智能膜對(duì)傳質(zhì)和反應(yīng)與分離過程的調(diào)控

謝銳，巨曉潔，汪偉，劉壯，褚良銀

（四川大學(xué)化學(xué)工程學(xué)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(fā)而開發(fā)的新型膜材料，它能夠感知外界微小的化學(xué)、物理刺激并做出響應(yīng)，同時(shí)改變自身的表面特性和膜孔構(gòu)象，從而改變跨膜滲透性或選擇性等參數(shù)。因此，智能膜在化學(xué)/生物分離、水處理、組織工程、化學(xué)傳感器、化學(xué)物質(zhì)/藥物的控制釋放等領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用價(jià)值[1-3]。

智能膜是由非響應(yīng)性的膜材料和具有環(huán)境刺激響應(yīng)的智能聚合物（即智能開關(guān)）組成。智能開關(guān)聚合物鏈的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)、物理結(jié)構(gòu)以及在膜材料中的分布位置等因素直接決定智能膜的環(huán)境刺激響應(yīng)性能，而這些因素很大程度上取決于智能膜的構(gòu)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(gòu)建方法[1-2]、響應(yīng)特性改善與調(diào)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(xiàn)已逐步探明可控構(gòu)建智能膜方法的機(jī)理、規(guī)?；苽涞穆肪€，同時(shí)智能膜的響應(yīng)性、穩(wěn)定性和可重復(fù)性也日趨優(yōu)良。在此研究基礎(chǔ)上，研究者開始將目光轉(zhuǎn)向利用智能膜實(shí)現(xiàn)可控、高效的智能膜過程等方面。

物質(zhì)的傳質(zhì)、分離與反應(yīng)是化工、制藥等領(lǐng)域的重要操作過程。將性能穩(wěn)定、響應(yīng)特性優(yōu)良的智能膜用于物質(zhì)傳質(zhì)、分離與反應(yīng)過程調(diào)控可以實(shí)現(xiàn)高效、易于操控的操作過程，實(shí)現(xiàn)可控的化學(xué)物質(zhì)/藥物控制釋放、化學(xué)/生物分離等重要應(yīng)用。本文將對(duì)近年來有關(guān)智能膜用于跨膜傳質(zhì)過程的調(diào)控、親和分離過程的調(diào)控和強(qiáng)化、催化反應(yīng)過程速率的調(diào)控等方面的研究進(jìn)行較全面的綜述。

1 跨膜傳質(zhì)過程的調(diào)控

通常，研究者將智能高分子開關(guān)（可以是交聯(lián)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(jié)合到膜材料中，得到能夠響應(yīng)不同外界信號(hào)刺激的智能開關(guān)膜。利用智能開關(guān)響應(yīng)外界刺激信號(hào)發(fā)生構(gòu)象變化的特性，可控調(diào)節(jié)物質(zhì)擴(kuò)散的跨膜阻力，從而實(shí)現(xiàn)跨膜傳質(zhì)系數(shù)的智能調(diào)控。

