隨著世界各地人口數量和工業規模的迅速擴張，淡水資源短缺問題日趨嚴重。在過去的幾十年里，為了滿足人們的供水需求，多種新型高效的反滲透膜不斷地被開發出來，用于工業用水凈化或海水淡化領域。

生物體細胞內含有天然水通道蛋白（AQPs），可以選擇性地跨細胞膜傳輸水。盡管AQPs對水分子有超高的選擇透過性，但其作為生物蛋白，需要在溫和的生物環境（例如：穩定的溫度、pH值和滲透壓差）中才能有效地發揮其作用。于是，開發仿生水通道（AWCs），使其作為AQP的替代品，成為了研究者們廣泛關注的研究方向。該領域的早期工作表明，仿生水通道可以作為水傳輸過程的活性組分，以制備高效的仿生反滲透膜用于海水淡化。然而，如何將目前細胞膜囊泡中的AWCs的水傳輸性能轉化為宏觀聚合物膜的海水淡化性能，同時保持其脫鹽率，仍是一個亟待解決的問題。

圖1. 咪唑四聚體水通道的核心區域示意圖。

早在2011年，歐洲膜研究所知名學者Mihail Barboiu教授團隊就開發了一類含咪唑功能基團的化合物，它們可通過咪唑、水分子、脲基之間的氫鍵作用自組裝形成孔徑約為2.6 ?的咪唑四聚體水通道（I-quartet channels），烷基“尾巴”的疏水作用使其在細胞膜中穩定存在（圖1）。同時，它們可以選擇性地傳輸水并且排斥離子。

圖2. （a）穩定地嵌入細胞膜和聚合物膜中的咪唑四聚體水通道結構示意圖；（b）I-quartet水通道結構的俯視圖；（c）它們的單體化合物HC4?HC18的化學結構式。

近日，我校化學學院博士生黃禮博在Lehn功能材料研究所超分子化學與材料方向外籍導師Mihail Barboiu教授的指導下，通過分析在細胞膜或聚合物反滲透膜中自組裝的烷基脲-乙基咪唑化合物HC4–HC18，探討了影響仿生I-quartet水通道在兩種膜中傳輸水性能的結構設計。首先，研究者測試了I-quartet通道在細胞膜中的性能和傳輸行為，確定疏水性是提高其水滲透性能的關鍵因素。他們比較了具有不同長度疏水側鏈（從HC4到HC18）的水通道（圖2 b,c），結果表明，通過增加烷基鏈的長度，可實現其單通道水滲透率從10⁴至10⁷ H₂O/s/channel的顯著躍升（圖3）。這是由于隨著通道化合物的烷基尾巴疏水性增強，其與細胞膜的脂質界面的接觸更充分，從而起到了穩定中央I-quartet通道的作用。因此，仿生水通道的烷基側鏈的增長不僅提升了通道的穩定性，而且在保持其滲透率的同時減少了HCx化合物的用量，從而大幅提升其單通道水滲透率。

圖3. HC4?HC18咪唑四聚體水通道的在細胞膜中的（a）凈滲透率和（b）單通道滲透率與相應化合物的親脂性log P值對比圖。

另一方面，通過簡單的緩慢蒸發過程，他們可以從I-quartet的膠體溶液中獲得其納米晶體。這樣的納米晶體可以進一步通過界面聚合反應摻入到聚酰胺膜（PA）中，以制備仿生AWC-反滲透膜。對仿生AWC-PA膜中的定量分析表明，結合了HC4和HC6的聚酰胺膜的水滲透率分別達到了2.09和3.85 L·m^-2·h^-1·bar^-1，超越了傳統的反滲透膜，同時保持優異的脫鹽率（99.25–99.51%）。此外，由于HC8-聚酰胺膜形成了大面積的缺陷，導致其性能大幅下降（表1）。低溶解度和低分散性的通道化合物容易在界面聚合過程中析出，從而影響聚合物膜的整體性能。因此，調節水通道的疏水性可以最大限度地提升其在細胞膜中的穩定性和滲透率，同時均勻分散的通道顆粒可通過界面聚合反應制備無缺陷的AWC-PA膜，可應用于海水淡化過程。

表1. AWC-PA膜和傳統聚酰胺膜在15.5 bar壓強下的淡鹽水反滲透脫鹽性能對比。

實驗結果表明，無論是在細胞膜中的單通道嵌入，還是在聚酰胺膜中的多通道納米分散過程，都十分依賴于HCx單體的兩親特性。此特性既影響通道在細胞膜中的匹配度，也影響其在界面聚合過程中被包裹于聚酰胺層的堆積、結晶動力學。總而言之，將埃米尺度下選擇性傳輸水的仿生水通道大規模用于宏觀聚合物膜的海水淡化過程，仍然充滿挑戰，但已具備一定的可行性。咪唑四聚體水通道在基于仿生水通道模仿天然水通道蛋白功能的創新材料的開發應用上，具有巨大的潛力。

上述研究進展發表于國際知名學術期刊《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）。該研究工作得到了中國國家自然科學基金、留學基金委、廣東省國際科技合作基地以及法國Agence Nationale de la Recherche WATERCHANNELS等項目的支持。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c07425