專利名稱：仿生人工膜裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及依照生物學(xué)過程開發(fā)的裝置。

背景技術(shù)：
提供可持續(xù)能源正變?yōu)橐豁?xiàng)越來越多的人設(shè)法解決的重要議題。 公認(rèn)的是，化石能源將不足以響應(yīng)全球范圍內(nèi)對(duì)能源逐漸增加的需要。 如此，已經(jīng)開發(fā)了一些備選辦法來通過更可持續(xù)的辦法替換、或至少增援目前產(chǎn)
生能量的方式。 如此，一些開發(fā)已經(jīng)聚焦于諸如水力、風(fēng)力或太陽能等辦法。此類辦法是非常鼓舞 人心的，因?yàn)樗鼈兡軌虍a(chǎn)生大量的能量，但是它們也具有極依賴于氣候條件的限制。另外 這些辦法的操作相對(duì)于目前的化石辦法是非常昂貴的，因此目前的化石辦法是占主導(dǎo)地位 的。 如此已經(jīng)提出了聚焦于納米技術(shù)作為新辦法的途徑。 公認(rèn)的是，從活生物體的化學(xué)內(nèi)容物收獲能量是關(guān)鍵的議題，以便向設(shè)計(jì)用于實(shí) 施診斷或治療作用的微觀或納米系統(tǒng)提供持久的能量供應(yīng)，特別在不得不替換衰竭器官的 情況中。
因此，本發(fā)明的目的是提出一種用于解決這些能量問題的新辦法。更明確地，本發(fā)
明旨在提出一種可潛在植入活生物體內(nèi)的可持續(xù)產(chǎn)生能量的納米技術(shù)裝置。 發(fā)明概述 為了達(dá)到上文所提及的目的，本發(fā)明提出一種仿生膜裝置，如權(quán)利要求書中所定 義的。 具體地，本發(fā)明涉及一種裝置，其包含殼體(casing)和該殼體內(nèi)安排的仿生人工 膜以形成兩間不同的室，其中每間室是為了封裝給定組成的液體而提供的，且其中所述仿 生人工膜包含用于支持脂膜的半透膜，所述脂膜包含成層排列的多個(gè)脂質(zhì)分子，并至少包 含轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，所述轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白適合于所述液體的離子和/或分子在所述兩室之間的轉(zhuǎn)運(yùn)。
此仿生膜裝置的優(yōu)選但非限制性的方面如下
-所述脂膜包含以雙層排列的多個(gè)脂質(zhì)分子；-所述轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白選自Na7K+交換齊U、Na7H+交換齊IJ、Na7葡萄糖交轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、HC037 Cl—交換劑、尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、被動(dòng)葡萄糖通道、水通道蛋白、被動(dòng)離子通道(如短桿菌肽A離 子通道或纈氨霉素離子通道、或從活細(xì)胞分離的更復(fù)雜的離子通道蛋白)、鎘轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、菌 紫紅質(zhì)、或其組合；-所述脂膜包含兩種不同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，或超過兩種不同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白；-所述仿生人工膜進(jìn)一步包含聚電解質(zhì)膜；-所述裝置進(jìn)一步包含在所述脂膜兩側(cè)均安排的電極；-所述仿生人工膜包含兩個(gè)脂膜和在所述兩個(gè)脂膜之間安排的電活性聚合物膜；
-所述支持膜對(duì)于所述液體組合物的任何離子和/或分子是可透過的；
-所述支持膜是多孔聚合物、硅或石墨烯(gr即hene)膜；
3
-每間室包含用于為該室注入所述給定成分的液體的入口 ；
-每間室包含用于將所述液體排出該室的出口 ；-兩室都包含具有相同組成且具有相同離子和/或分子濃度的相同液體；
_所述室之一進(jìn)一步包含適合于激活用所述轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在兩室之間轉(zhuǎn)運(yùn)所述液體組 合物的離子和/或分子的物質(zhì)，所述供激活用的物質(zhì)例如是三磷酸腺苷或本領(lǐng)域任何技術(shù) 人員知道的能夠激活轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白分子的任何其它藥物和/或分子；-所述室之一進(jìn)一步包含適合于抑制用所述轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在兩室之間轉(zhuǎn)運(yùn)所述液體組 合物的離子和/或分子的物質(zhì)；-所述室之一進(jìn)一步包含對(duì)如下物質(zhì)起作用的酶，所述物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)由所述受轉(zhuǎn)運(yùn)
的分子或離子的特征決定，例如所述酶是葡萄糖氧化酶，而所述物質(zhì)是葡萄糖；-所述室的壁由硅制成，其部分是多孔硅；-所述室具有小于1cm3的容積；-所述膜具有小于lOOnm，且優(yōu)選小于20nm的厚度。 本發(fā)明還涉及一種燃料電池，其包含上文所描述的裝置，其中所述裝置適合于產(chǎn) 生PH梯度，且其中所述燃料電池包含用于將所述pH梯度轉(zhuǎn)換成能量的手段。對(duì)于此類燃 料電池，所述裝置可以包含包括Na+/H+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的仿生人工膜，且其中所述液體包含NaCl 。
