三科研进展 中的甲醇氧化或氧气还原具有很好的选择者们研究了催化剂的制备、放大和表征,在 性。具体的,他们使用具有核-壳-壳结构的利用无质子膜DMFC模型证实了催化剂选择 三元纳米复合材料Au@AgS@Pt和具有核壳性的基础上,成功组装了DMFC单电池图 结构的Au@Pd纳米材料分别作为DMFC的1)。测试表明,在甲醇浓度为10M时,电池 阳极和阴极电催化剂。对于前者,三元材料输出的功率密度为897mW/cm2,远高于近 中的电子耦合效应使Pt原子的电子云密度增年来报道的使用其它策略实现高浓度甲醇下 加,能够抑制一氧化碳￠0)和氧气们)分子操作的DMFC的输出功率密度。在甲醇浓度 在Pt原子上的吸附,使其具有优良甲醇氧化提升至15M时,电池输出功率略微下降,仍 活性的同时具有较弱的氧化还原活性;而对能维持827mW/cm2的功率密度输出 于后者,由于晶格参数和电负性的差异,Au 上述相关研究得到了国家自然科学基金 内核施加在超薄Pd壳层上的晶格拉伸效应No.21376247,21506225,21573240)和中科院 和电子耦合效应很好地提升了Pd催化氧气过程工程所介尺度研究中心C0M2015A001) 还原的活性,而又由于Pd在酸性介质中对甲的资助。该研究结果发表于美国科学促进会 醇氧化没有活性,使这种核壳结构材料成为④AAS)出版的国际著名期刊 Science a dvances DMFC阴极选择性催化剂合适的候选。研究6 cience a dvances2017,3:el700580) Anode Cathode Current collector Current collector Heating plate Heating plate MEA End plate+ End plate Carbon plate Carbon plate 基于选择性电催化剂组装的直接甲醇燃料电池单电池及其组成部分示意图 6|2017年8月总第318期
科研进展 6 2017 年 8 月 总第 318 期 中的甲醇氧化或氧气还原具有很好的选择 性。具体的，他们使用具有核-壳-壳结构的 三元纳米复合材料 Au@Ag2S@Pt 和具有核壳 结构的 Au@Pd 纳米材料分别作为 DMFC 的 阳极和阴极电催化剂。对于前者，三元材料 中的电子耦合效应使 Pt 原子的电子云密度增 加，能够抑制一氧化碳(CO)和氧气(O2)分子 在 Pt 原子上的吸附，使其具有优良甲醇氧化 活性的同时具有较弱的氧化还原活性；而对 于后者，由于晶格参数和电负性的差异，Au 内核施加在超薄 Pd 壳层上的晶格拉伸效应 和电子耦合效应很好地提升了 Pd 催化氧气 还原的活性，而又由于 Pd 在酸性介质中对甲 醇氧化没有活性，使这种核壳结构材料成为 DMFC 阴极选择性催化剂合适的候选。研究 者们研究了催化剂的制备、放大和表征，在 利用无质子膜DMFC模型证实了催化剂选择 性的基础上，成功组装了 DMFC 单电池(图 1)。测试表明，在甲醇浓度为 10 M 时，电池 输出的功率密度为 89.7 mW/cm2 ，远高于近 年来报道的使用其它策略实现高浓度甲醇下 操作的 DMFC 的输出功率密度。在甲醇浓度 提升至 15 M 时，电池输出功率略微下降，仍 能维持 82.7 mW/cm2 的功率密度输出。 上述相关研究得到了国家自然科学基金 (No. 21376247, 21506225, 21573240)和中科院 过程工程所介尺度研究中心(COM2015A001) 的资助。该研究结果发表于美国科学促进会 (AAAS)出版的国际著名期刊Science Advances (Science Advances, 2017, 3: e1700580)。 基于选择性电催化剂组装的直接甲醇燃料电池单电池及其组成部分示意图