1.1 響應(yīng)溫度刺激的跨膜傳質(zhì)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(xì)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(lián)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(shù)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(guān)在環(huán)境溫度高于低臨界溶液溫度（LCST）時(shí)收縮，此時(shí)在海藻酸鈣囊膜中出現(xiàn)暢通的跨膜傳質(zhì)通道，類似于膜孔處于“開啟”狀態(tài)；而在低于LCST 時(shí)PNIPAM 凝膠溶脹，此時(shí)跨膜傳質(zhì)通道減少，跨膜阻力增大，類似于膜孔“關(guān)閉”。利用溶質(zhì)分子進(jìn)行跨膜擴(kuò)散實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guān)特性。隨著PNIPAM 納米凝膠的含量增加，溶質(zhì)分子透過囊膜的擴(kuò)散系數(shù)在低溫25℃時(shí)保持不變，而在高溫40℃時(shí)明顯增加，因此微囊膜的溫敏開關(guān)系數(shù)（即高溫和低溫?cái)U(kuò)散系數(shù)之比）也增加。系統(tǒng)研究不同溶質(zhì)分子透過海藻酸鈣微囊膜的擴(kuò)散過程發(fā)現(xiàn)，溶質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量對(duì)微囊膜的溫敏開關(guān)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(duì)相對(duì)分子質(zhì)量與溫敏開關(guān)匹配的溶質(zhì)分子PEG2000的溫敏開關(guān)系數(shù)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(yīng)器、固定化細(xì)胞或酶的生物反應(yīng)器、化學(xué)物質(zhì)的控制釋放以及食品與化妝品的包囊方面具有潛在的應(yīng)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(fā)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(guān)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(lián)開關(guān)和PNIPAM 核的共同作用，模型藥物羅丹明B 和VB12 的跨膜擴(kuò)散系數(shù)可以由環(huán)境溫度調(diào)控。在溫度高于體積相變溫度（VPTT）時(shí)，由于PNIPAM 核及殼層中的PNIPAM 開關(guān)收縮導(dǎo)致微球殼層中孔穴處于“打開”狀態(tài)，因此藥物分子的傳質(zhì)速率比低溫時(shí)快得多。高溫和低溫時(shí)VB12 分子通過膜層的傳質(zhì)速率之比可以高達(dá)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(yīng)特性，有望用于藥物控制釋放領(lǐng)域。

1.2 響應(yīng)葡萄糖濃度的跨膜傳質(zhì)過程

Zhang 等[11]以毛細(xì)管微流控技術(shù)制備的O/W/O復(fù)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(yīng)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(yīng)性3-丙烯酰胺基苯硼酸（AAPBA）基團(tuán)的溫敏性PNIPAM 凝膠骨架構(gòu)成，并引入親水性的聚丙烯酸（PAAc）調(diào)節(jié)微囊的最適葡萄糖響應(yīng)溫度。研究結(jié)果表明，該微囊在37℃下具有良好的葡萄糖響應(yīng)性，能夠響應(yīng)生理血糖濃度范圍內(nèi)的葡萄糖濃度變化（0.4～3.0 g·L-1），同時(shí)表現(xiàn)出可逆的、可重復(fù)的溶脹-收縮體積相變特性?；谠撐⒛覂?yōu)良的葡萄糖響應(yīng)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(jié)果表明，微囊的葡萄糖響應(yīng)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(dāng)葡萄糖濃度為0.4 g·L-1，F(xiàn)ITC-胰島素以緩慢的速率從微囊中透過囊膜擴(kuò)散而釋放出來；當(dāng)葡萄糖濃度由0.4 g·L-1迅速升高至3.0 g·L-1時(shí)，由于微囊囊膜響應(yīng)葡萄糖濃度變化發(fā)生溶脹，導(dǎo)致囊膜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)孔增大，從而使得FITC-胰島素分子透過囊膜的擴(kuò)散阻力減小、釋放速率增快。這種具有葡萄糖響應(yīng)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(duì)FITC-胰島素的葡萄糖響應(yīng)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(yīng)特異分子的跨膜傳質(zhì)過程