附圖簡述 本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)從以下描述會(huì)變得清楚，這些描述僅出于例示目的而給
出，并且決不是限制性的，而且應(yīng)當(dāng)參照附圖進(jìn)行閱讀，在所述附圖上-

圖1顯示了本發(fā)明仿生膜裝置的原理； _圖2顯示了本發(fā)明裝置的仿生人工膜；-圖3顯示了用于測試仿生葡萄糖傳感器運(yùn)行的系統(tǒng)；-圖4是顯示與圖3的物理系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的通用隔室模型的圖示。 附圖詳述 仿生膜裝置 本發(fā)明提出通過利用對(duì)生物學(xué)過程的理解來開發(fā)電化學(xué)能的產(chǎn)生，并開發(fā)相應(yīng)的 納米結(jié)構(gòu)化裝置。 更明確地，本發(fā)明基于通過產(chǎn)生化學(xué)梯度進(jìn)行的能量產(chǎn)生，因此轉(zhuǎn)換化學(xué)能。
離子和水通道在自然界中分布廣泛，而且是生物學(xué)家和生物化學(xué)家公知的。它們 是轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，通過遺傳改造技術(shù)生成所述轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是公知的。然而，這種生成并不總是非常 容易的，因?yàn)榭缒さ鞍纂y以以有效量生成和提取。 生物膜也是廣泛已知的；典型的生物膜是脂雙層，通常是磷脂雙層。 用于產(chǎn)生仿生膜(其是具有與相應(yīng)的生物學(xué)過程類似的性能的人
工膜)的方法是公知的。例如，它可以參見書名為"Nanobiotechnology of
BiomimeticMembranes"(Springer，NY，2006-ISBN :978-0-387-37738-4)的書目(由此本文
通過提及而將其完整收入)中發(fā)表的Donald Martin的工作。實(shí)際上，可以在此類仿生脂
膜中插入任何蛋白質(zhì)。 本發(fā)明的裝置中所使用的仿生人工膜一般包含三層。圖1和圖2中顯示了這種復(fù) 合膜。這些層是
-多孔物理膜支持物(稱作支持膜)，其一般是公知的物質(zhì)種類可透過的聚合物膜 (但是其也可以是多孔硅膜，或者石墨烯膜)；-脂膜， 一般由磷脂制成，其摻入一種或多種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。優(yōu)選地，對(duì)脂質(zhì)進(jìn)行排列以 形成脂雙層。此類脂雙層膜可以厚約4nm;-聚電解質(zhì)膜(也稱作聚電解質(zhì)聚合物"墊")，其并不總被使用。將此層(通常厚 約40nm)插入支持層和脂雙層之間以便使脂雙層的粘附最大化，同時(shí)容許接觸支持膜的最 底部中的粘度更低且側(cè)向擴(kuò)散能力更好。 此膜系統(tǒng)以非常顯著的方式增強(qiáng)現(xiàn)有的半透膜?，F(xiàn)有的半透膜依賴于修飾膜的物 理特征以容許對(duì)特定分子進(jìn)行一定程度的選擇性轉(zhuǎn)運(yùn)。例如，在膜材料的選擇外，此類修飾 還可以包括表面電荷("可濕性")和孔徑大小("孔隙率(porosity)")的組合。然而，此 類型的膜在能夠選擇性控制離子和較大分子的透過性(permeability)方面是受限制的， 所述離子和較大分子同時(shí)存在于大多數(shù)復(fù)雜的"真實(shí)"流體(例如生物學(xué)流體、環(huán)境流體) 中。 所提出的仿生人工膜系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于通過使用存在于活細(xì)胞系統(tǒng)的脂雙層膜中 的特定轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白來控制人工膜系統(tǒng)的透過性。如此，提供如下人工膜，其具有以與活細(xì)胞系 統(tǒng)中存在的類似的方式選擇要轉(zhuǎn)運(yùn)的離子或分子的能力。大塊的脂雙層為摻入的生物學(xué)轉(zhuǎn) 運(yùn)蛋白分子不容許跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)的離子和分子提供隔離?？梢酝ㄟ^從提取自活細(xì)胞的生物學(xué)轉(zhuǎn) 運(yùn)蛋白的工具箱"構(gòu)筑"人工膜來將此選擇性賦予人工膜。 在不同的可用生物學(xué)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白中，我們可以以非限定方式引用Na7K+交換劑(也 稱作Na7K+-ATP酶)、Na+/H+交換劑(也稱作N+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、Na7葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、 HC03—/Cl—交換劑、尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、被動(dòng)葡萄糖通道、水通道蛋白、被動(dòng)離子通道(如短桿菌 肽A離子通道、纈氨霉素離子通道、或從活細(xì)胞分離的其它離子通道蛋白)、鎘轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、或 菌紫紅質(zhì)。 仿生人工膜被封裝在殼體中，而且以提供兩間不同的室的方式安排。兩室都適合 于以如下方式接受流體，即系統(tǒng)容許的兩間室之間進(jìn)行的僅有的交換可以流過仿生室發(fā) 生。 如圖1中所顯示的，優(yōu)選地，可以提供如下的兩室，它們都具有入口和出口，分別 用于對(duì)該室注入和排出具有特定組成的液體。
