台灣過濾與分離學會電子報2024年第7期

研究新知

◎用於水過濾的仿生膜研究熱潮

        水、環境衛生和個人衛生領域是關係人類生存的核心公共衛生議題，也是聯合國永續發展目標6 (SDG 6)的重點。全球水資源的品質和永續性問題已受廣大關注，每年大約36億人(接近世界人口的一半)生活在可能缺水1個月的地區，預計到2050年，這些缺水人口將增加至48−57億人。薄膜技術用於廢水處理、海水淡化和飲用水處理等各種領域，以及人工腎臟和人工肺等各種醫療應用受到廣泛研究。仿生(biomimetic)或生物啟發(bioinspired)膜是基於「bottom-up」的設計策略，自2018年人工水道法拉第討論會議(2018 Artificial Water Channels Faraday Discussions meeting)舉辦後，已在全球引起研究熱潮，涵蓋生物學、物理和化學等各個專業領域。

全球水資源與人口趨勢。

仿生膜的分離技術主要透過下列兩種方法來進行：

(1) 在模擬生物雙層膜(biological bilayer membrane)的合適材料中重構生物通道蛋白

      (biological channel proteins)：利用水通道蛋白(aquaporin proteins)作為代表性結

      構以開發水過濾膜，通常被稱為仿生膜(biomimetic membranes)。

(2) 在合成結構中模擬選擇性傳輸：利用碳奈米管(carbon nanotubes)和分子成孔組件

      (molecular pore-forming assemblies)製成人工水通道(artificial water channels)。

水選擇性仿生膜材料，(左)水通道蛋白(AQP)、(中)碳奈米管(CNT)和(右)分子成孔組件。

        生物通道(biological channels)和合成成孔組件(synthetic pore-forming assemblies)的研究已經深入探討水的選擇性和溶質傳輸的機制，發展出各種獨特選擇性和滲透性的新技術。

膜蛋白調控的分離

        水通道蛋白是跨膜蛋白(transmembrane-spanning proteins)，能夠促進水穿透細胞膜傳輸。水通道蛋白分子分為兩類：只選擇性通過水分子的傳統型水分子通道蛋白(orthodox aquaporins)和允許水、甘油及其他小分子溶質通過的水甘油通道蛋白(aquaglyceroporins)。水通道蛋白具有非常高的水滲透性，高達109 H₂O分子/sec，表示其傳輸的能障極低，僅~5 kcal/mol，即一克水通道蛋白每秒可過濾多達700 L的水，比傳統的聚合物薄膜的生產率提高了10−100倍(m/s·bar)。

        例如：大腸桿菌異構體AqpZ是一種相對穩定的傳統水通道蛋白，其水通道很窄(~2.3 Å)，允許單列傳輸水分子，同時防止其他溶質通過，選擇性機制為尺寸篩選、靜電排斥和水分子偶極重新取向。水通過水通道蛋白通道的快速傳輸就像是通過平滑狹窄疏水通道的無摩擦滑流(non-Poiseuille flow)，這與通過碳奈米管的摩擦引起的液流相反。目前仿生膜已在食品和飲料加工、廢水處理和工業水回用等領域中得到商業應用，美國太空總署正在積極研究在太空任務中使用仿生膜的可能性。

跨膜蛋白應用示意圖：小分子感測器、藥物和膜/膜蛋白相互作用研究、能量收集和水淨化平台。

人工水通道的分離

        2001年Hummer等人在Nature期刊發表透過碳奈米管疏水通道的水傳導研究，揭露水通過次奈米直徑碳奈米管的傳輸。最近的研究指出將直徑0.8 nm的 CNT嵌入脂質膜基質(lipid membrane matrix)中，以單列水分子傳輸的機制傳輸，其滲透性比水通道蛋白高出6倍，同時也可以滲透陽離子如K⁺和H⁺。

        一些研究利用多分子自組裝結構，例如：由樹突狀二肽(dendritic dipeptides)自組裝建構的螺旋疏水孔能夠傳輸水和質子，同時排斥其他陽離子和陰離子。由內部偶極水線穩定的咪唑(I)四重體(imidazole (I) quartets)可以形成具有高透水性的手性自組裝窄通道結構(<0.3 nm)，嵌入聚醯胺膜後表現出對水的高度選擇性傳輸，呈現99.5%的NaCl篩選率和91.4%的硼篩選率，使用海水進料在65 bar下的水通量為75 L/m²·hr。

(a)奈米管內水分子的數量N與sp²碳的關係，(b)減少的碳水吸引力與時間的關係，和(c)奈米管內與氫鍵結的水鏈結構。

        儘管人工水道研究領域在過去二十年中取得了許多進展，但仍然具有極高的研究潛力，尚有許多重大的挑戰，其中分子複合物的穩定性和確保有效的選擇性特性是主要挑戰之一。西元2000年之前，關於仿生膜領域發表的論文很少，近二十年呈現迅速成長趨勢，超過76%的論文是在2009年後出版的。在早期2002年以前，仿生膜的發展主要集中在基於離子載體的離子選擇性電極上，並致力於能量收集(例如人工光合作用)。2000年第一個水通道蛋白晶體結構被發表後，開始了顯著的發展，使人們能夠對傳輸機制有詳細的分子級理解。2004−2005年，第一個水通道蛋白膜專利提出申請，並於2007年證明如何將水通道蛋白摻入聚合囊泡(polymeric vesicles)。

仿生膜和人造水道的論文數量發展趨勢。

        在過去的二十年裡，人們對開發用於水分離和淨化技術的新型薄膜材料產生了濃厚的興趣。先前水處理膜的發展主要以top-down的方法為主，例如薄膜複合膜設計，其中分離特性來自於微觀和巨觀尺度的材料特性。隨著對水和溶質在奈米尺度上如何相互作用的深入了解，現在可以採用bottom-up的策略來設計薄膜，透過採用天然存在或合成的次奈米多孔結構進行過濾。仿生膜和人工水道領域的研究論文數量以美國和中國居領先地位，依國家別來看，新加坡和丹麥以仿生膜領域為主，澳洲、加拿大、法國和英國以人工水道領域為主。最近研究顯示，使用蛋白質的仿生膜的未來研究和開發將聚焦在合成和穩定化足夠數量的蛋白質(或胜肽)的能力，以達到高膜密度與可擴展性。對於人工水道來說，優化選擇性、自組裝性和穩定性將是需要解決的主要挑戰。

資料來源：

1. Goel, G., Hélix-Nielsen, C., Upadhyaya, H.M. et al. A bibliometric study on biomimetic and bioinspired membranes for water filtration. npj Clean Water 4, 41 (2021). https://doi.org/10.1038/s41545-021-00131-4.

2. Ryu H, Fuwad A, Yoon S, Jang H, Lee JC, Kim SM, Jeon TJ. Biomimetic Membranes with Transmembrane Proteins: State-of-the-Art in Transmembrane Protein Applications. Int J Mol Sci. 21;20(6), 1437 (2019). https://doi.org/10.3390/ijms20061437.

3. Hummer, G., Rasaiah, J. & Noworyta, J. Water conduction through the hydrophobic channel of a carbon nanotube. Nature 414, 188–190 (2001). https://doi.org/10.1038/35102535.

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