將智能高分子鏈和具有分子或離子識(shí)別特性的主體分子（如環(huán)糊精、冠醚等）結(jié)合在膜基材上可以得到環(huán)境刺激響應(yīng)的分子識(shí)別型智能膜。此類膜系統(tǒng)中的智能高分子鏈充當(dāng)“執(zhí)行器”（actuator），而分子或離子識(shí)別主體分子則為“傳感器”（sensor）。研究表明，分子識(shí)別型智能膜的分子識(shí)別能力和智能高分子鏈的環(huán)境刺激響應(yīng)性能是相互影響和促進(jìn)的。例如，由于β-環(huán)糊精（β-CD）與客體分子的包結(jié)常數(shù)的大小很大程度上取決于環(huán)境溫度，因此當(dāng)環(huán)境溫度在LCST 附近時(shí)分子識(shí)別型智能膜對(duì)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(shí)別特異性分子或離子時(shí)，由于客體分子的引入使智能高分子鏈微環(huán)境中的親疏水或電荷發(fā)生變化，從而使其構(gòu)象也發(fā)生變化。例如，當(dāng)分子識(shí)別型智能膜上的冠醚單元識(shí)別Ba2+，PNIPAM 高分子鏈的LCST 升高，如果此時(shí)的環(huán)境溫度正好處于PNIPAM 初始和升高后的LCST 之間，那么PNIPAM 鏈就會(huì)由收縮變?yōu)樯煺?，膜孔由“開”變?yōu)椤瓣P(guān)”[13]。

Yang 等[10]在基于PNIPAM 和β-CD 的線性智能高分子對(duì)客體分子識(shí)別性能研究的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并成功制備了一種同時(shí)具有雙向“開關(guān)”功能的溫敏分子識(shí)別型智能開關(guān)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(huán)糊精）接枝尼龍-6（PNG-ECD-g-N6）膜。該膜的智能聚合物開關(guān)是由PNIPAM 接枝聚合物鏈和懸掛主體分子β-CD 構(gòu)成，它的跨膜擴(kuò)散系數(shù)可以通過改變溫度或客體分子類型來調(diào)控。在一定的環(huán)境溫度下，當(dāng)識(shí)別帶有疏水基團(tuán)的客體分子（如8-苯胺-1-萘磺酸銨鹽，ANS）時(shí)，智能開關(guān)的LCST 向低溫遷移，在環(huán)境溫度不變時(shí)智能開關(guān)表現(xiàn)出分子識(shí)別觸發(fā)的“開”效應(yīng)，即智能開關(guān)聚合物鏈由“伸展”變?yōu)椤笆湛s”；而在識(shí)別帶有親水基團(tuán)的客體分子如2-萘磺酸（NS）時(shí)表現(xiàn)出分子觸發(fā)的“關(guān)”效應(yīng)，智能開關(guān)的LCST 向高溫遷移，智能開關(guān)鏈由“收縮”變?yōu)椤吧煺埂?。該智能開關(guān)膜的溫敏和分子識(shí)別開關(guān)特性和跨膜擴(kuò)散系數(shù)可以通過改變接枝鏈中PNIPAM 溫敏組分與β-CD 分子識(shí)別組分的比例以及兩種組分的接枝率來調(diào)控。Yang 等[14-15]同樣利用PNG-ECD 智能高分子識(shí)別不同客體分子而呈現(xiàn)不同構(gòu)象變化的特點(diǎn)，成功制備了識(shí)別ANS 后收縮和識(shí)別NS 后溶脹釋放內(nèi)載模型藥物的PNG-ECD微囊。研究結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)新型的分子傳感器以及依靠控制溫度來實(shí)現(xiàn)高效的親和膜分離系統(tǒng)提供有價(jià)值的指導(dǎo)。

2 親和分離過程的調(diào)控

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

2.1 親和吸附過程的調(diào)控

智能高分子鏈在外界信號(hào)作用下發(fā)生相變的同時(shí)會(huì)伴隨著親疏水特性的變化，可望實(shí)現(xiàn)環(huán)境信號(hào)可控調(diào)節(jié)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(zhì)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(xué)沉積法由二氧化硅納米小球構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)孔，然后采用等離子體誘導(dǎo)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(jié)構(gòu)膜的斷面SEM 照片。納米結(jié)構(gòu)孔的存在可以強(qiáng)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(dāng)環(huán)境溫度為20℃（低于LCST），PNIPAM 接枝納米結(jié)構(gòu)膜呈現(xiàn)出非常親水表面，接觸角達(dá)到0°；而當(dāng)環(huán)境溫度為40℃（高于LCST），PNIPAM 接枝納米結(jié)構(gòu)膜呈現(xiàn)出超疏水表面，接觸角達(dá)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(fù)性。

