种单体的浓度可以在0.001wt％至10wt％(或0.01wt％至5wt％)的范围内。
124.多官能酰氯或聚磺酰氯的非限制性实例包括均苯三甲酰氯(tmc)、1,5
‑
萘
‑
双磺酰氯等。这种有机单体的浓度可以在0.00001wt％至2wt％(或0.001wt％至1wt％)的范围内。
125.将胺类溶于水，将多官能酰氯或聚磺酰氯溶于有机溶剂，例如正己烷、环己烷、异链烷烃(isopar)系列等。将其他添加剂分别选择性地添加到水性单体溶液或有机单体溶液中，以修饰保护沉积在膜基材上的蛋白脂质体的选择性层的水渗透率和溶质截留率，其中添加剂选自：(i)有机小分子和/或大分子；和(ii)表面活性剂，例如，十二烷基硫酸钠(sds)、e
‑
己内酰胺(cl)、三乙胺(tea)或其组合，以及正辛基
‑
p
‑
d
‑
葡萄糖苷、正辛酰基蔗糖、正壬酰基蔗糖、正癸酰基蔗糖或其组合。
126.基于水通道蛋白的薄膜复合膜的后处理可以是化学方法或物理方法，例如但不限于涂覆、接枝、加热、暴露于紫外线、逐层组装等。后处理的目的是进一步交联聚酰胺层，从而改善所得的膜的防污性能。一个示例是涂覆和接枝乙烯加聚物材料，例如聚乙烯醇(pva)、聚乙烯胺(pvm)、聚(丙烯酰胺)(paam)和/或其衍生物，其中它们的浓度可以在0.01wt％至50wt％(或0.05wt％至20wt％)的范围内。在另一个示例中，可以使用羧酸加聚物，例如聚丙烯酸(paa)、聚(甲基丙烯酸)(pmaa)和/或其衍生物，其中它们的浓度可以在0.01wt％至50wt％(或0.05wt％至20wt％)的范围内。在另一个示例中，无机盐，例如nacl、mncl2、nabr、cacl2等，可以存在于涂覆溶液中，其中它们的浓度可以在0m至2.5m(或0.3m至1m)的范围内。涂覆溶液中存在的此类盐可能对交联有影响。戊二醛、马来酸和/或其衍生物可以作为交联剂存在于涂覆溶液中，其中它们的浓度可以在0.001wt％至50wt％(或0.01wt％至20wt％)的范围内。
127.在涂覆过程中，膜可以被浸泡、喷淋、浸入涂覆溶液中一定时间，从几秒到几天不等(例如10秒到24小时)。必须监控涂覆过程中和涂覆后的温度。涂覆过程中的温度范围为15℃至90℃(或20℃至70℃)。涂覆后的温度范围为40℃至120℃(或50℃至80℃)，时间应为约几秒至几小时(或10秒至1小时)。
128.实施例6：结果与讨论
‑
dopc脂质体和蛋白脂质体的特征
129.透射电子显微镜(tem)图像(图3a和图3b)分别显示出了干燥的脂质体和蛋白脂质体的形态。成功自组装了脂质体的球形空心结构，其平均尺寸约为100nm。然而，蛋白脂质体
的尺寸似乎只有约50nm并聚集在一起。脂质体和蛋白脂质体的表观尺寸小于由dls获得的尺寸(下表1)。应该注意的是，tem样品制备过程中的干燥程序可能会导致囊泡的脱水和收缩，这导致在tem下观察时直径较小。
130.表1：dopc脂质和蛋白脂质体的停流和dls结果
[0131][0132]
对于停流实验条件，所用的nacl溶液的渗透压为993mosm/l，含有囊泡的pbs缓冲溶液的渗透压为281mosm/l。停流测量通过混合等体积的驱动液和囊泡来进行，这使得整个囊泡的渗透压差为356mosm/l。
[0133]
不同蛋白质脂质比(protein to lipid ratio)(摩尔比，简称plr)的脂质体、蛋白脂质体的尺寸和水渗透率示于表1。总体而言，所有囊泡(即脂质体和蛋白脂质体)的尺寸范围为80nm至120nm，并且尺寸分布非常窄，这从多分散指数小(polydispersity index，pdi＜0.2)可以看出。由于脂质双层的不渗透性，脂质体仅表现出13 1/s的k(囊泡收缩的动力学速率常数)和0.0092cm/s的水渗透率。相反，由于活性aqp的高水渗透率，蛋白脂质体显示出更高的k值和水渗透率。通过增加所得膜中掺入的aqp(即增加plr)，水渗透率先增加，并在plr增加到1:100时出乎意料地降低。较高的plr有助于增加囊泡内aqp的量。另一方面，进一步增加plr可能会导致堆积缺陷并得到适用于要求较低的分离过程的膜。因此，例如，在应用蛋白脂质体制备后续膜样品时，选择的plr为1:200。