MH 圖1顯示了本發(fā)明仿生人工膜裝置的原理。 提供一個(gè)殼體，其可以構(gòu)建為擴(kuò)散室。如所解釋的，仿生膜分出兩間流體隔室，即 可以注滿流體的兩間不同的室。 若通過硅片技術(shù)構(gòu)建，則殼體可以是高度小型化的。確實(shí)，對(duì)室壁使用硅(其部分 是多孔硅)能夠?qū)崿F(xiàn)用微型電動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)(MEMS， Micro-Electro-Mechanical System)技 術(shù)構(gòu)建裝置。這可以產(chǎn)生小容積(約lcms或更小)的室，并產(chǎn)生超薄膜(數(shù)十納米)。
在示例性的例子中，仿生膜具有包含Na+/K+交換劑(Na+/K+-ATP酶)、Na+/H+交換 劑(Na7H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白)、和內(nèi)向整流型K+通道的脂雙層。 最初，兩室都含有相同的電解質(zhì)溶液(例如NaCl = 150mM， KC1 = 150mM， pH = 7. 4)，只是下部的室含有三磷酸腺苷(ATP)。
初級(jí)活性Na+/K+-ATP酶利用來自ATP結(jié)合的Pi來主動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)Na+和K+離子。此主
動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)是生電性的(electrogenic)并建立跨膜的不對(duì)稱Na+和K+離子梯度。 次級(jí)活性Na+/H+反向轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白利用由Na+梯度建立的勢(shì)能來建立跨膜的不對(duì)稱H+
離子梯度。 內(nèi)向整流型K+通道對(duì)于容許跨膜建立K+離子的能斯特平衡是必需的。有趣的是，
此能斯特平衡會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)(例如70-90mV)，其也可以用于此仿生人工膜隨后的納米電子應(yīng)
用(nanoelectronic application)。
此仿生人工膜裝置能夠產(chǎn)生 (i)由于離子的生電性流動(dòng)引起的電流， (ii)跨膜電勢(shì)(例如70-90mV)，和 (iii)由于不對(duì)稱離子梯度引起的顯著滲透壓， (iv)純化的液體，因?yàn)槭箍缒さ亩喾N溶質(zhì)的液體濃度改變。 此原理還可以適用于制備生物傳感器。 因此，本發(fā)明的仿生膜裝置容許產(chǎn)生化學(xué)梯度，其可以出于數(shù)個(gè)目的使用，如從描
述的剩余部分會(huì)更顯而易見的。 仿牛燃料電池 首先可以使用仿生膜裝置作為電能的來源。
S卩，存在從化學(xué)梯度直接產(chǎn)生電能的不同方式。 例如，最近已經(jīng)提出了使用根據(jù)pH差異工作的燃料電池。此辦法更明確地記載于 2006年12月4日提交的法國專利申請(qǐng)n。
06-55296，由此通過提及而將其完整收入。
還可以開發(fā)其它燃料電池，諸如能量來源是葡萄糖的葡萄糖燃料電池，和能量來 源是NaCl的鹽燃料電池。 還可以使用該裝置作為機(jī)械能的來源。 在此情況中，例如該裝置可以在基于摩爾滲透壓濃度梯度(gradients ofosmolarity)的系統(tǒng)中使用，如記載于2005年2月3日提交的法國專利申請(qǐng)n。 05-50314 的，由此通過提及而將其完整收入。 梯度可以是特定分子(葡萄糖、葡糖酸鹽)的梯度，或者它可以來自水通道蛋白 0120轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白)的使用，在該情況中，其是所產(chǎn)生的摩爾滲透壓濃度梯度的整體變化。
還可以參考離子交換樹脂和水凝膠，其通過體積變化來對(duì)變化(例如Na+或H+變 化)產(chǎn)生反應(yīng)。 還可以使用仿生膜裝置來活化EAP (電活性聚合物)，其通過在此類裝置的兩個(gè)面
之間產(chǎn)生電壓差異來實(shí)現(xiàn)。 純化機(jī)制 還可以使用仿生膜裝置作為純化的機(jī)制。 在此情況中，該裝置可以是人工腎的構(gòu)件(控制Na+轉(zhuǎn)運(yùn))。 可以使用該裝置來控制尿素(直接地，或者經(jīng)由與腎單位的各部分的機(jī)制類似的 機(jī)制)。 其可以進(jìn)一步用于控制水排泄(促成對(duì)水平衡的控制)，或水脫鹽。
仿生傳感器
