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淀粉样自组装膜的高效分子分离和透析应用 发布者:田伟发布时间:2019-01-03 17: 16: 39浏览次数:

高效膜分离是现代科学技术追求的目标。 透析是膜分离中的一类重要应用。 常用的有机聚合物透析膜通常表现出诸如厚膜厚度,复杂孔隙和低扩散速率的缺陷,导致透析时间长和使用期间选择性差。 与这些合成材料相比,无处不在的生物膜分离的特征在于快速和高效。这种生物膜分离通常通过功能性生物大分子(例如通道/泵蛋白和S-层糖蛋白)的聚集和组装来实现。 然而,在实际应用中,如何快速且经济地制备(例如大面积和高效率)超薄仿生分离膜仍然是一个巨大的挑战。

由生物大分子(例如具有β-折叠结构的肽和蛋白质)作为核心形成的淀粉样蛋白是自然界中存在的重要的生物聚合物组装结构。 在国家自然科学基金和其他项目的支持下,十大网赌网址杨鹏集团此前曾报道二硫键三(2-羧乙基)膦(TCEP)迅速打开溶菌酶分子中的二硫键。解锁α-螺旋结构并诱导相转移溶菌酶(PTL)纳米膜组装成自发转化为较低能量的β-折叠。聚集条件温和,可控,快速,并且材料和工艺成本低。大大减少(Adv.Mater.2016,28,7414; Biomater.Sci。2018,6,836)。 该膜表现出优异的生物相容性,高界面粘合稳定性,丰富的界面官能团和组装形态(Adv.Mater.2016,28,579; Angew.Chem.Int.Ed.2017,56,9331; Angew.Chem.Int.Ed。 。2017,56,13440; Adv.Mater.1208,30,1802851; Adv.Mater.1208,1803377; Adv.Funct.Mater.2017,28,1704476; ACS Appl.Mater.Interfaces 2017,9,198),预计将应用于分离膜领域。基于上述研究,进一步的研究发现,基于蛋白质的纳米膜可以用作与戊二醛交联后的透析和超滤膜分离。 通过在气 - 液界面处蛋白质淀粉样蛋白转变的早期阶段形成的纳米尺寸球形低聚物的聚集形成膜,并且不同低聚球体的聚集之间的间隙提供用于有效分子和胶体分离的天然纳米孔。 。 可通过改变蛋白质浓度来调节膜厚度和孔径(图1)。

图1.交联蛋白膜的制备和表征

基于蛋白质的纳米膜可以通过简单转移到商业聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)核孔膜(孔径10微米)来使用。 通过对不同分子量聚乙二醇(PEG)的膜排斥和膜的BET试验,详细研究了不同厚度膜的孔径分布。随着膜厚度从50nm增加到250nm,膜的孔径从3.2减小到3.2。在1.8nm处,相应膜的截留分子量从18kDa降至1kDa(图2)。

图2.不同厚度的蛋白质膜的孔径分布和分子保留。

对于厚度为50nm(孔径:3.2nm)的膜,可以完全捕获尺寸大于3nm的分子,并且当分子大小为2-3nm时,截留率为20-80%;小于2nm的分子可以是完全可渗透的。 。 在浓度差异的驱动下,膜选择性地分离不同大小的混合染料(甲基蓝和甲基橙)和混合蛋白(胰岛素和肌红蛋白)。 与普通分离膜相比,纳米超薄膜将小于2 nm的分子的传质速率提高了一到四个数量级(图3)。

图3.通过50nm厚的蛋白质膜保留不同大小的分子并分离混合和混合蛋白

通过模拟血液透析,发现超薄纳米薄膜厚度有助于快速和有效地透析毒素。 例如,膜在透析4小时后对小分子,中分子量尿毒症毒素及其蛋白质结合毒素具有良好的去除效果,单位面积的去除率是其他常用有机透析的5-6倍。膜(图4)。

图4.蛋白质膜模拟血液透析清除尿毒素

此外,该膜可用作超滤膜,以在压力(例如,100kPa)下快速分离不同尺寸的染料,蛋白质和纳米颗粒(图5)。

图5.通过压力驱动的蛋白质膜分离混合染料,混合蛋白及其不同大小的金纳米粒子

该膜制备方法简单,易于操作,并有望实现大规模制备。 该研究结果为仿生分离膜的设计和制备提供了新思路。

上述工作在综合性期刊“自然通讯”上发表。 论文的第一作者是博士。学生杨培瑞,传播作者是杨鹏教授,十大网赌网址是唯一的通讯作者单位。 该项目由国家自然科学基金(No.51673112,21875132)等项目资助。

链接到论文:https://doi.org/10.1038/s41467-018-07888-2

杨培瑞,费涛,陈莉,高凌翔,彭阳*,由淀粉样蛋白组成的自组装膜,用于有效的大小选择性分子分离和透析。纳特。 COMMUN。 2018年,DOI: 10.1038/s41467-018- 07888-2

研究团队简介:

十大网赌网址化学化工十大网赌网站杨鹏集团成立于2012年底,隶属于应用表面与胶体化学重点实验室。其主要的学术贡献是基于蛋白质样淀粉样蛋白界面的聚集和粘附,以及一种新型的界面界面粘附和化学设计系统,有望取代多酚如聚多巴胺的界面交联。 已经在Nature Commun。 (1),Chem。 Rev.(1),J。Am。化学。 SOC。 (1),Adv。母校。 (4),Angew。化学。诠释。埃德。 (2),Adv Funct。母校。 (2)在期刊上发表了50多种期刊和研究论文。

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