[0134]
实施例7：结果与讨论
‑
abm膜的特性
[0135]
其上喷涂有脂质体或蛋白脂质体的膜基材表面的fesem图像如图4所示。顶行图像示出了基于浓度为10mg/ml的脂质体溶液，喷淋有不同量的脂质体的膜基材表面。
[0136]
通常，观察到具有10nm孔径的光滑膜基材表面。当增加脂质体的量时，观察到基材表面的孔隙较少，特别是对于喷涂有20mg脂质体的基材，观察到脂质体聚集。
[0137]
另一方面，发现涂覆有蛋白脂质体的基材具有更严重的聚集(图4中的第二行图像)，这与tem中的观察一致(参见图3a和图3b)。使用较少量的蛋白脂质体用于喷淋涂覆，在基材上发现了尺寸约为100nm的分散的蛋白脂质体。当涂覆量超过3.2mg时，蛋白脂质体开始聚集。对喷涂20mg的蛋白脂质体观察到最严重的聚集。更严重的聚集可能是由蛋白质水通道(例如水通道蛋白)的细胞外负电荷引起的，因为当水通道蛋白掺入dopc脂质中时会形成带负电荷的囊泡。dopc脂质体的zeta电位约为
‑
2mv，而本蛋白脂质体的zeta电位约为
‑
15mv。带更多负电荷的囊泡趋向于使与疏水性聚砜膜基材接触的表面积最小化以提供最低的表面能。因此，对于喷涂有蛋白脂质体的膜基材，观察到更多的聚集和更粗糙的表面。
[0138]
在基材上进行界面聚合反应后，成功形成了聚酰胺层(图5)。典型的“谷峰”结构出现在顶表面，随着聚酰胺层覆盖囊泡，囊泡(即脂质体和蛋白脂质体)消失。在图5的顶行图
像中，对于掺入不同量的脂质体的膜，可以观察到微不足道的表面形态变化。然而，在使用3.2mg蛋白脂质体的膜顶表面处发现了更大的叶状结构和更开放的结构(参见图5的底行图像)。这种更大的叶状结构和更开放的结构可能是由于额外的mpd在界面聚合的二级机制(即减缓和扩散受限的生长机制)中与tmc反应。在界面聚合的初始机制(即初期成膜)期间，蛋白脂质体的严重聚集可能在致密的聚酰胺选择性层中在沉积的水性单体和聚砜基材之间形成的界面附近提供了更多缺陷。此类缺陷导致mpd从水性单体相扩散到有机单体相中，然后沉积。此后，所得的膜的盐渗透率显著更高。
[0139]
实施例8：结果与讨论
‑
abm膜的反渗透(ro)性能
[0140]
使用10mm nacl作为进料溶液，在10bar(1mpa)的施加压力下评估该abm膜的ro性能。水渗透率(a)、溶质(或盐)截留率(r)和溶质渗透率(b)分别示于图6a至图6c。如图6a所示，不含脂质体和蛋白脂质体的空白膜对照的a为2.6l/m2.h.bar。掺入蛋白脂质体后，a随着负载量的增加而增加，直到使用的蛋白脂质体量达到4mg。之后，当蛋白脂质体的量增加到20mg时，a急剧下降。作为对照样品，将相同量的脂质掺入膜中并在相同条件下进行评估。在少量脂质(即0.8mg)下，与空白对照相比，显示出类似的a。随着脂质的量的增加，由于脂质的不渗透性质，观察到较低的a。
[0141]
在图6b中，示出了所有膜的溶质截留率。空白膜对照的r为97.5％。随着脂质的量的增加，脂质膜对照的r先保持不变，然后当量超过3.2mg时急剧下降。这与fesem图像(图5)一致，其中基材表面上的大量脂质导致更多的聚集。这种聚集会导致聚酰胺层上较多的缺陷并导致较低的r。
[0142]
