多尺度模拟氨基功能化的UiO-66/PDMS混合基质膜：揭示CO2选择性人工肺膜的结构-传输关系

《Journal of Membrane Science》：Multiscale Simulation of Amino-Functionalized UiO-66/PDMS Mixed Matrix Membranes: Unraveling Structure-Transport Relationships for CO 2-Selective Artificial Lung Membranes

本研究开发了一种多尺度模拟框架（DFT-GCMC-MD），用于分析氨基酸修饰的UiO-66/PDMS混合基质膜中CO?和O?的传输机制，揭示了负载量、晶体尺寸及分散状态对气体吸附、扩散和渗透率的影响规律，为优化生物医学气体交换系统提供了理论依据。

　　

陈德健|王瑞晨|王晓云|陈旭峰|李学峰|崔兆亮|埃莱娜·托奇|金万琴

中国南京工业大学化学工程学院，国家特种分离膜工程技术研究中心，材料导向化学工程国家重点实验室，南京211816

摘要

本研究开发了一个多尺度模拟框架，结合了密度泛函理论（DFT）、正则蒙特卡洛（GCMC）和分子动力学（MD），以阐明与体外膜氧合（ECMO）相关的氨基功能化UiO-66/PDMS混合基质膜（MMMs）中的CO₂和O₂传输机制。该研究系统地量化了MOF负载量、晶粒尺寸和分散状态对气体吸附、扩散和整体渗透性的影响。结果表明，分子运动从原始PDMS中的自由扩散逐渐转变为在氨基功能化复合材料中的受限传输，这一过程受到聚合物致密化和界面吸附的调控。在适度负载量（约10 wt%）下，CO₂吸附增强与扩散性降低之间的平衡实现了最大渗透性；而较高的填料含量或过度聚集会通过破坏渗透路径来阻碍气体传输。对于O₂，较弱的吸附作用导致不连续的、间歇性的扩散和较低的迁移率。在理想、无缺陷和干燥条件下，模拟得到的CO₂渗透性约为99 Barrer（实际实验值为约1770 Barrer）。尽管该模型无法再现ECMO的高湿度和生理温度等操作条件，但所得到的机制性见解为优化生物医学气体交换系统中的膜材料以高效选择性地去除CO₂提供了分子层面的依据。

引言

体外膜氧合（ECMO）和体外CO₂去除依赖于必须同时实现高CO₂去除效率和最小血液损伤的气体交换膜[1],[2],[3],[4]。为了避免溶血，需要较低的血液侧压力，这限制了CO₂的质量传递驱动力，使得CO₂成为人工肺操作中的限速物种[5],[6]。因此，开发具有高CO₂渗透性和适当CO₂/O₂选择性的膜材料对于提高临床性能并减轻剪切引起的红细胞损伤等并发症至关重要。在这方面，定制纳米级的吸附和扩散路径已成为下一代人工肺系统的关键策略[7],[8]。

混合基质膜（MMMs）通过将微孔填料整合到聚合物基质中，成为增强气体传输的强大方法。通过结合聚合物的可加工性、多孔固体的高表面积和可调的孔隙化学性质，MMMs可以超越传统聚合物的固有局限[9],[10],[11],[12],[13]。金属有机框架（MOFs）由于其化学模块性、结构稳健性和精确功能化的能力而提供了卓越的机会。北川、罗布森和亚吉对MOF化学的显著贡献（获得了2025年诺贝尔化学奖）突显了MOFs在气体分离中的变革性影响，并强调了它们在生物医学应用中的日益重要性。最近的进展表明，基于MOF的MMMs在气体-血液交换、膜氧合和CO₂去除膜中的应用是可行的[14],[15],[16],[17]。在这些材料中，UiO-66及其氨基功能化衍生物（UiO-66-NH₂和UiO-66-2NH₂）由于其基于Zr的稳定性、亲CO₂的功能性和与多种聚合物系统的兼容性而显示出强大的潜力。

实验进展揭示了将UiO型MOFs整合到气体交换膜中的多种策略。赵等人将UiO-66-NH₂掺入聚醚砜中，制备了一种加速气体交换的抗凝仿生膜[18]。江等人将Cu(I)基纳米片引入PMP中，以提高氧合性能[19]。在我们之前的工作中，UiO-66-2NH₂在PDMS中均匀分散，相对于原始PDMS显著提高了CO₂/O₂的选择性[20]。这些结果表明，氨基功能化的MOFs可以有效地调节气体亲和力并增强分离效果。然而，尽管取得了这些有希望的进展，但在这种复合膜中控制气体传输的分子级机制仍不完全清楚，尤其是在与ECMO相关的条件下。