科研进展 基于聚多巴胺涂层的膜色谱介质制备和应用 ■生化工程与装备研究部罗建泉 膜色谱结合了膜过滤高通量和液相色谱谱介质,可用于髙盐环境下单克隆抗体的髙 髙选择性的特点,能够高效地从复杂料液如效精制,其杋械性能、稳定性、分离效率和 发酵液、血浆、乳清中获得纯度较髙的生物重复使用性均优于商业化产品( buman of 活性分子,因此在生物产品制备领域具有广 C hrom ato graphy A,1490②017)54-62)。以 阔的应用潜力。然而,作为目前主流的膜色PDA为平台,可实现阴离子交换配基的快速 谱介质材料—一纤维素膜存在稳定性较差和匹配,通过优化操作条件和配基密度,实现 机械性能欠佳等问题,并且膜改性和配基接了一步法从血浆沉淀Ⅳ中分离得到α1-抗 枝工艺复杂、不易控制,使其成本居髙不下,胰蛋白酶(AAT),该纯化效果优于目前文献 难以大规模应用 报道结果,而且本研究建立了一种通过设计 过程工程硏究所万印华研究员团队提出膜色谱介质实现复杂料液中快速纯化髙纯度 采用简单易操作的聚多巴胺(PDA)涂覆对生物药物的新方法( Jumal of M em brane 机械强度较髙的聚醚砜(PES)和聚偏氟乙烯 Science,528￠0η15-162)。采用基于PDA (PVDF)微滤膜进行活化,然后以PDA为涂层的阴离子交换膜色谱介质和金属螯合膜 中间功能层偶联膜色谱配基(迈克尔加成反色谱介质,可一步实现发酵液中漆酶的纯化 应或席夫碱反应)构建多种膜色谱介质,并和固定化以制备生物催化膜,应用于饮用水 应用于蛋白分离纯化和酶的固定化 中微量污染物的高效去除,利用膜色谱的原 首先在PDA中间功能层偶联了三种不理不仅可以实现一步酶纯化和固定化,还能 同的配基(聚乙烯亚胺、十二硫醇和组氨酸)提髙载酶效率和空间,膜堆叠可提髙微量污 分别制备阴离子交换、疏水和亲和膜色谱介染物的去除效率,并且实现酶的重新装载 质,可高效分离免疫球蛋白G/人血清白蛋( bumal of M em brane Science,538e017) 白,同时PDA改性提高了基膜的机械性能和68-76, C hem ical engineering buma327 亲水性,降低其非特异性吸附( buman of②017)1011-1020)。该项目得到国家高技术 C hrom ato graphy a,l482016)121-126)。以研究发展计划(No.2014A021006)、国家自 疏水膜为基材,在PDA中间功能层上偶联聚然科学基金青年项目(No.21506229和中 丙烯胺配基制备得到耐盐型阴离子交换膜色国科学院百人计划支持。 免疫球蛋白/人血清白蛋白分离纯化 血浆沉淀Iv中分离α1-抗胰蛋白酶 发酵液中捕集漆酶制备生物催化膜 高[品[ = F:= 中闽科学院过程工程研究所|7
科研进展 7 基于聚多巴胺涂层的膜色谱介质制备和应用 ■生化工程与装备研究部 罗建泉 膜色谱结合了膜过滤高通量和液相色谱 高选择性的特点，能够高效地从复杂料液如 发酵液、血浆、乳清中获得纯度较高的生物 活性分子，因此在生物产品制备领域具有广 阔的应用潜力。然而，作为目前主流的膜色 谱介质材料——纤维素膜存在稳定性较差和 机械性能欠佳等问题，并且膜改性和配基接 枝工艺复杂、不易控制，使其成本居高不下， 难以大规模应用。 过程工程研究所万印华研究员团队提出 采用简单易操作的聚多巴胺（PDA）涂覆对 机械强度较高的聚醚砜（PES）和聚偏氟乙烯 （PVDF）微滤膜进行活化，然后以 PDA 为 中间功能层偶联膜色谱配基（迈克尔加成反 应或席夫碱反应）构建多种膜色谱介质，并 应用于蛋白分离纯化和酶的固定化。 首先在 PDA 中间功能层偶联了三种不 同的配基（聚乙烯亚胺、十二硫醇和组氨酸） 分别制备阴离子交换、疏水和亲和膜色谱介 质，可高效分离免疫球蛋白 G/人血清白蛋 白，同时 PDA 改性提高了基膜的机械性能和 亲水性，降低其非特异性吸附（Journal of Chromatography A, 1448 (2016) 121-126）。