另一方面，在将蛋白脂质体掺入膜后，发现蛋白脂质体的用量较低(即0.8mg和1.6mg)时，r值较高。aqp特异地允许水通过通道并以近100％的截留溶质。根据ro膜的溶液扩散机制，较高的a也导致r增加。这些有助于本abm膜在较低用量下具有较高的r。然而，在超过3.2mg时，本abm膜的r变得低于相应的脂质膜对照，即便本abm膜的a远高于脂质膜对照的a(图6a)。这可能是由于蛋白脂质体在较高量时聚集较差(图4)，导致聚酰胺层中较多的缺陷并导致较低的r。
[0143]
溶质渗透率(b)是所得的膜的固有特性之一，其特别与膜的物理特性有关，而不管测试条件如何。所有膜的b列于图6c中。总的来说，发现无论脂质的用量如何，脂质膜对照中都具有相似的b值。这可以表明脂质和聚酰胺层之间具有良好的相容性。发现由于aqp具有出色的水传输和盐截留特性，在蛋白脂质体的用量较低(即0.8mg和1.6mg)的情况下，本abm的b略低。然而，进一步增加蛋白脂质体的量会导致更高的b值。如图5所示，蛋白脂质体似乎更容易聚集在基材表面，尤其是当负载量较大时。严重的聚集不仅会导致缺陷，还会改变聚酰胺结构。
[0144]
实施例9：结果与讨论
‑
与其他abm膜的比较
[0145]
基于上述等式(1)至(3)，膜的固有参数(即a、b、b/a)总结在图7中。此外，还列出了测试条件(即施加的压力和膜面积)、脂质和蛋白脂质体的浓度。通常，例如在将aqpz掺入膜后，发现与相应的膜对照相比，水渗透率a更高且盐截留率更高。对于abm ro膜，平片和中空纤维构型均显示出更高的nacl截留率。通常，中空纤维abm往往具有比平片abm(约4lmh/bar)高得多的a值(约8lmh/bar)，而由于施加的压力较低，中空纤维abm的盐截留率往往较低。根据图7，与中空纤维abm相比，根据本公开的方法和系统制造的abm实现了相当的或甚
至优异的a值，具有即使在高操作压力下也能操作并实现更高的盐截留率的能力。
[0146]
此外，由于向膜中掺入aqp增加了ro膜的成本，因此在评估用于大规模生产膜的制备技术的可扩展性时，必须考虑膜制备过程中aqp的用量。aqp消耗量可以根据脂质的消耗量和lpr(脂质蛋白质比)来计算。已知dopc脂质的平均摩尔量约为786g/mol，大肠杆菌(e.coli)脂质的平均摩尔量约为744g/mol，aqpz的平均摩尔量约为24524g/mol。因此，粗略地计算了不同类型abm的aqpz消耗量并在图7中列出。与传统的界面聚合相比，在本方法中用于制造具有相当甚至优异性能的所得膜的aqpz消耗量显著减少。例如，本方法仅需要5％的aqp量即可产生具有与常规产生的膜相似性能的abm。很明显，通过本方法实现了在膜基材表面上高效负载蛋白脂质体。同时，已报道的常规界面聚合涉及将膜基材浸入含有蛋白脂质体的溶液中，这不利地需要过量体积的蛋白脂质体和溶液甚至均匀地覆盖膜基材的整个表面，导致浪费地消耗水通道蛋白。通过本方法低消耗水通道蛋白转化为巨大的成本节约，从而证实了本方法的成本效益和膜的大规模生产的有利潜力。
[0147]
实施例10：各种方法的比较
[0148]
本方法包括将蛋白脂质体喷淋在膜基材上，然后沉积水性单体和有机单体进行界面聚合以在其上形成选择性层(由这些步骤形成的膜标记为abm_2)。本方法可包括将水性单体沉积在膜基材上，然后喷淋蛋白脂质体，然后使水性单体与有机单体接触以进行界面聚合(由这些步骤形成的膜标记为abm_1)。对第三种方法进行了测试，第三种方法是将蛋白脂质体与水性单体混合，然后与有机单体接触(由这些步骤形成的膜标记为abm_3)。这三种方法的步骤和结果分别总结在下表2a和表2b中。
[0149]
表2a
‑
三种方法中步骤的比较
[0150][0151]
除了上述之外，还测试了混合蛋白脂质体和有机单体之后与水性单体接触的另一种方法。然而，蛋白脂质体导致有机单体沉淀，这损害了界面聚合形成选择性层。这表明水性单体溶液可含有蛋白脂质体，但不能含有有机单体溶液。
[0152]