圖3 基材和PNIPAM 接枝的納米結(jié)構(gòu) 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(huán)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(jié)構(gòu)膜對(duì)BSA 分子表現(xiàn)出“高于LCST 吸附-低于LCST 解吸”現(xiàn)象，并且通過簡單地調(diào)節(jié)操作溫度就能實(shí)現(xiàn)可逆模型蛋白質(zhì)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(jié)構(gòu)強(qiáng)化PNIPAM 智能膜表面親水/疏水可逆轉(zhuǎn)換，并實(shí)現(xiàn)了蛋白質(zhì)親和吸附的溫度調(diào)控和強(qiáng)化。研究結(jié)果為設(shè)計(jì)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(dǎo)。

圖4 PNIPAM 接枝的納米結(jié)構(gòu)SPG 膜對(duì)BSA 的 動(dòng)態(tài)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(dǎo)接枝法和化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合成功制備了基于PNIPAM 鏈和β-CD 的溫敏分子識(shí)別型智能膜；并利用環(huán)境溫度對(duì)主體分子包結(jié) 常數(shù)的影響，實(shí)現(xiàn)了智能膜對(duì)特異分子溫度控制的吸附/解吸行為。當(dāng)溫度低于接枝智能聚合物開關(guān)的LCST 時(shí)，該智能膜能夠迅速吸附客體分子ANS；而當(dāng)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(shí)別型智能膜對(duì)客體分子表現(xiàn)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(xiàn)象是由于懸掛β-CD 的PNIPAM 高分子鏈的“伸展-收縮”構(gòu)象變化和主體分子β-CD 對(duì)ANS 較強(qiáng)的包結(jié)能力共同作用的結(jié)果。隨著β-CD 含量增加，溫敏分子識(shí)別型智能膜對(duì)ANS 單位吸附量在低溫和高溫的差值越大。環(huán)糊精固載量為10.5 μg·cm-2的智能膜對(duì)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(fù)實(shí)驗(yàn)中，該溫度控制親和吸附過程具有良好的可逆性和重復(fù)性。該研究實(shí)現(xiàn)了通過調(diào)節(jié)溫度顯著、可逆地調(diào)控智能膜對(duì)客體分子的吸附、解吸能力。研究結(jié)果有望為開發(fā)依靠控制溫度實(shí)現(xiàn)新型高效的分子分離過程提供基礎(chǔ)。

2.2 親和手性拆分過程的調(diào)控

Yang 等[18]提出了一種基于PNIPAM 和β-環(huán)糊精的溫敏手性拆分膜（PNG-ECD-g-N6）。巧妙利用分子識(shí)別主體分子β-CD 對(duì)客體分子（色氨酸）的結(jié)合系數(shù)受到PNIPAM 智能聚合物開關(guān)“伸展”或“收縮”構(gòu)象變化而變化的規(guī)律，通過簡單地調(diào)節(jié)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(guān)LCST 溫度下進(jìn)行的，此時(shí)智能開關(guān)聚合物鏈處于伸展?fàn)顟B(tài)，聚合物鏈上的β-CD 分子與客體分子的結(jié)合系數(shù)較大，實(shí)現(xiàn)氨基酸對(duì)映體的高效包結(jié)和分離；而由于在高于LCST 溫度下智能開關(guān)聚合物鏈?zhǔn)湛s使得結(jié)合系數(shù)顯著降低，此時(shí)與β-CD 包結(jié)的對(duì)映體從膜上解吸下來，從而實(shí)現(xiàn)了包結(jié)的對(duì)映體分子的回收（如圖5 所示）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，接枝率和溫度對(duì)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(duì)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(duì)PNIPAM和β-CD 接枝率分別107 和23 mg·cm-2的接枝膜最大達(dá)到3 倍。具有溫敏能力的PNG-ECD-g-N6 膜的解析率優(yōu)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(huán)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(diào)節(jié)。該溫敏手性拆分膜只需要通過簡單地調(diào)節(jié)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(shí)現(xiàn)了一個(gè)新穎、簡單可行的高效對(duì)映體拆分和再生過程，為手性膜拆分技術(shù)的大規(guī)模發(fā)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(yīng)過程速率的調(diào)控