可以使用仿生膜裝置作為傳感機(jī)制。確實(shí)，產(chǎn)生分子梯度能產(chǎn)生依賴于分子初始 值的電壓。這可以被開發(fā)用于測量該分子的濃度。 典型的例子會(huì)是葡萄糖傳感器。在此情況中，轉(zhuǎn)運(yùn)的蛋白可以包括SGLT(Na7葡 萄糖協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白)、或配體激活的離子通道。轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白會(huì)需要產(chǎn)生響應(yīng)于配體結(jié)合或所檢 測分子的協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)的離子流動(dòng)。然后會(huì)通過標(biāo)準(zhǔn)的電子學(xué)來檢測離子流量。會(huì)將別的轉(zhuǎn)運(yùn) 蛋白(圖1中所顯示的)添加至圖2中所略述的原理，這取決于應(yīng)用和離子轉(zhuǎn)運(yùn)要求。
Na+和葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)之間的偶聯(lián)的化學(xué)計(jì)量是定義明確的，其使得直接檢測葡萄糖 分子的靈敏生物電手段成為可能。此化學(xué)計(jì)量取決于特定的蛋白質(zhì)。例如，SGLT1用每個(gè) 葡萄糖分子轉(zhuǎn)運(yùn)2個(gè)Na+離子，而SGLT2用每個(gè)葡萄糖分子轉(zhuǎn)運(yùn)1個(gè)Na+離子，而SGLT3用 每個(gè)葡萄糖分子的結(jié)合轉(zhuǎn)運(yùn)2個(gè)Na+離子。SGLT3是SGLT家族的罕見成員，因?yàn)樗鼘?shí)際上 不轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖，但確實(shí)可靠地跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)Na+離子。認(rèn)為SGLT3是神經(jīng)內(nèi)分泌細(xì)胞的生物學(xué) 葡萄糖傳感器。 重要的特征在于SGLT轉(zhuǎn)運(yùn)依賴于逆葡萄糖濃度梯度轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖的現(xiàn)有Na+梯度。 若沒有葡萄糖濃度梯度，則SGLT會(huì)發(fā)揮Na+單向轉(zhuǎn)運(yùn)功能，而且產(chǎn)生背景生電性Na+轉(zhuǎn)運(yùn)。
文獻(xiàn)中有數(shù)種抑制劑，包括根皮苷(phloridzin)、根皮素、根皮苷(phlorizin)、 對(duì)硝基苯葡萄糖、P _萘基葡萄糖、鎘、異槲皮苷、繡線菊苷、a -甲基-D-葡糖苷、和ANP。
根據(jù)特定的SGLT蛋白，文獻(xiàn)中有數(shù)種底物，包括果糖、D-葡萄糖、D-甘露糖、半乳 糖、a-甲基-D-吡喃葡萄糖苷、a-甲基-D-葡萄糖、甲基氧化偶氮甲醇P _D_葡糖苷、 3-0-甲基葡萄糖、2-脫氧-D-葡萄糖、肌醇(Myo-inositol)。 圖3顯示了用于對(duì)仿生葡萄糖生物傳感器的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的物理系統(tǒng)，其中電流
通過上部和下部的室中的電極來測量。所使用的旁注具有以下意義-仏(t) = Na+向上部的室的輸入 -U2(t)=葡萄糖向上部的室的輸入 -U3(t)=溶液向下部的室的輸入 _kQ1 =溶液自上部的室的流出 _k。3 =溶液自下部的室的流出 -k。4 =產(chǎn)物自葡萄糖氧化酶反應(yīng)的流出 -k31 = SGLT1對(duì)Na+的(正向)轉(zhuǎn)運(yùn)速率 -k32 = SGLT1對(duì)葡萄糖的(正向)轉(zhuǎn)運(yùn)速率 -k13 = SGLT1對(duì)Na+的(逆向)轉(zhuǎn)運(yùn)速率 -k23 = SGLT1對(duì)葡萄糖的(逆向)轉(zhuǎn)運(yùn)速率 -k34 =通過葡萄糖氧化酶進(jìn)行的葡萄糖消耗 -k43 =葡萄糖氧化酶反應(yīng)的產(chǎn)物 圖4是顯示與物理系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的通用隔室模型的圖示。在此圖示中-隔室1表示Na+在上部的室中的濃度 _隔室2表示葡萄糖在上部的室中的濃度 _隔室3表示溶液在上部的室中的濃度-隔室4表示葡萄糖氧化酶在下部室中的濃度 通用隔室模型可以以微分方程的以下線性集描述
<formula>formula see original document page 8</formula>
發(fā)明詳述 可以開發(fā)另一種類型的生物傳感器。即可以使用該裝置作為仿生光傳感器，其中轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白分子會(huì)是菌紫紅質(zhì)。此轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的摻入會(huì)產(chǎn)生仿生人工膜系統(tǒng)，其以與視網(wǎng)膜類似的方式對(duì)光進(jìn)行響應(yīng)。菌紫紅質(zhì)會(huì)響應(yīng)于光而跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)^離子?？梢允褂美鏿H探針或本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的其它PH傳感機(jī)制來檢測這種H+離子流動(dòng)。 還有可能構(gòu)建光敏性三維微膠囊。