《nature》重磅- -改造水！！！或将实现血液替代

糖水中溶解更多的二氧化碳，缔造出了可口可乐的百年传奇。如果有一种技术可以使得更多的气体溶于水，会发生什么神奇的故事呢？

来自哈佛大学Jarad A. Mason教授团队构建了一个系统，可制造永久“多孔”的水，让气体能以高浓度存储于液体中。该研究成果于2022年8月24日以题为“Microporous water with high gas solubilities”发表在《Nature》上，研究团队让定制的多孔纳米晶体悬浮于水和其他水溶液中，这些固体的内表面拒斥水分子，从而有着“干燥”的孔穴，可以从周围液体中吸收气体，这使其可存储气体，包括氧和二氧化碳，且储存浓度远高于现阶段能达到的水平。由于高度富含氧气的水或可作为血液的替代品，因此这项工作可能对生物医学的发展具有重大意义。该研究成果作为杂志封面推出，引起了大家广泛的关注。

与传统溶剂相比，具有永久多微孔的液体可以吸收更多的气体分子，为液相气体的储存、输送和反应提供了新的机会。目前设计多孔液体的方法，主要依赖于空间体积大的溶剂分子或表面配体，因此不适用于许多包括水在内的许多重要溶剂。因此，Jarad A. Mason教授团队构建了一种通用的热力学策略，以保持永久性多微孔并赋予液态水较高的气体溶解度。简而言之，就是调整微孔沸石和金属-有机框架（microporous zeolite and metal–organic framework，MOF）纳米晶体的外表面和内表面化学性质，以促进其在水中形成稳定的分散体，同时保证气体分子可进入到干燥的多微孔网络。由于其具有永久性的性质，因此这些水性流体可以将气体（包括O2和CO2）浓缩到比普通水性流体高得多的密度。当这些液体被氧化时，可以将高容量O2输送到缺氧的红细胞，这强调了这种新型多微孔液体在机体气体输送中的一个潜在的应用。

水是所有生物过程和许多对可持续能源生产、储存和利用至关重要的化学转化的普遍溶剂。它的极性和氢键倾向促进了极性物质的溶剂化，但抑制了非极性物质的溶解，包括大多数气体。气体在水中的低溶解度通常比普通有机溶剂低一个数量级，这大大限制了许多生物医学和能源相关技术的发展。

多微孔固体由于其内表面积和孔体积高，可以通过吸附浓缩气体分子，其密度远高于普通条件下气体溶解的密度。已有研究表明，永久多微孔隙率并不完全是固态材料的一个特征，是可以扩展到一类多孔液体的新生材料的液相中。迄今为止开发的所有多孔液体都由微孔纳米晶体或有机笼状分子组成，这些分子分散在有机溶剂或离子液体中，这些溶剂或离子液体因太大而无法通过孔隙入口扩散，使微孔空置并可供气体分子进入。由于其固有的多微孔隙率，这些液体可以比相应的无孔液体储存更多的气体分子。然而，这种基于空间位阻的液体中保持永久多微孔隙率的方法不能转移到水性系统中，因为大小可吸附任何气体分子的微孔，也可以容纳H2O分子。

某些蛋白质和分子孔隙含有可接近H2O分子大小的孔，但由于疏水性侧链或官能团的存在，这些孔可在水溶液中保持干燥，从而对驻留在非极性孔隙内而非本体液体内的H2O分子造成热力学损失。

受上述研究的启发，研究人员采用了一种新的策略，基于热力学而非空间学，构建出具有永久多微孔和高气体吸附能力的液体。具体而言，具有疏水内表面和亲水外表面的多微孔纳米晶体，可被设计成在水中形成均匀、稳定的分散体，与填充多微孔网络相比，该分散体在水与体液相中的其他水分子相互作用在热力学上更有利，并可使其永久干燥并可吸附气体分子。（图1 a）

许多沸石和MOF可以用疏水孔表面和纳米晶形式合成，使这些材料成为理想的、高度可调的平台，用于定位具有永久微孔隙率的水溶液。此外，几种疏水性沸石和MOF的固体粉末已被证明可以在环境压力和温度下从其微孔中排除液态水。例如，必须施加超过900 bar的静水压力，以迫使水在25°C下进入纯二氧化硅沸石MFI的微孔。还需要至少200 bar的压力才能迫使水进入其他纯二氧化硅沸石和疏水性沸石咪唑酸盐框架（ZIF）的微孔。为诱导水侵入疏水性微孔固体而必须执行的工作已被用于机械能量存储和减震，但这种现象也提供了一种未开发的途径，可以在水溶液中保持永久和可获得的微孔隙度，前提是可以以不改变构成微孔网络保持干燥并吸附气体分子的潜在热力学驱动力的方式形成这种材料的稳定胶体溶液。