智能膜響應(yīng)外界刺激信號(hào)改變其跨膜傳質(zhì)速率的原因在于，膜基材中智能高分子鏈響應(yīng)外界刺激發(fā)生了構(gòu)象變化，從而改變了跨膜的傳質(zhì)阻力，在傳質(zhì)推動(dòng)力不變的情況下使跨膜傳質(zhì)速率提高。利用這一原理，研究者嘗試將智能膜用于調(diào)控酶催化反應(yīng)過程中底物的傳質(zhì)速率，從而有效地控制酶催化反應(yīng)的速率，甚至實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的“啟/?！笨刂芠19-20]。在酶催化反應(yīng)過程中通常采用固定化酶，以改善游離酶在使用過程中穩(wěn)定性差、重復(fù)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(duì)游離酶進(jìn)行包埋是固定化酶的常見方法。然而，很難獲得兼具良好機(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性、生物相容性和傳質(zhì)性能優(yōu)良的高分子材料用以包埋酶。受到硅藻細(xì)胞壁形成的啟發(fā)，Zhang 等[21]通過仿生硅化技術(shù)，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(jī)械強(qiáng)度，同時(shí)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(shù)結(jié)合制備了海藻酸鈣/二氧化硅復(fù)合膠囊（其二氧化硅層厚度在420 nm～15 μm 之間可調(diào)），并將其成功用于漆酶的固定化。實(shí)驗(yàn)中漆酶由于具有較高的相對(duì)分子質(zhì)量而被限定在海藻酸鈣/二氧化硅復(fù)合膠囊內(nèi)部，而小分子量的底物與產(chǎn)物則可以通過膠囊囊膜進(jìn)行傳質(zhì)。與游離漆酶相比，固定化漆酶的海藻酸鈣/二氧化硅復(fù)合膠囊具有更好的熱穩(wěn)定性、pH穩(wěn)定性、存儲(chǔ)穩(wěn)定性和可逆性。

為了實(shí)現(xiàn)酶催化反應(yīng)過程的調(diào)控，將智能膜引入用于固定化酶的囊膜中，通過智能囊膜對(duì)外界信號(hào)的響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)反應(yīng)過程速率的有效調(diào)控。Mei等[24]在前人的研究基礎(chǔ)上開發(fā)了一種基于海藻酸鈣/精蛋白/二氧化硅的pH 響應(yīng)型酶固定化膠囊，并將其用于酶催化反應(yīng)速率的可控調(diào)節(jié)，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(fù)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(jié)構(gòu)，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(fù)合疏松層組成。其中，由于在不同pH 環(huán)境下海藻酸鈣凝膠網(wǎng)絡(luò)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(fù)合層可呈現(xiàn)pH 響應(yīng)開關(guān)特性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)部酶催化反應(yīng)速率的控制。而外層的二氧化硅致密層起到保護(hù)內(nèi)部海藻酸鈣/精蛋白復(fù)合疏松層穩(wěn)定發(fā)揮pH 響應(yīng)性功能的作用。酶催化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)是在25℃、不同的pH 條件下進(jìn)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(dāng)環(huán)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(shù)pKa）而低于精蛋白的等電點(diǎn)（簡稱pIprotamine=10～12）時(shí)（即pHcritical4.5時(shí)，酶催化反應(yīng)正常進(jìn)行。二氧化硅殼層的壁厚為8.2 μm、海藻酸鈣/精蛋白復(fù)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(dòng)態(tài)催化反應(yīng)速率之比為123，且其pH 控制的酶催化反應(yīng)特性具有良好的可逆性和可重復(fù)性。該pH 響應(yīng)型仿生酶固定化膠囊具有優(yōu)良的環(huán)境pH 控制的酶催化反應(yīng)性能。

