經(jīng)過億萬年的進化，自然界中的生命體演變出各種精巧的結(jié)構(gòu)和近乎完美的功能以適應(yīng)特定的生活條件。生命體系中含有眾多由蛋白質(zhì)復(fù)合物組成的離子通道，這些通道對可溶性分子離子的選擇性透過與多種生命過程密切相關(guān)，如神經(jīng)興奮的傳導(dǎo)，中樞神經(jīng)系統(tǒng)的調(diào)控，感受器電位的發(fā)生，骨骼肌的收縮，心臟的搏動，平滑肌的蠕動，激素的分泌與綠色植物的光合作用等。天然離子通道具有門控特性，具體來說，離子通道蛋白在外界刺激下會發(fā)生特定的構(gòu)型，電荷，以及浸潤性變化。因此，通過不同外界刺激控制離子分子的定向傳輸，可實現(xiàn)膜電位的建立及離子電流調(diào)控。然而，天然離子通道在體外穩(wěn)定性差，難以滿足實際應(yīng)用需求。為了在體外環(huán)境實現(xiàn)生物離子門控功能，研究人員通過向自然學(xué)習(xí)，采用陽極氧化、徑跡刻蝕等方法開發(fā)了一系列仿生離子通道。
近年來，靜電紡絲技術(shù)作為一種簡易的膜制備方法，取得了快速發(fā)展。靜電紡絲納米纖維膜已被廣泛應(yīng)用于水處理、能量轉(zhuǎn)換及柔性可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域。近期，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所聞利平研究員和孔祥玉研究員課題組首次將靜電紡絲技術(shù)引入仿生離子通道領(lǐng)域，構(gòu)筑了新型仿生異質(zhì)離子通道膜，實現(xiàn)了在不同pH狀態(tài)下離子電流大小的調(diào)控以及滲透能的可控輸出。
該團隊通過層層靜電紡絲技術(shù)制備了由不同嵌段共聚物（PS-b-P2VP和PS-b-PAA）組成的初生異質(zhì)納米纖維膜，經(jīng)過加熱和選擇性溶脹過程得到具有多孔結(jié)構(gòu)的異質(zhì)納米纖維膜。其中，異質(zhì)納米纖維膜中P2VP鏈段在低pH時呈現(xiàn)溶脹、帶電、親水性質(zhì)，由其組成的膜孔結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為關(guān)閉狀態(tài)；在高pH時呈現(xiàn)收縮、中性、疏水性質(zhì)，膜孔結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為打開狀態(tài)。PAA鏈段在低pH時呈現(xiàn)收縮、中性、疏水性質(zhì)，膜孔結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為打開狀態(tài)；在高pH時呈現(xiàn)溶脹、帶電、親水性質(zhì)，膜孔結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為關(guān)閉狀態(tài)。 由于P2VP鏈段和PAA鏈段組成的膜孔在不同pH下所呈現(xiàn)的開關(guān)狀態(tài)不同，異質(zhì)納米纖維膜在不同pH刺激下可以表現(xiàn)出多種開關(guān)狀態(tài)，實現(xiàn)了可控離子電流的輸出。
最后，作者將異質(zhì)納米纖維膜應(yīng)用于滲透能轉(zhuǎn)化體系，在不同的pH刺激下，異質(zhì)納米纖維膜基滲透能轉(zhuǎn)化器可以輸出不同的功率密度。由于異質(zhì)納米纖維膜帶有豐富的電荷，可以實現(xiàn)高效滲透能捕獲，能量密度最高可達12.34 W m-2。該工作為仿生離子通道的構(gòu)筑及滲透能的可控輸出提供了新策略。 論文信息 Heterogeneous Electrospinning Nanofiber Membranes with pH-regulated Ion Gating for Tunable Osmotic Power Harvesting 文章的第一作者是中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所的2021級直博生凌浩洋和2018級直博生辛偉聞。 Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202212120