虽然疏水性材料通常不能分散在水中，但纯二氧化硅沸石呈现出由SiO4模板化的疏水性内部孔表面的独特组合四面体，其应防止水侵入，以及由末端硅醇基团组成的亲水性外表面，其应促进足够小的颗粒的水分散性（图1c）。内部Brunauer–Emmett–Teller（BET）表面积为457m2g−1（839 m2ml−1）并建立了生产各种尺寸的均匀纳米晶体的路线。因此，本研究使用的硅分子筛-1是成为产生具有永久微孔度和高气体容量的水溶液的特别有前途的候选者。尽管它不含有任何固有的强气体吸附位点，但硅晶岩-1在固体状态下吸附超过230倍的O2量和90倍的CO2量，可以在1bar和25℃的体积基础上溶于水（图1b）。此外，核磁共振实验表明，至少有一部分硅质-1微孔在水中可以被超极化氙所接触。

为了在水中形成均匀、稳定的硅沸石-1胶体溶液，并评估其是永久微孔，研究人员首先优化了合成、纯化和煅烧条件以形成类似尺寸的纳米晶体（平均直径=59±8nm或90±16nm），并从沸石微孔中除去结构导向的四丙基铵阳离子，而使颗粒不在固态中不可逆地聚集。所得的硅沸石-1纳米晶体产生了半透明的胶体水溶液，其性质异常稳定，在至少几周的时间内没有观察到沉降或聚集（图1e）。此外，胶体稳定性不受真空下溶液脱气的影响。如果这些脱气溶液中的硅沸石-1纳米晶体的微孔网络不含水，则最浓的胶体溶液（25 %体积，38 %重量）将为8.3%多孔。

由于具有干燥（填充空气）微孔的多孔液体所占体积将大于具有湿（填充溶剂）微孔的等效无孔液体所占的体积，因此密度测量被用作胶体溶液中硅沸石-1微孔水合状态的初始指标。令人兴奋的是，在15°C、25°C和37°C下，以及在广泛的硅质岩-1浓度范围内，在使用硅质岩-1的晶体密度和测量的固态孔隙体积下，实验密度预测的干微孔值在0.5%以内（图2a）。这些密度测量直接表明，硅沸石-1纳米晶体的微孔在液态水中是干燥的。研究人员强调，液态水完全包围分散的纳米晶体，如果在所研究的所有浓度下热力学有利，溶液中存在的水将足以填充所有框架微孔。这与硅沸石-1在乙醇中的胶体溶液形成对比，在乙醇中，低极性溶剂分子的侵入应在环境压力下热力学上有利，而亲水性沸石LTL在水中水侵入更具极性的铝硅酸盐孔在环境条件下也应受到热力学上的青睐，两者的密度都与含有充满溶剂的微孔的非多孔液体一致（图2b）。由于限制效应，微孔网络中的溶剂密度预计比体积液体密度低40%。此外，溶液密度与浓度的线性关系表明，浓度对水填充孔隙没有影响；在这些条件下，孔要么是空的，要么是填充的。

为了使微孔液体用于气体储存、分离和运输应用，孔隙网络不仅需要干燥，而且还需要能够可逆地吸附和解吸气体分子。为了直接研究水中微孔的气体可达性，我们测量了脱气溶液中吸收的O2和CO2的量。在25°C下，12 %体积（20 %重量）硅沸石-1纳米晶体胶体溶液的气体吸收容量为在0.84bar下26±1 mmol O2 l−1和在0.67 bar下284±2mmol CO2 l-1，这比在相同条件下吸收在水中的O2（1.1 mmol l−1）和CO2（23 mmol l−1）大一个数量级以上（图3a、b）。此外，这些气体容量分别为84%±6%和85%±3%（通过假设溶液吸收等于纯水气体溶解度和固态硅沸石-1纳米晶体的吸附容量之和而预测的O2和CO2容量）（图3c）。由于纳米晶体粉末的固态气体容量测量还将包括外表面和颗粒间空隙中气体吸附的贡献，这些气体容量不会出现在溶液中，因此这些气体容量与液态水中完全可接近气体分子的干微孔网络相一致。如预期一致，这种高气体吸收行为仅在疏水性纳米晶体的水溶液中出现；沸石LTL纳米晶体的5.1 %体积（9.5 %重量）水溶液的气体吸附实验显示O2和CO2容量几乎与纯水相同，并且对应于干微孔预测的沸石容量小于2%（图3）。这些结果强调了疏水性微孔和永久性微孔对于在水中实现高气体容量的重要性。