圖6 pH 響應(yīng)性酶固定化膠囊的制備步驟及響應(yīng)機(jī)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(dǎo)接枝技術(shù)在囊膜表面引入聚甲基丙烯酸（PMAA）接枝鏈以調(diào)控pH響應(yīng)型酶固定化膠囊的臨界pH，如圖7所示。PMAA的電離平衡常數(shù)（簡稱pKa（PMAA））約為4.65～5.35。表面接枝PMAA 接枝鏈的pH 響應(yīng)型仿生酶固定化膠囊的臨界響應(yīng)pH由未接枝前的4.5調(diào)控至5～6。當(dāng)環(huán)境pH 低于pKa（PMAA）時(shí)，PMAA 聚電解質(zhì)的官能團(tuán)因質(zhì)子化作用而呈現(xiàn)電中性，聚電解質(zhì)鏈段處于收縮構(gòu)象，如圖7（a）所示。此時(shí)，二氧化硅殼層表面將被收縮的接枝鏈所覆蓋，反應(yīng)底物難以透過囊膜進(jìn)入膠囊內(nèi)部，酶催化反應(yīng)無法正常進(jìn)行。當(dāng)環(huán)境pH 高于pKa（PMAA）時(shí)，PMAA聚電解質(zhì)的官能團(tuán)因離解而帶上負(fù)電，由于帶負(fù)電官能團(tuán)之間的靜電斥力作用使得接枝鏈處于伸展構(gòu)象，如圖7（b）所示。此時(shí)，二氧化硅殼層表面的孔隙處于通暢狀態(tài)，反應(yīng)底物可自由進(jìn)入囊內(nèi)部，酶催化反應(yīng)順利進(jìn)行。結(jié)果表明，該膠囊表現(xiàn)出優(yōu)良的pH 響應(yīng)性酶催化反應(yīng)控制性能。當(dāng)pHpKa（PMAA）時(shí)，酶催化反應(yīng)正常進(jìn)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(dòng)態(tài)催化實(shí)驗(yàn)中pH=6 與pH=5 時(shí)的催化反應(yīng)速率之比約為2。這些具有優(yōu)良生物相容性和pH 響應(yīng)性的功能載體在酶固定化、益生菌保護(hù)、藥物控制釋放等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。研究結(jié)果為酶催化反應(yīng)的優(yōu)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(yīng)性酶固定化膠囊的 響應(yīng)機(jī)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(jié)與展望

綜述了近年來有關(guān)智能膜用于跨膜傳質(zhì)過程的調(diào)控、親和分離過程的調(diào)控、催化反應(yīng)過程速率的調(diào)控等方面的研究。

（1）根據(jù)智能開關(guān)響應(yīng)的環(huán)境信號(hào)類型，智能膜可對(duì)環(huán)境溫度、pH、葡萄糖分子、客體分子等信號(hào)做出響應(yīng)，改變智能開關(guān)高分子的構(gòu)象以調(diào)節(jié)物質(zhì)擴(kuò)散的跨膜阻力，在傳質(zhì)推動(dòng)力不變的情況下實(shí)現(xiàn)跨膜傳質(zhì)速率的智能調(diào)控。

（2）在可控調(diào)節(jié)跨膜傳質(zhì)速率的基礎(chǔ)上，將智能膜用于酶固定化系統(tǒng)，可以調(diào)控酶催化反應(yīng)過程中底物的傳質(zhì)速率，從而有效地控制酶催化反應(yīng)的速率，甚至實(shí)現(xiàn)反應(yīng)的“啟/?！笨刂?。