此系統(tǒng)可以提供切緣(cutting-edge)平臺(tái)，其中使用光作為開關(guān)來選擇性控制離子通道門控。例如，此類系統(tǒng)的明顯應(yīng)用會(huì)在藥物遞送或受控尋靶中，其中使用中空的微球作為遞送劑，而離子通道發(fā)揮功能以促進(jìn)微粒內(nèi)容物的受控釋放。 因?yàn)榭梢詷?gòu)建具有500nm直徑的微膠囊，所以可以將光敏性微膠囊的陣列附著至柔性基質(zhì)以創(chuàng)建例如"人工視網(wǎng)膜"。這是一種創(chuàng)新的辦法，用以構(gòu)建穩(wěn)固地基于納米生物技術(shù)原理的光敏性材料。即，使用生物學(xué)原理引導(dǎo)和影響通過工程化改造和物理科學(xué)開發(fā)的材料和方法以創(chuàng)建新型微膠囊。因?yàn)榫霞t質(zhì)的光應(yīng)答的轉(zhuǎn)導(dǎo)產(chǎn)生由于離子流量變化引起的電化學(xué)梯度，所以可以將用于創(chuàng)建"人工視網(wǎng)膜"的納米結(jié)構(gòu)化微膠囊的陣列摻入柔性支持物諸如導(dǎo)電性聚合物上。此類聚合物技術(shù)已經(jīng)存在。電化學(xué)離子流量"讀出"適合于順應(yīng)現(xiàn)有的微芯片技術(shù)進(jìn)行的改編。來自此技術(shù)的結(jié)果是薄的、柔性的且光敏性的膜，其為光傳感器裝置(包括"人工視網(wǎng)膜")提供基礎(chǔ)。
轉(zhuǎn)運(yùn)g白在仿牛人工膜中的密度 —般要求仿生人工膜具有整體的高離子電導(dǎo)，以便提高整合此仿生膜的裝置的性能。 理論上，上限可能是每6個(gè)脂質(zhì)分子約l個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白分子。然而，上限取決于個(gè)體轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白如何在脂雙層的脂質(zhì)分子中間包裝和裝配，而且的確是復(fù)雜的理論計(jì)算(取決于結(jié)合能等)。 從不同實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)出，轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白相對(duì)于脂質(zhì)分子的密度的典型運(yùn)行上界是每1個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白約105個(gè)脂質(zhì)分子。在認(rèn)為典型的脂膜中每平方厘米有1014個(gè)脂質(zhì)分子時(shí)，這表示每平方厘米有約109個(gè)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白密度。 該裝置作為燃料電池正確運(yùn)轉(zhuǎn)的一般原理在于存在有至少足以達(dá)到可測量電流的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白分子密度?？蓽y量的電流可以低到微微安培(pico-ampere)范圍內(nèi)。
若個(gè)體轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白具有高離子電導(dǎo)(即，個(gè)體地低電阻途徑)，則轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白分子的密度可以是相當(dāng)小的，以便達(dá)到可測量的電流。 例如，VDAC蛋白(電壓依賴性陰離子選擇性通道)具有4nS的極高的單通道電導(dǎo)。因此，VDAC蛋白相對(duì)于脂質(zhì)分子的密度的下界是每1個(gè)VDAC蛋白5*109個(gè)脂質(zhì)分子。這表示每平方厘米有2*104個(gè)離子通道的離子通道蛋白的密度。 若個(gè)體轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白具有低的離子電導(dǎo)，則會(huì)需要較大的密度，以達(dá)到可測量的電流。
例如，Na7lC-ATP酶轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是這種情況，該酶是產(chǎn)生相對(duì)較低電流的酶。雖然如此，由于每摩爾6*1023個(gè)分子，該裝置中仍只需要總濃度小的低電導(dǎo)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白來產(chǎn)生可測量的電流。
實(shí)施例 第一系列的實(shí)施例涉及裝置A，其包含-仿生膜(其含有至少一種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白)，其構(gòu)成有 Q磷脂分子，優(yōu)先地，其以雙層排列以模擬活細(xì)胞中找到的天然存在的脂雙層膜的形式和化學(xué)組成， Q支持聚合物膜，其用于支持脂雙層膜， Q該支持聚合物膜對(duì)于脂雙層膜中所含有的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白轉(zhuǎn)運(yùn)的離子和分子是可自由透過的，-由該膜分開的兩間隔室， Q最初，為兩間隔室注入具有類似濃度的所有分子或離子的液體組合物，
