含水通道蛋白的磷脂复合膜的设计与制备

发布时间：2020-04-30 14:26

【摘要】：海水淡化是解决水资源短缺的有效途径之一，而膜分离技术则是实现海水淡化最有效、最经济的手段。高性能分离膜的设计是膜技术的基础和核心，制备新型复合膜使其能有效地降低能耗，实现高效、便捷的净水技术，是目前膜材料研制领域内的共识及今后的发展方向。水通道蛋白是一种理想的水分子通道，其具有极强的水渗透性和单一选择透过性。将水通道蛋白包裹在磷脂双层膜中，铺展于纳滤膜上形成一种新型的仿生复合膜，可以克服传统高分子复合膜的“上限平衡”效应。本文通过囊泡融合法和共价键结合的方法制备了含有水通道蛋白的磷脂仿生复合膜，并对它们的结构和性能进行了表征与测试。本文通过原子力显微镜(Atomic force microscope, AFM)表征、激光共聚焦扫描显微镜(Confocal laser scanning microscope, CLSM)表征、全反射红外光谱(Attenuated total reflection fourier transform infrared, ATR-FTIR)表征等手段考察浸泡时间、浸泡温度、囊泡浓度、单油酸甘油酯(MO)的含量对囊泡融合法制备磷脂双层膜的影响。并通过接触角、水通量及截盐率的表征对囊泡融合法制得的磷脂复合膜的性能进行了评价。 (1)通过AFM和CLSM的形貌表征，DPPC, MO/DPPC, DOPC, MO/DOPC四种磷脂体系均可以在NTR-7450和NF-270膜表面通过囊泡融合法形成磷脂双层膜，成膜的最适宜条件是在25℃下，铺展时间为2h，0.05mg/ml的囊泡浓度，MO的摩尔比添加量(XMO)为0.5。室温下纯DOPC形成的磷脂双层膜较DPPC的质量更好，MO的加入可以降低DPPC体系的相转化温度同时改善其室温下的成膜质量，而DOPC中添加MO后体系的成膜质量会略有下降；过量的MO添加会对DOPC与DPPC的成膜均产生负面影响。NTR-7450膜的表面粗糙度较小，较NF-270会更有利于高质量的磷脂双层膜的形成。同时，NTR-7450上形成的磷脂双层膜中的磷脂分子保持了更好的流动性，有利于水通道蛋白活性的保持。 (2)通过囊泡融合法制得的含有水通道蛋白的磷脂复合膜，随着AQP1含量的增加磷脂复合膜的通量与截盐率也会增大；但水通道蛋白自身带有负电荷会阻碍后续蛋白的引入，同时每个囊泡承载水通道蛋白的量是有限的，因此通量的变化与蛋白含量并不是线性关系；高质量的磷脂双层膜有利于水通道蛋白性能的发挥。本研究还利用多巴胺(DOPA)改性聚砜(PS)超滤膜和NF-270膜获得含有羧基基团的DOPA复合层，与二油酰基磷脂酰乙醇胺(DOPE)通过1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(EDC)/磺化N-羟基琥珀酰亚胺(S-NHS)的催化反应生成酰胺键，从而制备共价键结合的磷脂复合膜，并对其进行了扫描电子显微镜(Scanning electron microscope, SEM)表征、红外光谱表征、接触角、水通量以及截盐率的测定。通过研究发现：DOPE磷脂双层膜在改性基底上的形成大幅提高了膜的亲水性；红外测试中1640cm-1处的羰基峰，以及1068cm-1处P-O-C的特征峰，表明DOPA层与DOPE磷脂双层膜之间的确发生了酰胺化反应，共价键结合的磷脂复合膜的制备是成功的；适当的致孔剂含量是制备磷脂仿生复合膜渗透性支撑基底的重要影响因素；引入AQP1后，共价键结合的磷脂仿生复合膜的水通量和截盐率都同时增大，这证明复合膜对于AQP1的引入是成功的，共价键结合的仿生复合膜的制备的假设是可以实现的。
【图文】：

水通道蛋白

1.3.2 水通道蛋白的结构典型的水通道蛋白 (如图1-1所示) 的结构序列显示其含有两个重复的单元，每个单元包含有三个跨膜形成的 α-螺旋 (TM1-3)[24]。在水通道蛋白的每一个重复单元中，TM2 与 TM3 螺旋之间存在着一组由天冬氨酸-脯氨酸-丙氨酸 (NPA)构成的多肽特征序列。六个TM螺旋围绕着两个相对的NPA特征序列形成孔穴，水通道蛋白则以这个孔穴为中心折叠成“沙漏”状结构 (如图 1A 与 1B 所示)。在水通道蛋白的中心区域存在着一个闭合的芳香/精氨酸区域，这通常被认为是水通道蛋白离子截留和选择性区域，也是其管腔最为狭窄的部分，孔径的大小约为 2.8 与水分子的范德华半径相似，因此可以对大分子的物质和水合离子进行筛分[25, 26]。每六个 TM 螺旋构成一个具有孔道作用的水通道蛋白分子，但是在细胞膜中的水通道蛋白通常以四聚体的形式存在 (如图 1C 与 1D 所示)[27]。根据水通道蛋白的渗透性质和哺乳动物同源染色体的差异可以将水通道蛋白分为两类：水通道蛋白 (aquaporins) 和水-甘油通道蛋白 (aquaglyceroporins)。在大肠杆菌体系中这两种蛋白均有表达[28]

扫描图,纳滤膜,浸泡时间,原位

2-1 0.05 mg/ml DPPC 在45 ℃下不同浸泡时间与不同纳滤膜表面铺展的原位AFM扫描(Scan size 5×5 μm2, z-scale 500 nm) (A)2 h (B)6 h (C)12 h 在 NTR-7450 膜表面，(D)2 h (E)6(F)12 h 在 NF-270 膜表面Fig. 2-1 In situ AFM images of the NF supported lipid membranes with different deposition tim(scan size 5×5 μm2, z-scale 500 nm). NTR-7450 immersed in 0.05 mg/ml DPPC vesicles for 2 A), 6 h (B), and 12 h (C) at 45 °C; NF-270 immersed in 0.05 mg/ml DPPC vesicles for 2 h (D)h (E), and 12 h (F) at 45 °C.图 2-1中显示的是纯的 DPPC 在 NTR-7450和 NF-270膜表面铺展形成 SL的表面形貌结构。从图中我们可以看出，对于 NTR-7450 和 NF-270 来说适的铺展时间的确可以使得膜的缺陷减少 (RMS值有所减少)，，但是仅仅从 AF中所显示的形貌特征来看，2 h 与 6 h 的铺展结果并未有明显的区别。相反时间的铺展非但没有对磷脂复合膜的形成起到积极的作用，反而引发了更多的形成，这主要是由于一定面积的基底上囊泡的吸附和铺展是有极限的，过间的铺展导致了磷脂在基底上的过度吸附，因此出现了新的缺陷。
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TQ051.893;P747

【参考文献】