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  選擇性采收和分離浮游單細胞是一個很多領(lǐng)域中普遍存在的難題， 包括控制細菌生物膜生長，診斷癌細胞轉(zhuǎn)移，凈化飲用水， 以及開發(fā)基于微藻的生物燃料等等。微藻被廣泛認為是當前最具潛力的原料，可用來制備石化燃料替代品的生物燃料。在能源危機日益緊張、環(huán)境問題日趨嚴峻的今天，微藻的開發(fā)利用具有重要的研究價值以及社會和經(jīng)濟效益。但采收難題導致了基于微藻的生物燃料成本過高, 成為制約微藻產(chǎn)業(yè)化進程的瓶頸。

  近日, 梁紅軍教授團隊創(chuàng)新性提出“可收集，可回收，可重復(fù)使用”的設(shè)計理念，并從生物學中獲得靈感, 通過模仿具有促進細菌凝聚作用的細菌外膜囊泡，合成了新型核殼結(jié)構(gòu)的磁性納米粒子緊鎖高分子刷（NPPB）, 實現(xiàn)了從傳統(tǒng)高分子絮凝劑到超凝集劑的質(zhì)變 (圖1)。每個NPPB由三個部分組成：最內(nèi)層為順磁性四氧化三鐵納米顆粒，使得NPPB可通過經(jīng)濟有效的磁泳實現(xiàn)分離；中間層為二氧化硅殼，不僅可以增強四氧化三鐵納米核的穩(wěn)定性，還提供了豐富的硅烷化學以便進行表面改性；最外層為由共價接枝的高分子刷組成的帶電“毛發(fā)”層。

圖1. 具有“可收集，可回收，可重復(fù)使用”的核殼結(jié)構(gòu)磁性納米粒子緊鎖高分子刷 （NPPB）可用于經(jīng)濟高效采收微藻的應(yīng)用。（a）NPPB橫截面示意圖。(b) NPPB的透射電鏡照片清楚地顯示其三層結(jié)構(gòu)（比例尺：50 納米）：磁性四氧化三鐵納米核（黑色），二氧化硅殼（灰色）和聚 (4-乙烯基吡啶) 高分刷外層（淺灰色）。（c）聚陽離子NPPB引導的微藻脫水循環(huán)示意圖：（i）將NPPB（紫色“毛狀”球）加入微藻（綠色球體）生長液中; （ii）微藻自發(fā)絮凝和沉淀; （iii）在對磁泳收集的微藻絮凝作藻油提取和殘余生物質(zhì)去除后，回收的NPPB可直接重復(fù)使用。

  標準化脫水測試清楚地展示出了NPPB相對于另外兩種常用絮凝劑（即無機納米顆粒和普通鏈狀高分子絮凝劑）的顯著優(yōu)勢 (圖2)。由于存在一個對劑量敏感的絮凝- 解離平衡狀態(tài)，傳統(tǒng)的鏈狀高分子絮凝劑只能緩慢誘導微藻脫水。而NPPB可借助于其不可壓縮的固態(tài)納米內(nèi)核和聚合物刷自身長度，來克服相鄰微藻細胞間的相似電荷排斥作用，進而實現(xiàn)快速且不可逆的微藻脫水。最后，采收到的微藻和NPPB混凝體在提取完藻油后，再經(jīng)離子液體處理成功實現(xiàn)了“綠色回收”并重復(fù)使用，進而顯著降低絮凝劑的材料成本及對下游工藝和環(huán)境的潛在污染。

圖2. 核殼結(jié)構(gòu)磁性納米粒子緊鎖高分子刷 （NPPB）引導的快速微藻絮凝。光學顯微鏡照顯示萊茵衣藻 （C.r.） 在其生長液中（1 mg/ml）分散良好（a），和加入NPPB后萊茵衣藻聚集成簇（b）。掃描電子顯微鏡研究進一步揭示了萊茵衣藻在加入NPPB之前（c）和之后（d）的形態(tài)差異。特寫視圖中清楚地看到球狀NPPB附著于C.r. 表面（d中的插圖。比例尺：5 微米）。 透射電鏡橫截面圖清楚地展示了NPPB在引導微藻凝集脫水過程中的作用。在加入NPPB之前藻類細胞由于同性電荷排斥而彼此保持一定距離處于浮游狀態(tài)（e）；加入NPPB之后，藻類細胞以NPPB為橋梁凝集在一起（f）。

  梁紅軍教授還與科羅拉多礦業(yè)學院 David Wu教授合作將實驗與理論計算相結(jié)合, 首次利用DLVO和自洽場模型 (SCFT)理論分別模擬微藻的膠體穩(wěn)定性和高分子刷的動態(tài)響應(yīng)，揭示了NPPB與傳統(tǒng)的鏈狀高分子絮凝劑在調(diào)節(jié)藻類間電位方面的根本性區(qū)別 (圖3)。實驗和模型分析均揭示了一個引發(fā)微藻凝聚的最小高分子刷鏈長和最優(yōu)鏈長的存在，超出此范圍增加鏈長帶來的好處會迅速減弱。此外，除了電荷相互作用， NPPBs上的高分子刷還可以設(shè)計為其他類型的吸引力，如氫鍵，離子橋和化學配位等。其團隊預(yù)計“可收集，可回收，可重復(fù)使用”的NPPB概念不僅有助于釋放基于藻類對生物燃料的巨大潛力，并將有益于其他領(lǐng)域內(nèi)涉及到浮游單細胞捕獲和分離，以及合理控制利用膠體穩(wěn)定性的應(yīng)用（例如，3D打印油墨，光子晶體等）。

圖3.基于DLVO理論和SCFT的計算模擬揭示了聚陽離子NPPB引導的微藻采收脫水的機理。（a）NPPB上的聚陽離子高分子刷在水中的分布圖及刷長。（b）聚陽離子NPPB與微藻相互作用能隨高分子刷鏈長（N）和NPPB與藻類細胞之間的表面間距（D）的變化。(c) 計算模擬的由聚陽離子NPPB引導的微藻采收脫水效率。 (d)聚陽離子NPPB可以被看作是（Debye Ball）。 對于一個特定結(jié)構(gòu)的“德拜球”，每個微藻需要吸附至少k_c個“德拜球”才能克服相鄰微藻細胞間或NPPB間的相似電荷排斥作用；同時，由于物理尺寸限制，每個微藻最多只能提供k* 個“德拜球”的吸附位置。計算模擬顯示存在一個最小高分子刷鏈長（在當前計算參數(shù)下N～20），只有在此鏈長以上才能滿足k_c≤k*，這也是成功實現(xiàn)微藻采收的先決條件。

  關(guān)于磁性納米粒子緊鎖高分子刷（NPPB）在微藻采收脫水上的應(yīng)用已獲美國專利（Liang, H. J. Harvesting Micro Algae. U.S. Patent 9,464,268 B2, 2016）。相關(guān)研究成果最近以“Spontaneous microalgae dewatering directed by retrievable, recyclable, and reusable nanoparticle-pinched polymer brushes”為題發(fā)表在 Chemistry of Materials期刊（Chemistry of Materials, 2019， acs.chemmater.9b00336）上。論文第一作者為梁紅軍教授課題組博士畢業(yè)生Liangju Kuang （鄺良菊），目前在哈佛醫(yī)學院從事博士后研究。通訊作者為德州理工大學醫(yī)學院Hongjun Liang （梁紅軍）教授。

  論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.chemmater.9b00336