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2026

AFM｜溶菌酶调控的高均匀孔径聚酰胺纳滤膜用于分子筛分

作者：

英文题目

Lysozyme-Regulated Polyamide Nanofiltration Membranes With Highly Uniform Pores for Precise Molecular Sieving

溶菌酶调控的高均匀孔径聚酰胺纳滤膜用于*分子筛分

期刊信息：Advanced Functional Materials

发表时间：2026年8月在线发表

DOI: 10.1002/adfm.202677829

摘要内容

活性药物成分（APIs）的分离与纯化是制药工业的核心环节。基于聚酰胺（PA）的纳滤（NF）膜要实现溶质-溶质及溶质-溶剂的*分离，必须具备高度均一的孔径分布。然而，传统界面聚合（IP）反应快速且随机，导致孔径不均匀。本研究报道了一种溶菌酶调控的界面聚合（LIP）策略，通过促进胺单体的积累与扩散，构建了具有高度孔径均匀性的PA选择层。所制备的PA膜对Na₂SO₄/NaCl的选择性系数高达约176，抗生素/NaCl选择性约98，同时保持优异的纯水通量（17.2 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹）。该膜还展现出高甲醇通量（20.0 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹），并在12小时运行中实现APIs浓度5.8倍的提升。这些性能指标优于目前*的NF膜。此外，该制备工艺已成功放大至1.0 m × 0.3 m的大面积规模，证明了其在APIs分离中的实际应用潜力。本工作为开发*纯化药物和回收溶剂的*功能膜开辟了新途径。

研究背景和意义

制药工业中，活性药物成分（APIs）的分离纯化面临严峻挑战，纳滤（NF）和有机溶剂纳滤（OSN）技术因能*分离200–1000 Da的分子而被视为回收高价值药物成分和循环利用溶剂的有力手段；然而，当前金标准的聚酰胺薄膜复合（TFC）膜受限于界面聚合反应的快速随机性，导致选择层厚度较大且孔径分布不均，难以突破渗透性-选择性的权衡瓶颈，尽管已有新型单体设计、扩散动力学调控、聚合物中间层（如聚乙烯亚胺）等多种优化策略，但仍缺乏能同时*操控单体扩散-反应过程并实现孔径均匀分布的有效方法，此外，虽然聚偏二氟乙烯（PVDF）基材因强极性C-F键和优异的结晶度而具备*的耐溶剂性和机械性能，但其固有的疏水性会阻碍胺单体在表面的保留，导致PA层产生缺陷；针对上述问题，本研究创新性地提出了溶菌酶调控的界面聚合（LIP）策略，利用两亲性溶菌酶在疏水PVDF表面自组装形成亲水纳米蛋白膜作为中间层，通过静电吸附和氢键作用调控哌嗪（PIP）单体的存储与扩散，不仅解决了PVDF基材亲水性不足的技术难题，还实现了对IP反应界面和胺单体储库的双重调控，从而制备出具有超薄、高度交联且孔径高度均匀的PA选择层，为高性能NF/OSN膜的理性设计提供了全新范式。

实验步骤

首先，以商业PVDF微孔膜为基底，将其浸入溶菌酶溶液中处理一定时间（通过调控溶液pH值和沉积时间优化，**条件为pH 7.5、沉积时间5 min），利用溶菌酶的两亲性通过疏水-疏水相互作用在PVDF表面形成均匀的亲水蛋白纳米层（记为PVDFlyz）；随后，将PVDFlyz膜浸入含1.0 w/v%哌嗪（PIP）的水相溶液中，使PIP分子通过静电作用与溶菌酶层充分结合并均匀分布；之后，将膜表面多余的PIP溶液去除，再浸入含0.1 w/v%均苯三甲酰氯（TMC）的正己烷有机相溶液中，在PVDFlyz表面发生界面聚合反应形成聚酰胺选择层；反应完成后，将膜取出并依次用正己烷和去离子水清洗，去除未反应单体和副产物，最终获得溶菌酶调控的薄膜复合膜（记为TFClyz）；作为对照，传统乙醇润湿界面聚合（EIP）膜（记为TFC）的制备则是通过乙醇预润湿PVDF基底后直接进行相同的PIP/TMC界面聚合反应，但不经过溶菌酶处理。

