上海交大董瑞蛟团队与合作者共同开发可用于药物精准筛分的有序多孔纳米膜制备新策略

  近日，最新一期的Nature杂志报道了上海交通大学系统生物医学研究院董瑞蛟团队与伦敦玛丽皇后大学/帝国理工学院江志伟、Andrew Livingston团队的一项合作研究成果Aligned macrocycle pores in ultrathin films for accurate molecular sieving，该研究开发了一种新策略将大环分子有序排列制备出厚度小于10纳米的超薄膜，实现了膜孔的精准控制及药物分子的精准筛分，为拓展多孔膜在药物分离中的应用提供了新思路。论文第一作者为伦敦玛丽皇后大学的江志伟研究员和上海交通大学的董瑞蛟副教授，通讯作者为伦敦玛丽皇后大学/帝国理工学院的Andrew Livingston教授。

  在化工、石油、制药等工业应用中，45-55%的能耗都用于分离过程。相较于传统分离工艺，膜分离更加节能、环保，能节约80%以上的能耗，但应该要依据不同应用环境来调控膜的孔径。比如在制药提纯中，杂质与产物之间的分子尺寸差别可能小至数个埃米（0.1纳米），这就需要在亚纳米尺度上精准控制膜孔径，以达到两者的精细分离。然而，由于聚合物膜的无定形性，使其没办法形成规整的膜孔。其孔结构也会在不同压力下、溶剂中及长时间的使用后出现坍塌、溶胀、变形，影响分离性能。因此，在埃米级别对膜孔径进行精准调控一直是个难题。

  为了解决这一难题，研究者以大环分子（环糊精，CD）作为构建单元，将CD一端羟基选择地改性为高活性的氨基，通过柔性的聚氨酯长链接在大环分子上，而其另一端的官能团保持不变。首先，柔性的氨酯连接键有效减弱了分子内氢键作用，极大增加了大环分子的水溶性。其次，改性后的氨基可在中性条件下与油相中的酰氯直接反应，无需强碱触发反应。与此同时，中性条件下避免了CD下端羟基的去质子化，难以参与界面聚合，而高活性上端氨基将会优先与油相的酰氯反应，诱导CD自发地上端氨基朝上向油相、下端羟基朝下向水相“站立”起来，从而在水油界面有序排列起来进一步交联形成有序多孔纳米膜（图1a）。通过这一种策略，CD的内腔就能连接起来形成膜孔，对相近尺度的分子进行精准筛分（图1b）。

  本文采取了两步法制备复合纳米膜，先在自由界面上聚合形成自支撑的聚酰胺膜分离层（图2a, b），而后将其转移至基底上形成复合膜（图2c）。一方面，自支撑的纳米膜便于测量其诸多性能，包括膜厚及化学成分等；同时，在自由界面聚合过程中，水相能有效疏散放热反应中的热量，维持界面稳定。因此，这种策略能有效控制膜厚，将其降至10纳米以下（图2d, e），比一步法成膜的厚度降低了一个数量级。

  为了研究纳米膜中CD大环的排列结构，首先利用原位掠入射广角X射线散射（GI-WAXS）对自支撑的超薄膜进行了分析。根据结果得出，在平面和垂直方向都出现了散射峰，证明了CD在膜内以垂直于基底平面的方向有序排列（图2f, g）。同时，采用高真空原子力显微镜（UHV-AFM）表征了膜表面形貌（图2h），经过测量膜表面上两个波峰之间的距离进一步得出膜孔大小，约为0.6纳米，与β-CD上端开口大小的理论值0.61纳米一致（图2i）。在界面聚合中使用小、中、大三个不同大小内腔的CD单体，能对应地形成从小到大的膜孔径分布（图2j），从而在埃米尺度上控制膜孔直径。长久以来，对埃米大小的膜孔进行直接观测是一个难题，而本文中由于CD固有的内腔可在真空环境下维持其腔体结构，且在有序排列下将上端开口朝向膜表面，进而首次实现了对埃米及膜孔的直接观测。

  有序对齐排列的膜孔能有效地降低分子在膜孔内的传质阻力，以此来实现相近尺寸分子间的精准筛分。首先，通过更换交联分子、上下翻转膜以及调控膜厚度等三个方面系统评估了CD排列结构对膜分离性能的影响。首先，利用均苯三甲酰氯（trimesoyl chloride, TMC）取代了对苯二甲酰氯（terephthaloyl chloride, TPC）参与界面聚合制备了无序排列的纳米膜，XRD证实了无序纳米膜不存在散射峰。相比之下，有序纳米膜展现了更高的极性溶剂（如甲醇）的通量，而无序纳米膜则有更高的非极性溶剂（如庚烷）的通量（图3a）。同时，有序排列的膜孔径与CD内腔的小端尺寸一致，与其截留分子的尺寸相当，而无序纳米膜具有更大的传质阻力，可截留更小的分子，没办法实现精准分离的目的（图3b）。其次，将自支撑膜上下翻面，由于其背面富含羟基，其表面更加亲水，因而有更高的极性溶剂通量（图3c, d）。最后，通过改变CD单体在界面反应中的浓度，可在6至20纳米范围内精准调节膜厚。GI-WAXS显示，散射峰的强度会随着膜厚度变薄而增强（图3e），证实了CD在薄膜中具有高度有序的排列结构（图3f）。根据结果得出，这类有序多孔纳米膜展现出了埃米级精准分离的能力（图3g），这也使得这些有序排列的CD膜比其他膜具有更高的分子选择性（图3h）

  为了进一步阐明这类有序多孔纳米膜在高的附加价值药物分离中的重要性，研究者选用了提纯二酚（cannabidiol, CBD）作为一个示范案例。CBD是从植物中提取的纯天然分子，对癫痫、焦虑都有明显的治疗、缓解作用。CBD的提纯需要将其在乙醇萃取溶剂中与其他杂质分离出来，杂质中既包括叶绿素（chlorophyll）、β胡萝卜素这样的大分子，也包括柠檬烯（limonene）这样的小分子，它们都与CBD有相近的分子大小，因此对它们的分离需要将膜孔精准地控制在CBD与杂质分子的尺寸之间，而这也恰恰是有序排列大环分子膜的优势。研究者利用两级膜分离过程提纯CBD，第一级选用较大孔径的膜将叶绿素与CBD、柠檬烯分离，第二级则选用较小孔径的膜将CBD与柠檬烯分离（图4a）。第一级中，有序排列CD膜成功分离了叶绿素（图4b）。在第二级中，有序排列CD膜展示了比商用膜高一个数量级的乙醇通量（图4c），并且对CBD的提纯度达到了商用膜的三倍（图4d）。

  精准可调孔径的膜材料是拓展膜在精细分离过程中应用场景范围的必备条件。多孔材料，如大环分子，在制造和调控膜孔上比传统聚合物更具优势。然而如何将多孔材料有序交联形成无缺陷的膜，有效将其固有的空腔转化为膜孔，并将其联通成为传输分离的通道，是必须克服的难题，本文则为此提供了一个新思路。