分子动力学（Molecular dynamics，MD）模拟进一步证实了所观察到的疏水硅沸石-1纳米晶体水溶液的吸附行为。这些模拟显示了在自由扩散的硅沸石-1纳米晶体中O2的快速吸收，该纳米晶体浸没在与本体O2气相接触的液态水中，与实验吸附动力学测量结果一致（图3）。此外，MD模拟表明，当O2被吸附时，硅沸石-1纳米晶体孔保持干燥，并且当水分子被人工放置在孔内时，孔经历自发和快速的脱湿。

循环实验证实，硅沸石-1胶体溶液中的气体吸收在至少三个吸收循环中是完全可逆的，随后在真空下解吸。此外，当将含氧硅沸石-1溶液注入纯脱气水中时，通过测量溶解O2量的变化，直接定量气体解吸（图4a）。注入后，建立分压梯度，该分压梯度驱动吸附的O2从硅沸石-1纳米晶体释放到本体水中。该过程继续，直到溶解和吸附的O2的分压相等，并建立新的平衡。与吸附实验一致，含氧硅沸石-1溶液向脱氧水输送的氧气量为固态吸附等温线预测的理论氧气量的86%（图4b）。此外，由于我们的溶液不稳定的物理吸附相互作用和相对较低的粘度，溶解的O2量在注入硅沸石-1溶液后几秒钟内达到平衡，这证明了这些微孔液体的快速气体解吸动力学在（图4a）。

这里微孔液体设计热力学方法并非硅分子筛-1所特有，可推广到各种疏水性微孔材料。例如，现在有50多种已知的纯二氧化硅沸石和许多其他高二氧化硅沸石，它们应该具有足够的疏水性，以排除胶体溶液中的水。除沸石外，MOF还提供了更高的内表面积和气体容量，以及更多的结构和化学多样性。然而，大多数疏水性MOF具有相对疏水的外表面，并且不能固有地分散在水中。许多疏水性MOF也易于在水中降解，特别是在低浓度下。同构疏水骨架Zn（mIm）2（ZIF-8；mIm=2-甲基咪唑酯）和钴（mIm）2（ZIF-67）也是如此（图1d）— 其纳米晶体在水中迅速聚集，并且如果存在大量过量的水则可能降解。表面功能化策略可用于分散和稳定水中的疏水性MOF。提供通往具有永久微孔的MOF水溶液的途径，只要可以选择促进分散性而不渗透或阻碍进入框架微孔的表面配体即可。

用大分子如聚乙二醇（PEG）进行非共价表面官能化是将纳米晶体分散在溶剂中的简单方法，否则会导致聚集和沉淀。尽管ZIF-8微粒先前显示在液体PEG（Mn = 500 g mol−1）中快速聚集。我们发现PEG（Mn= 35000 g mol−1）在30 %重量时，可以在水中分散至少20 %重量（21 %体积）的ZIF-8纳米晶体（平均尺寸= 103±10nm）和7.0 %重量（7.4 %体积）的ZIF-67颗粒（平均尺寸= 780±120nm）而没有观察到的聚集。此外，当与PEG在水中结合至少5周时，ZIF-8保持结晶，PEG提高了ZIF-67的水解稳定性，否则在水中会迅速降解。然而，PEG/ZIF-8和PEG/Z IF-67胶体溶液的测得O2容量小于含有空的且可进入微孔网络的ZIF颗粒溶液的预期容量的10%（图4b）。连同密度测量（图2b），这些有限的O2容量表明，由于PEG和可能的H2O侵入ZIF微孔，胶体PEG/ZIF溶液不是多孔的。考虑到PEG是一种紧凑、柔性的聚合物，并且是两亲性的，似乎没有足够强大的驱动力来阻止其通过空间位阻或热力学的侵入，这与PEG与其他MOF在固态下的观察结果一致。