从表2b中的结果可以看出，改变程序的顺序(即在喷淋前浸泡水性单体溶液)在性能方面没有产生显著差异(abm_1和abm_2)。喷淋含有蛋白脂质体的水性单体溶液得到了较低的水渗透率和溶质截留率(abm_3)。abm_3的步骤可能适用于制造用于不需要高渗透性和溶质截留率的处理过程的掺入水通道蛋白的膜。
[0153]
表2b
–
膜性能比较
[0154][0155]
结果基于三次重复的平均值。换句话说，abm_1的结果是经过3次试验后获得的。abm_2的结果是经过3次试验后获得的。abm_3的结果是经过3次试验后获得的。
[0156]
测试条件包括使用nacl浓度为2000ppm的nacl溶液，15.5bar(1.55mpa)的施加压力，0.52l/min的流速，以及0.1m/s的横向流速。
[0157]
对于abm_1和abm_2，aqp
‑
dopc蛋白脂质体的浓度(基于400:1的脂质蛋白质比)为10mg/ml，其中存在0.25wt％的og。对于abm_3，aqp
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dopc蛋白脂质体在mpd溶液中的浓度为3.3w/v％。对于水性单体溶液，使用2.0w/v％mpd，对于有机单体溶液，将0.15w/v％tmc溶解在正己烷中。使水性单体溶液与膜基材表面接触3分钟，同时将有机单体溶液倒在膜表面上30秒。
[0158]
实施例11：总结
[0159]
在本公开中，开发了通过本喷淋方法制造的基于水通道蛋白的仿生膜(abm)。将掺入aqpz的蛋白脂质体喷淋在平片膜基材表面，然后固定在通过界面聚合(ip)形成的聚酰胺层中。所得的膜的特征总结如下。
[0160]
根据停流和dls测量结果，较高的plr增加了所得的膜的水渗透率。增加脂质体囊泡中蛋白质水通道(例如水通道蛋白)的负载会增加plr。然而，这导致了蛋白脂质体的聚集，并最终测得了在plr高达1:100下的水渗透率。
[0161]
喷淋在基材表面上的蛋白脂质体的量极大地影响了所得的abm膜的形态和性能。高负载量导致蛋白脂质体在基材表面严重聚集，这大大增加了膜表面粗糙度，从而由于形成缺陷而影响膜溶质截留率。
[0162]
与传统方法产生的abm相比，本方法制造的abm实现了更高的水渗透率。与中空纤维abm相比，本发明的abm具有相当甚至更优异的水渗透率，具有在更高的压力下操作的能力并产生更高的盐截留率。
[0163]
通过本喷淋技术实现了将蛋白脂质体高效负载到膜基材表面上。喷淋法只需要5％的aqp量即可产生与报道的abm性能相似的abm。这样低的aqp消耗转化为巨大的成本节约，这可能恰恰源于蛋白质水通道(水通道蛋白)的产生，证实了本方法用于大规模生产的潜力和成本效益。
[0164]
在平片膜上制造薄膜复合层的本方法的示例可以包括步骤：将蛋白脂质体溶液喷淋在平片膜基材上；使用惰性气体干燥蛋白脂质体涂覆的平片膜基材；将蛋白脂质体涂覆的平片膜浸泡在第一单体(水性)溶液间苯二胺(mpd)中；使用惰性气体干燥mpd
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蛋白脂质体涂覆的平片膜；以及使mpd
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蛋白脂质体涂覆的平片膜与第二单体(有机)溶液均苯三甲酰氯(tmc)反应以在其上形成薄膜复合层。
[0165]
蛋白脂质体溶液可包含具有水通道的脂质体囊泡。例如，脂质体的膜可由脂质和水通道蛋白(aqp)构成，其中aqp形成蛋白质水通道。
[0166]
虽然已经参照具体实施方式特别示出和描述了本发明，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的前提下，可以对形式和细节进行各种改变。因此，本发明的范围由所附权利要求限定，因此，应该涵盖落入权利要求的等同物的含义和范围内的所有改变。