（3）利用智能開關(guān)高分子鏈在外界刺激信號(hào)作用下發(fā)生親疏水特性的變化，可望實(shí)現(xiàn)環(huán)境信號(hào)可控調(diào)節(jié)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(shí)別特性的主體分子（比如環(huán)糊精、冠醚等）結(jié)合在膜基材上可以得到環(huán)境刺激響應(yīng)的分子識(shí)別型智能膜，并利用分子識(shí)別型智能膜的分子識(shí)別能力和智能高分子鏈的環(huán)境刺激響應(yīng)性能的共同作用實(shí)現(xiàn)跨膜傳質(zhì)速率和吸附能力的調(diào)控。

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

[1]Li P F, Xie R, Jiang J C, Meng T, Yang M, Ju X J, Yang L, Chu L Y.Thermo-responsive gating membranes with controllable length and density of poly(N-isopropylacrylamide) chains grafted by ATRP method [J].Journal of Membrane Science, 2009, 337(1/2): 310-317.

[2]Xie R, Li Y, Chu L Y.Preparation of thermo-responsive gating membranes with controllable response temperature [J].Journal of Membrane Science, 2007, 289(1/2): 76-85.

[3]Luo T, Lin S, Xie R, Ju X J, Liu Z, Wang W, Mou C L, Zhao C S, Chen Q M, Chu L Y.pH-Responsive poly(ether sulfone) composite membranes blended with amphiphilic polystyrene-block-poly(acrylic acid) copolymers[J].Journal of Membrane Science, 2014, 450: 162-173.

[4]Xia L W, Xie R, Ju X J, Wang W, Chen Q M, Chu L Y.Nano-structured smart hydrogels with rapid response and high elasticity [J].Nature Communications, 2013, 4: 2226.doi: 10.1038/ncomms3226.

[5]Wang J Y, Jin Y, Xie R, Liu J Y, Ju X J, Meng T, Chu L Y.Novel calcium-alginate capsules with aqueous core and thermo-responsive membrane [J].Journal of Colloid and Interface Science, 2011, 353(1): 61-68.

[6]Song X L, Xie R, Luo T, Ju X J, Wang W, Chu L Y.Ethanol-responsive characteristics of polyethersulfone composite membranes blended with poly(N-isopropylacrylamide) nanogels [J].Journal of Applied Polymer Science, 2014, 131: 41032.

[7]Wang G, Xie R, Ju X J, Chu L Y.Thermo-responsive polyethersulfone composite membranes blended with poly(N-isopropylacrylamide) nanogels [J].Chemical Engineering and Technology, 2012, 35(11): 2015-2022.

[8]Wei J, Ju X J, Zou X Y, Xie R, Wang W, Liu Y M, Chu L Y.Multi-stimuli-responsive microcapsules for adjustable controlled- release [J].Advanced Functional Materials, 2014, 24(22): 3312-3323.

[9]Yu Y L, Zhang M J, Xie R, Ju X J, Wang J Y, Pi S W, Chu L Y.Thermo-responsive monodisperse core-shell microspheres with PNIPAM core and biocompatible porous ethyl cellulose shell embedded with PNIPAM gates [J].Journal of Colloid and Interface Science, 2012, 376(1): 97-106.

[10]Yang M, Xie R, Wang J Y, Ju X J, Yang L, Chu L Y.Gating characteristics of thermo-responsive and molecular-recognizable membranes based on poly(N-isopropylacrylamide) and β-cyclodextrin [J].Journal of Membrane Science, 2010, 355(1/2): 142-150.

[11]Zhang M J, Wang W, Xie R, Ju X J, Liu L, Gu Y Y, Chu L Y.Microfluidic fabrication of monodisperse microcapsules for glucose- response at physiological temperature [J].Soft Matter, 2013, 9(16): 4150-4159.