Q隔室之一可以是細(xì)胞外液。 在實(shí)施例Al中，提供了 一種包含單一轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的仿生膜裝置A，所述轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是Na+/K+交換劑(ATP依賴性的)。 這導(dǎo)致Na+梯度，該Na+梯度對(duì)于其機(jī)械效果，或者作為純化系統(tǒng)(人工腎)是有用的。 有可能經(jīng)由滲透效果來產(chǎn)生機(jī)械效果，因?yàn)?個(gè)Na+交換2個(gè)K+。作為一個(gè)實(shí)例，其中室中的流體具有125毫摩爾/L的NaCl濃度，Na+/K+交換劑的運(yùn)行可以跨脂膜建立40毫滲摩爾/L的滲透梯度，其對(duì)應(yīng)于1個(gè)大氣壓的壓力。若有足夠的ATP，則該泵會(huì)繼續(xù)運(yùn)行，并且從膜的一側(cè)的Na+會(huì)被消除。 考慮到Na7K+交換劑建立跨膜的125毫摩爾/L Na+電化學(xué)梯度的特性，所得的電勢(shì)可以是63毫伏。 還有可能經(jīng)由離子交換樹脂或水凝膠的膨脹來產(chǎn)生機(jī)械效果。 在實(shí)施例A2中，提供了 一種包含單一轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的仿生膜裝置A，所述轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是
HC03—/Cl—交換劑。 此裝置產(chǎn)生H+梯度，條件是任何酶促系統(tǒng)(例如脲酶)或生物學(xué)系統(tǒng)(例如酵母)生成(A。還可以反向考慮消除來自呼吸的(A。 在實(shí)施例A3中，提供了 一種包含單一轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的仿生膜裝置A，所述轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是Na+/H+交換劑。 一個(gè)隔室(隔室1)含有葡萄糖氧化酶，而第二個(gè)隔室(隔室2)含有脲酶。最初，兩間隔室都含有水、NaCl、葡萄糖和尿素。 酶的作用使得在隔室1中生成H+并在隔室2中生成OH—。 Na+和H+之間的交換在統(tǒng)計(jì)學(xué)上更多地朝提高隔室1中的Na+濃度的方向發(fā)生。確實(shí)，一段時(shí)間后會(huì)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，其中Na+/H+交換劑會(huì)將H+離子從隔室1轉(zhuǎn)運(yùn)至隔室2以交換將Na+離子從隔室2轉(zhuǎn)運(yùn)至隔室
91。這導(dǎo)致隔室1中的Na+離子濃度提高而隔室2中的H+離子濃度提高。 此類裝置產(chǎn)生顯著的Na+梯度，其對(duì)于機(jī)械能產(chǎn)生(經(jīng)由滲透、離子交換樹脂或水
凝膠)，或?qū)τ谝后w純化是有用的。 通過裝置A3，可以產(chǎn)生鹽燃料電池，其中NaCl是能量的來源。用Na+/H+交換劑使膜功能化。最初膜兩側(cè)都是純水。在一側(cè)逐漸導(dǎo)入NaCl。這產(chǎn)生Na+梯度，其激活與H+進(jìn)行的交換。然后產(chǎn)生H+梯度。將這種梯度利用在例如pH依賴性燃料電池中。事實(shí)上，任何H+對(duì)應(yīng)于電子。 可以通過逐漸溶解NaCl，在人體外操作此裝置。與葡萄糖燃料電池(記載于2006年12月4日提交的法國專利申請(qǐng)n。 06-55296的)相比的優(yōu)點(diǎn)在于不需要酶，鹽比葡萄糖可溶性更好，而且其分子量更低。因此，功率質(zhì)量比(powerto mass ratio)可以比葡萄糖燃料電池的好得多。每摩爾NaCl可以產(chǎn)生l摩爾電子。若假定在5個(gè)單位的pH梯度下運(yùn)行(在pH依賴性燃料電池的情況中，其中用l個(gè)電子交換每個(gè)生成的H+)，則這意味著5承60=300mV，因此該燃料的最大理論功率質(zhì)量比為96500*0. 3/58J/g = 500J/g (要與最好的電池相比，所述最好的電池能夠提供160Wh/kg = 576J/g)。然而，它還必須考慮水的重量。
若在人體內(nèi)使用，則不再需要產(chǎn)生ATP，而是Na+梯度。 在實(shí)施例A4中，提供了 一種包含單一轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的仿生膜裝置A，所述轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白是被動(dòng)葡萄糖通道。這可以與以下裝置一起使用，所述裝置記載于2006年12月4日提交的法國專利申請(qǐng)n。 06-55296，其中隔室之一是細(xì)胞外液(ECF)，而第二隔室含有葡萄糖氧化酶，其用于通過自ECF傳遞至該第二隔室的葡萄糖來降低pH。在此情況中，困難的問題在于ECF中存在化學(xué)緩沖劑，諸如HC03—。在A4仿生膜的情況中，葡萄糖氧化酶會(huì)在"免于緩沖劑的保護(hù)"的情況中工作，因?yàn)镠C03—將不能通過該膜從ECF到第二隔室。
這在幫助降低pH，或由于葡萄糖在葡糖酸鹽形式下被捕獲而引起的滲透效果方面會(huì)是令人感興趣的。 在添加電極以測量脂雙層表面每側(cè)的電勢(shì)時(shí)，有可能將第一系列的所有裝置A改成與測試的第二系列對(duì)應(yīng)的裝置B，其中使用該裝置進(jìn)行電壓測量，或作為生物傳感器。