主要结果和结论

表征结果显示，TFClyz膜表面呈现独特的叶状微观结构，表面粗糙度高于TFC膜，且PA层厚度显著降低至44 nm（TFC为110 nm），这归因于更剧烈的LIP反应增强了PA膜生长的自限制效应；XPS和FTIR分析证实TFClyz膜具有更高的N─C═O含量和更低的O─C═O含量，表明溶菌酶中间层有效促进了缩合反应，提高了PA层的交联密度；通过PEG截留实验和正电子湮灭寿命谱（PALS）测得TFClyz膜的孔径分布更窄，有效孔半径约为0.22 nm，分子量截留值（MWCO）更小；在纳滤性能方面，TFClyz膜对Na₂SO₄和MgSO₄的截留率超过95%，对NaCl截留率仅约16%，Na₂SO₄/NaCl选择性系数高达约176，纯水通量达17.2 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹，对多种抗生素（四环素、土霉素、链霉素、红霉素、罗红霉素）的截留率均接近99%，抗生素/NaCl选择性约98；在有机溶剂纳滤（OSN）性能方面，该膜对甲醇的通量达20.0 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹，对多种染料（300–800 Da）的截留率接近100%，并在12小时连续运行中将紫杉醇（PTX）浓度从100 ppm浓缩至580 ppm（提升5.8倍）；此外，该膜在1.0 m × 0.3 m的大面积规模化制备中表现出优异的性能均匀性，且在长期运行中保持稳定，综合性能优于目前报道的先进NF/OSN膜。

详细机理

溶菌酶调控界面聚合（LIP）的核心机理在于溶菌酶作为两亲性生物分子，其分子结构中同时含有亲水性和疏水性氨基酸残基，能够通过疏水-疏水相互作用稳定吸附在疏水PVDF基底表面，形成一层具有丰富负电荷残基（天冬氨酸、谷氨酸）的亲水蛋白纳米膜；该中间层通过范德华力和库仑力与带正电的PIP单体发生强烈的静电相互作用，显著促进了PIP在界面处的富集，形成了远高于传统水/正己烷界面的PIP浓度梯度，分子动力学模拟和石英晶体微天平（QCM-D）实验均证实了这一点；同时，溶菌酶在水/有机界面的富集有效降低了界面张力，加速了PIP从水相向有机相的扩散速率，从而引发了更剧烈但受控的界面聚合反应；这种增强的单体通量与均匀的初始分布协同作用，使得PA层在生长过程中表现出更强的自限制行为，最终形成了厚度仅44 nm、交联密度高达78.1%、孔径分布高度集中（约0.22 nm）的超薄选择层；在分离过程中，该膜对离子的筛分遵循尺寸排阻与道南效应协同机制——对于单价阳离子（如Cs⁺、Rb⁺、K⁺、Na⁺），由于其水合半径较小且膜表面强负电荷产生的静电排斥较弱，截留率较低（10–16%），而对于二价/三价阳离子（如Ba²⁺、Co²⁺、Ni²⁺、Gd³⁺、Sm³⁺、La³⁺）以及二价阴离子（如SO₄²⁻），则因尺寸较大且受到更强的静电排斥作用而被*截留（>84–99%），从而实现了亚埃级精度的离子筛分；在抗生素脱盐和有机溶剂中的APIs浓缩应用中，高度均一的纳米孔道能够*区分抗生素分子（>99%截留）与无机盐（~16%截留），或药物分子与有机溶剂，同时超薄且高度交联的PA网络为溶剂提供了快速传输通道并保证了优异的耐溶剂性和长期结构稳定性。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/JyjLt3A7rubkLfgGedju9A