作为合成聚合物的替代品，研究人员预计球状水溶性蛋白由于其大尺寸，构象刚性和吸附在疏水表面的倾向，可以作为非共价ZIF表面功能化的有前途的大分子。研究人员将牛血清白蛋白（BSA）确定为吸附到ZIF-8和ZIF-67外表面的初始目标，因为其大直径（约7nm）和17个永久性二硫键使其构象灵活性最小化，这两者的组合应在空间上防止蛋白质侵入ZIF框架并保持永久性微孔（图1d）。如预期的那样，将BSA（10 %重量）与ZIF-67颗粒（3.3 %重量）混合可使ZIF-7在水中完全分散，且在至少8天内没有可观察到的沉淀（图1g），密度测量结果与充满空气的孔隙一致（图2a）。此外，BSA/ZIF-67胶体溶液的测得O2容量为通过假设所有ZIF-67孔为空且气体分子可接近而获得的理论容量的80%±9%（图4a，b）。光谱分析和分子动力学模拟证实，BSA的二级结构阻止了BSA吸附到ZIF-67表面后的整体展开和孔渗透。此外，模拟证实ZIF-67孔保持干燥，当被液态水包围时能够吸附O2分子。在促进分散性的同时，牛血清白蛋白稳定了ZIF-67纳米晶体，在没有牛血清白蛋白的情况下，该晶体在水中迅速降解。具体而言，在BSA:ZIF-67比例为2.5:1的情况下，在水中1周后，我们仅观察到8.2%的降解和可忽略的O2容量变化（理论值的85%±2%）。在BSA:ZIF-67比例为6:1的情况下，我们观察到在水中1周后理论O2容量的102%±5%，这表明更大的稳定性。因此，非共价蛋白质吸附成功地将微孔水概念扩展到疏水性MOF。

除了非共价方法外，共价表面官能化为强结合和精确定位的表面配体提供了潜力，与弱结合的表面配体相比，在较低的负载下促进水的分散性（图1）。为了使共价官能化形成水性微孔液体，表面配体必须具有足够的亲水性 ，并且以足够高的密度存在，以促进水的分散性，尽管足够短或足够大以防止孔隙渗透。此外，功能化必须局限于纳米晶体的外表面，并且不抑制气体进入内孔表面。虽然卡宾（carbene）表面配体的官能化已用于将ZIF纳米晶体分散在大的环状有机溶剂中以形成有机微孔液体，但卡宾的反应性使得该合成策略难以适应水。作为另一种方法，预计mIm表面配体将具有足够的亲核性，以打开环氧化物环并与ZIF表面形成β-羟基烷基共价键（图1d）。基于这一推理，将ZIF-8纳米晶体与环氧甲氧基聚乙烯反应(mPEG; Mn = 750 g mol−1 for PEG)。质谱证实了开环环氧化物和mIm之间预期共价键的形成。NMR消化实验表明，约10%的mIm表面配体被mPEG官能化。值得注意的是，这种接枝密度（0.8个配体/nm2）足以使ZIF-8在水中的胶体溶液稳定在高达8.3 %体积（7.0 %重量），且在至少5天内沉淀或聚集最少（图1f）。与用PEG非共价官能化的ZIF-8纳米晶体相比，溶液密度作为浓度的函数与预期的含充满空气的孔（图2a），测得的O2容量为理论量的96%±7%。因此，使用低分子量配体的共价表面修饰可以赋予疏水性MOF在水中的胶体分散性，同时保持永久微孔和高气体吸收能力。

本文报道的微孔液体的高气体容量为体外或体内O2输送等提供了可能性。自然界进化出了复杂和严格调节的系统，在数亿年的时间里将氧气输送到水中，当这些系统缺失或失效时，输送足够的氧气以防止缺氧是一个挑战。已经探索了多种天然和合成气体载体，包括无细胞血红蛋白、血红素模拟物、全氟化碳乳液和脂质涂覆或聚合物涂覆的微泡，以从水性流体中输送O2，但克服了包括气体承载能力有限、释放动力学控制差、缺乏可逆性、大颗粒尺寸、高粘度、高粘度和低粘度等问题，剂量限制毒性和长期稳定性仍然是一个尚未解决的挑战6,36。因此，尽管进行了数十年的研究，但目前还没有美国食品和药物管理局（FDA）批准的O2或人工血液替代品的可注射来源。

而本研究结果显示了如何应用热力学原理将微孔固体的高表面积和气体容量引入水性流体。这种方法对生物医学和能源技术具有重大意义。

全文连接: https://www.nature.com/articles/s41586-022-05029-w

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