在第三系列的實(shí)施例中，提供了一種與A類似的裝置C，其中使用兩種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。
在實(shí)施例Cl中，提供了一種包含Na+/K+交換劑(ATP依賴性的)和Na+/H+交換劑的仿生膜裝置C。 這產(chǎn)生H+梯度，其可以用于pH依賴性燃料電池。 在實(shí)施例C2中，提供了一種包含Na+/K+交換劑(ATP依賴性的)和HC03—/C1—交換劑的仿生膜裝置C。 可以使用此裝置來純化鹽水。 在實(shí)施例C3中，提供了一種包含Na+/K+交換劑(ATP依賴性的)和SGLTx (Na7葡萄糖交換劑)的仿生膜裝置C。 這在作為燃料電池使用方面或在消除葡萄糖方面可以是令人感興趣的。對(duì)于后一種，轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖的隔室含有葡萄糖氧化酶。然而，這暗示經(jīng)由閥(valve)消除所生成的葡糖酸鹽(驅(qū)動(dòng)此消除的能量可以是滲透能，因?yàn)槠咸撬猁}被"捕獲")。 在實(shí)施例C4中，提供了一種包含尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白和Na+/K+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的仿生膜裝置A。后一種產(chǎn)生Na+梯度，然后其被前一種使用來提高尿素濃度?；蛘撸梢允褂闷咸烟茄趸竵斫档鸵粋€(gè)隔室中的pH，然后使用Na7H+和尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的組合來提高尿素濃度。
可以使用此系統(tǒng)來管理尿素排泄。更明確地，這可以在可植入的人工腎中使用。
在第四系列的實(shí)施例中，提供組合了裝置B (電壓測量)和裝置C (兩種轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白) 的特征的裝置D。 例如，對(duì)于相應(yīng)的葡萄糖傳感器，通過Na+/K+交換劑的作用來跨膜建立穩(wěn)態(tài)Na+梯 度，其中在膜的一側(cè)的Na+離子濃度提高。 1個(gè)葡萄糖分子與SGLTx轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的結(jié)合結(jié)合葡萄糖分子，而且導(dǎo)致SGLTx轉(zhuǎn)運(yùn)蛋
白的構(gòu)象變化，由此葡萄糖分子和2個(gè)Na+離子都被跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)。 跨膜電極檢測通過2個(gè)Na+離子的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)引起的電壓或電流的變化。 傳感器如下運(yùn)行，即檢測通過SGLTx轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白跨膜協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)葡萄糖分子和Na+離
子引起的電流的穩(wěn)態(tài)電壓變化。 使用"橋式"電路來檢測由于葡萄糖分子和Na+離子的協(xié)同轉(zhuǎn)運(yùn)引起的穩(wěn)態(tài)電壓或 電流的此類小變化。 在第五系列的實(shí)施例中，提供了一種裝置E，其中由電活性聚合物(EAP)制成的傳 動(dòng)器(actuator)位于H+依賴性燃料電池的兩個(gè)半電池之間。 這產(chǎn)生"燃料肌肉"(fuel muscle)，其通過組合利用先前所描述的機(jī)制之一產(chǎn)生 的PH降低、氧化還原對(duì)諸如我們?cè)?葡萄糖燃料電池"中使用的(例如Quinhydrone)，和 EAP來實(shí)現(xiàn)。 經(jīng)由合適的電阻建立電接觸會(huì)導(dǎo)致EAP的彎曲(flexion)。 可能有必要串聯(lián)連接數(shù)個(gè)"pH依賴性燃料電池"，以便獲得所要求的電壓來運(yùn)行 EAP。 在第六系列的實(shí)施例中，提供了一種模擬腎的裝置F。 為此，提供了序貫組織的數(shù)個(gè)先前的裝置，以便逐漸從輸入流體移動(dòng)至富集了尿 素的輸出流體(in order to progressively move from an input fluid to anouput fluid enriched in urea)，這是由于連續(xù)產(chǎn)生滲透梯度和被動(dòng)尿素移動(dòng)。
1權(quán)利要求
一種裝置，其包含殼體和該殼體內(nèi)安排的仿生人工膜以形成兩間不同的室，其中每間室是為了封裝給定組成的液體而提供的，且其中所述仿生人工膜包含用于支持脂膜的半透膜，所述脂膜包含成層排列的多個(gè)脂質(zhì)分子，并至少包含轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，所述轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白適合于在所述兩間室之間轉(zhuǎn)運(yùn)所述液體的離子和/或分子。
2. 權(quán)利要求1的裝置，其中所述脂膜包含以雙層排列的多種脂質(zhì)分子。
