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在现代水处理、生物技术和制药行业中，蛋白质分离至关重要。研究人员以纤维素衍生物为材料，制备硝酸纤维素（CN）/ 醋酸纤维素（CA）共混超滤膜并添加改性剂。结果显示，特定比例和浓度的膜性能优越，添加剂可进一步优化。该研究为环保型膜材料开发提供新思路。
在水处理、生物技术和制药领域，蛋白质分离是一项关键挑战。蛋白质参与众多细胞过程，如催化生化反应、调节代谢、参与信号转导和支持免疫反应等。获得纯净且功能正常的蛋白质，对开发有效疗法、创建诊断测试和探索新治疗方案至关重要。超滤（UF）作为一种常用的蛋白质分离技术，利用半透膜选择性去除特定大小的分子。然而，传统膜材料多为石油基聚合物，依赖不可再生资源且对环境有负面影响，开发更可持续、可生物降解的膜材料迫在眉睫。
在此背景下，俄罗斯圣彼得堡国立大学的研究人员开展了一项极具意义的研究。他们聚焦于以硝酸纤维素（CN）为基础制备超滤膜，通过将 CN 与醋酸纤维素（CA）共混，并添加聚砜（PSU）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP K - 30）和锌基金属有机框架（ZnBIM）等添加剂对膜进行改性，以实现高效的蛋白质超滤分离。该研究成果发表在《Carbohydrate Polymers》上。
研究人员为开展此项研究，运用了多种关键技术方法。他们通过改变聚合物溶液浓度和溶剂种类制备多孔膜，利用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、核磁共振（NMR）、X 射线光电子能谱（XPS）等多种分析方法对铸膜液和膜进行表征，还通过接触角测量、粘度和粒径分布分析等手段研究膜的性能。同时，利用超滤分离牛血清白蛋白（BSA）溶液评估膜的传输性能，并基于研究数据开发机器学习模型预测膜组成配方。
下面详细介绍研究结果：
- 共混 CN/CA 基膜的研究：研究人员为确定超滤膜的最佳制备条件，基于原始 CN 制备多孔膜，改变聚合物溶液浓度（10、15、20 和 25 wt%）和溶剂（DMA 或 MeOH/DMA（4:1）），并在水和 BSA 溶液的超滤过程中进行测试。结果表明，DMA 是更优溶剂，15 和 20 wt% 的铸膜液组成更合适。在此基础上，研究不同 CN/CA 比例（75:25、50:50 和 25:75）和聚合物铸膜液粘度（15% 和 20%）对膜传输特性的影响。发现由 20 wt% 溶液制备的 CN/CA（75:25）膜在超滤中表现出色，水通量达到 295 L m?2h?1atm?1，对牛血清白蛋白（BSA）的截留率为 90.5%，通量恢复率（FRR）为 50.3%。
- 添加剂改性膜的研究：对上述性能优越的 CN/CA（75:25）膜进一步添加不同添加剂进行改性。疏水性的 PSU 显著提高了水通量，达到 382 L m?2h?1atm?1；亲水性的 ZnBIM 改善了截留性能，截留率提升至 96.8%；PVP K - 30 则大幅增强了抗污染性能，FRR 提高到 84.4% 。
- 机器学习模型预测膜组成：研究人员基于研究过程中获得的传输数据，开发并训练机器学习模型，具体为使用 LightGBM 回归模型的多目标遗传算法。该模型成功识别出具有更高 BSA 通量、高截留率（R）和 FRR 的膜组成配方，并通过实验测试验证了模型的有效性。
研究结论表明，研究人员成功制备了用于高效超滤分离蛋白质的 CN 基膜，通过与 CA 共混和添加剂改性，显著改变了膜的传输特性。不同 CN/CA 比例和铸膜液浓度影响膜性能，且添加剂能针对性地优化膜的各项性能。机器学习模型为探索更优膜组成提供了有效工具。
这项研究意义重大。一方面，它为超滤膜材料的选择提供了新方向，以环保的纤维素衍生物替代传统石油基聚合物，符合可持续发展理念。另一方面，通过共混和添加剂改性的策略，为优化膜性能提供了可行方法，提升了蛋白质超滤分离的效率和效果。此外，机器学习模型的应用为膜材料研发提供了新的技术手段，有助于加速新型高效膜材料的开发，推动水处理、生物技术和制药等相关行业的发展。