[12]Yanagioka M, Kurita H, Yamaguchi T, Nakao S I.Development of amolecular recognition separation membrane using cyclodextrin complexation controlled by thermosensitive polymer chains [J].Industrial & Engineering Chemistry Research, 2003, 42: 380-385.

[13]Ito T, Hioki T, Yamaguchi T, Shinbo T, Nakao S I, Kimura S.Development of a molecular recognition ion gating membrane and estimation of its pore size control [J].Journal of the American Chemical Society, 2002, 124(26): 7840-7846.

[14]Yang C, Xie R, Liang W G, Ju X J, Wang W, Zhang M J, Liu Z, Chu L Y.Beta-cyclodextrin-based molecular-recognizable smart microcapsules for controlled release [J].Journal of Materials Science, 2014, 49(20): 6862-6871

[15]Yang Chao (楊超), Xie Rui (謝銳), Ju Xiaojie (巨曉潔), Wang Wei (汪偉), Chu Liangyin (褚良銀).Fabrication and controlled-release characteristics of molecular-recognizable smart microcapsules [J].Chemical Industry and Engineering Process(化工進(jìn)展)，2014，34(1)：183-187.

[16]Meng T, Xie R, Chen Y C, Cheng C J, Li P F, Ju X J, Chu L Y.A thermo-responsive affinity membrane with nano-structured pores and grafted poly(N-isopropylacrylamide) surface layer for hydrophobic adsorption [J].Journal of Membrane Science, 2010, 349(1/2): 258-267.

[17]Xie R, Zhang S B, Wang H D, Yang M, Li P F, Zhu X L, Chu L Y.Temperature-dependent molecular-recognizable membranes based on poly(N-isopropylacrylamide) and β-cyclodextrin [J].Journal of Membrane Science, 2009, 326(2): 618-626.

[18]Yang M, Chu L Y, Wang H D, Xie R, Song H, Niu C H.A novel thermo-responsive membrane for chiral resolution [J].Advanced Functional Materials, 2008, 18(4): 652-663.

[19]Akamatsu K, Yamaguchi T.Novel preparation method for obtaining pH-responsive core-shell microcapsule reactors [J].Industrial & Engineering Chemistry Research, 2007, 46(1): 124-130.

[20]Kokufuta E, Shimizu N, Nakamura I.Preparation of polyelectrolyte-coated pH-sensitive poly (styrene) microcapsules and their application to initiation-essation control of an enzyme reaction [J].Biotechnology and Bioengineering, 1988, 32(3): 289-294.

[21]Zhang Y, Wu H, Li J, Li L, Jiang Y, Jiang Y, Jiang Z.Protamine-templated biomimetic hybrid capsules: efficient and stable carrier for enzyme encapsulation [J].Chemistry of Materials, 2007, 20(3): 1041-1048.

[22]Wang J Y, Yu H R, Xie R, Ju X J, Yu Y L, Zhang Z, Chu L Y.Alginate/protamine/silica hybrid capsules with ultrathin membranes for laccase immobilization [J].AIChE Journal, 2013, 59(2): 380-389.

[23]Wu F, Wang W, Liu L, Ju X J, Xie R, Liu Z, Chu L Y.Monodisperse hybrid microcapsules with ultrathin shell of submicron thickness for rapid enzyme reaction [J].Journal of Materials Chemistry B, 2015, 3(5): 796-803.

[24]Mei L, Xie R, Yang C, Ju X J, Wang J Y, Zhang Z, Chu L Y.Bio-inspired mini-eggs with pH-responsive membrane for enzyme immobilization [J].Journal of Membrane Science, 2013, 429: 313-322.

[25]Mei L, Xie R, Yang C, Ju X J, Wang W, Wang J Y, Chu L Y.pH-responsive Ca-alginate-based capsule membranes with grafted poly(methacrylic acid) brushes for controllable enzyme reaction [J].Chemical Engineering Journal, 2013, 232: 573-581.