3. 權(quán)利要求2的裝置，其中所述轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白選自Na7K+交換劑、Na7H+交換劑、Na7葡 萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、HC(V/C1—交換齊U、尿素轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、被動(dòng)葡萄糖通道、水通道蛋白、被動(dòng)離子通 道、鎘轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白、菌紫紅質(zhì)、或其組合。
4. 權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)的裝置，其中所述脂膜包含兩種不同轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。
5. 權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)的裝置，其中所述脂雙層膜包含超過兩種不同的轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白。
6. 權(quán)利要求1至5任一項(xiàng)的裝置，其中所述仿生人工膜進(jìn)一步包含聚電解質(zhì)膜。
7. 權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)的裝置，其進(jìn)一步包含在所述脂膜兩側(cè)安排的電極。
8. 權(quán)利要求1至7任一項(xiàng)的裝置，其中所述仿生人工膜包含兩個(gè)脂膜和在所述兩個(gè)脂 膜之間安排的電活性聚合物膜。
9. 權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)的裝置，其中所述支持膜對(duì)于所述液體組合物的任何離子和 /或分子是可透過的。
10. 權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)的裝置，其中所述支持膜是多孔聚合物、硅或石墨烯膜。
11. 權(quán)利要求1至10任一項(xiàng)的裝置，其中每間室包含用于向該室注入所述給定組成的 液體的入口。
12. 權(quán)利要求l至ll任一項(xiàng)的裝置，其中每間室包含用于將所述液體排出該室的出口。
13. 權(quán)利要求1至12任一項(xiàng)的裝置，其中兩室都包含具有所述相同組成且具有相同離 子和/或分子濃度的相同液體。
14. 權(quán)利要求13的裝置，其中所述室之一進(jìn)一步包含適合于激活用所述轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白在兩 室之間轉(zhuǎn)運(yùn)所述液體組合物的離子和/或分子的物質(zhì)。
15. 權(quán)利要求14的裝置，其中所述供激活用的物質(zhì)是三磷酸腺苷。
16. 權(quán)利要求13至15任一項(xiàng)的裝置，其中所述室之一進(jìn)一步包含適合于抑制用所述轉(zhuǎn) 運(yùn)蛋白在兩室之間轉(zhuǎn)運(yùn)所述液體組合物的離子和/或分子的物質(zhì)。
17. 權(quán)利要求13至16任一項(xiàng)的裝置，其中所述室之一進(jìn)一步包含對(duì)如下物質(zhì)起作用的 酶，所述物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)由所述受轉(zhuǎn)運(yùn)的分子或離子的特征決定。
18. 權(quán)利要求16的裝置，其中所述酶是葡萄糖氧化酶，而所述物質(zhì)是葡萄糖。
19. 權(quán)利要求1至18任一項(xiàng)的裝置，其中所述室的壁由硅制成，其部分是多孔硅。
20. 權(quán)利要求1至19任一項(xiàng)的裝置，其中所述室具有小于lcm3的容積。
21. 權(quán)利要求1至20任一項(xiàng)的裝置，其中所述膜具有小于100nm，且優(yōu)選小于20nm的
22. —種燃料電池，其包含權(quán)利要求1至21任一項(xiàng)的裝置，其中所述裝置適合于產(chǎn)生 pH梯度，且其中所述燃料電池包含用于將所述pH梯度轉(zhuǎn)換成能量的手段。
23. 權(quán)利要求22的燃料電池，其中所述裝置包含包括Na7H+轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的仿生人工膜， 且其中所述液體包含NaCl。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種裝置，其包含殼體和該殼體內(nèi)安排的仿生人工膜以形成兩間不同的室，其中每間室是為了封裝給定組成的液體而提供的，且其中所述仿生人工膜包含用于支持脂膜的半透膜，所述脂膜包含成層排列的多個(gè)脂質(zhì)分子，并至少包含轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白，所述轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白適合于在兩間室之間轉(zhuǎn)運(yùn)所述液體的離子和/或分子。
文檔編號(hào)B01D69/14GK101796683SQ200880104963
公開日2010年8月4日 申請(qǐng)日期2008年6月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月29日
發(fā)明者唐納德·馬丁, 菲利普·辛奎因 申請(qǐng)人:格勒諾布爾約瑟夫.傅立葉第一大學(xué)