计算建模能够解析纳米尺度上的结构-性质关系，但现有的关于UiO-66型系统的研究存在局限性。先前的GCMC研究显示了氨基功能化如何影响CO₂的吸收和CO₂/N₂的选择性[21]。针对UiO-66、UiO-66-NH₂及其混合连接剂类似物的大规模筛选和最近的浓度梯度驱动MD模拟阐明了纯MOF晶体中孔径限制直径和吸附能量的作用[22]。在MMMs方面，包括缺陷工程化的UiO-66/PEGDA[23]、共连续的UiO-66/6FDA[24]、UiO-66-NH₂/PIM-1[25]、UiO-66-NH₂@PIM-1[26]、磁定向的UiO-66-NH₂/Pebax?[27]、UiO-66衍生物/PDMS[28]以及用于人工肺的UiO-66-NH₂/PES膜[18]在内的多项研究，展示了改进基于CO₂或O₂分离的各种方法。然而，这些研究通常假设MOF填料是刚性的，并未阐明氨基功能化、聚合物限制和界面现象如何共同重塑孔结构、自由体积分布和扩散路径。重要的是，没有研究提供MOF化学、MMM微观结构以及ECMO所需的CO₂/O₂传输平衡之间的机制联系。

此外，仅关注孤立MOFs的计算研究无法捕捉到填料在聚合物内受限时发生的深刻重组。同样，忽略功能团引入的局部电子和空间效应的MMM研究也无法完全解释氨基功能化如何同时影响吸附和扩散。这种脱节限制了模拟在合理膜设计中的预测用途。

在这方面，本工作的核心创新在于开发了一个集成的多尺度DFT-GCMC-MD框架，该框架明确地解析了氨基功能化、MOF负载量、晶粒尺寸和分散状态如何协同调节UiO-66的内部结构及其周围聚合物的自由体积景观，从而控制UiO-66/PDMS混合基质膜中CO₂/O₂传输的吸附-扩散平衡。

该框架包括：(i) DFT级别的氨基诱导结构畸变表征；(ii) 基于GCMC的聚合物限制下CO₂/O₂吸附竞争性的量化；以及(iii) 由于聚合物致密化和界面吸附导致的从自由扩散到逐渐受限状态的扩散转变的MD级别分析。

通过结合这些尺度并利用我们之前对UiO-66-2NH₂/PDMS膜[20]的渗透测量结果进行验证，我们建立了定量结构-性质关系，解释了实验观察到的现象，包括MOF负载量（约10 wt%时达到最大值）引起的非单调渗透性趋势以及CO₂传输相对于O₂的选择性增强。这些发现揭示了界面吸附、自由体积重新分布和聚合物致密化如何共同决定了实际MMMs中的传输路径。

尽管ECMO膜在完全湿润的条件下运行，但我们的模拟有意表示干燥、无缺陷的MMMs，以隔离内在机制。这一内在基线对于解释实验数据至关重要，因为在实验数据中，界面空隙、微缺陷和水分吸收会引入额外的传输路径。通过阐明氨基功能化UiO-66/PDMS复合材料中CO₂和O₂迁移的内在分子级机制，本研究为设计适用于人工肺环境中CO₂管理的MOF/聚合物膜提供了基于机制的指导。

章节片段

离散MOF结构建模

UiO-66(Zr)框架是使用来自剑桥结构数据库（CCDC 2054314）[29]的晶体学参数构建的。通过等规修饰实现了氨基功能化，其中对苯二甲酸酯连接剂逐渐被其单胺（NH₂-BDC）和二胺（2NH₂-BDC）类似物替代，分别生成了UiO-66-NH₂和UiO-66-2NH₂衍生物。单元格参数是通过粉末X射线衍射（PXRD）确定的

MOF结构分析

粉末X射线衍射分析（图S1）确认了所有三种MOFs（UiO-66、UiO-66-NH₂和UiO-66-2NH₂）的晶体性质，分别在2θ = 7.45°、7.38°和7.61°处显示出特征峰。FWHM值分别为0.348、0.095和0.531。

密度泛函理论优化的单元格参数（原始UiO-66为20.768 ?，UiO-66-NH₂为20.521 ?，UiO-66-2NH₂为20.104 ?）与文献值（表S1）吻合良好

结论

我们开发了一个多尺度模拟框架DFT-GCMC-MD，以阐明在理想、干燥、无缺陷条件下氨基功能化UiO-66/PDMS混合基质膜中的CO₂和O₂传输。氨基功能化通过增强静电相互作用增强了CO₂的吸附，同时缩小了孔径并重塑了局部自由体积景观。因此，随着MOF负载量的增加，传输从相对自由的运动逐渐转变为越来越受限的扩散

CRediT作者贡献声明

埃莱娜·托奇：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督。金万琴：监督、项目管理。李学峰：资源获取、资金筹集。崔兆亮：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督。王晓云：研究、正式分析。陈旭峰：资源获取、资金筹集。陈德健：撰写 – 原稿撰写、可视化、方法论、数据管理、概念化。王瑞晨：可视化、软件、数据管理

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢江苏未来膜技术创新中心（BM2021804）、中国国家重点研发计划（2023YFB3810502）、江苏省人民医院临床诊断和治疗技术创新项目（JBGS202412）以及湖北省绿色轻工业材料重点实验室的开放基金项目（202509A01）的财政支持。