以 疏水膜为基材，在 PDA 中间功能层上偶联聚 丙烯胺配基制备得到耐盐型阴离子交换膜色 谱介质，可用于高盐环境下单克隆抗体的高 效精制，其机械性能、稳定性、分离效率和 重复使用性均优于商业化产品（Journal of Chromatography A, 1490 (2017) 54-62）。以 PDA 为平台，可实现阴离子交换配基的快速 匹配，通过优化操作条件和配基密度，实现 了一步法从血浆沉淀 IV 中分离得到α1-抗 胰蛋白酶（AAT），该纯化效果优于目前文献 报道结果，而且本研究建立了一种通过设计 膜色谱介质实现复杂料液中快速纯化高纯度 生物药物的新方法（Journal of Membrane Science, 528 (2017) 155-162）。采用基于 PDA 涂层的阴离子交换膜色谱介质和金属螯合膜 色谱介质，可一步实现发酵液中漆酶的纯化 和固定化以制备生物催化膜，应用于饮用水 中微量污染物的高效去除，利用膜色谱的原 理不仅可以实现一步酶纯化和固定化，还能 提高载酶效率和空间，膜堆叠可提高微量污 染物的去除效率，并且实现酶的重新装载 （Journal of Membrane Science, 538 (2017) 68-76 ， Chemical Engineering Journal, 327 (2017) 1011-1020）。该项目得到国家高技术 研究发展计划（No. 2014AA021006）、国家自 然科学基金青年项目（No. 21506229）和中 国科学院百人计划支持
科研进展 基于细菌的仿生肿瘤疫苗研究取得新进展 ■生化工程与装备研究部卿爽 恶性肿瘤一直是困扰医学界的难题。近但完整保留了细菌的形貌特点及病原体特征 年来,肿瘤免疫疗法展现出良好的应用前景,组分,同时还具备了中空多孔的结构,极大 被 Science杂志评选为2013年度十大科学突地促进了抗原及其他免疫刺激剂的装载(图 破之首。其中,治疗性肿瘤疫苗通过激发自1)。研究结果表明,该仿生菌体能够快速地 身免疫系统以达到清除或控制肿瘤生长的治被免疫系统识别、捕获并进行抗原呈递,进 疗方式是肿瘤免疫疗法的焦点。但肿瘤抗原而引起强烈的细胞免疫应答(图2)。动物实 的免疫原性较弱,使得现有治疗性肿瘤疫苗验进一步证明,该仿生疫苗制剂在多种肿瘤 的使用效果仍不尽理想。因此,开发一种安模型中均具有良好的抑瘤效果和抗肿瘤转移 全高效的治疗性肿瘤疫苗仍是一项极具挑战能力(图3)。该研究创新性地提出以病原微 性和应用价值的研究课题。 生物本身为对象的仿生设计理念,为今后治 自然界中病原微生物感染机体后能够引疗性疫苗的研发提供了全新的设计思路。 起强烈的免疫应答,其中的关键在于病原微 相关研究发表在 a dvanced Science 生物的特殊形态及表面多重病原相关分子模(2017,1700083)上,倪德志博士和博士生 式,能够促使病原体快速识别和捕获免疫细卿爽为本文的并列第一作者,中科院过程所 胞,引起机体强烈的免疫应答。受此启发,马光辉研究员、魏炜研究员为通讯作者。该 中科院过程工程研究所生化工程国家重点实研究得到了国家科技重大专项 验室生物剂型与生物材料课题组开发了一种(2014ZX09102045-004)、973项目 具有多重仿病原体特征的新型仿生疫苗佐(2013CB531500)、国家自然科学基金 剂。通过对水热条件的优化,该疫苗制剂不(21622608)等支持。 a类学学是 ,CpG Demi-bacteria Biomimetic c 图1仿生疫苗制备:a)仿生疫苗构建示意图;b)中空多孔DB的SEM照片 c)DB装载CpG和oVA的超分辨共聚焦照片。 8|2017年8月总第318期
科研进展 8 2017 年 8 月 总第 318 期 基于细菌的仿生肿瘤疫苗研究取得新进展 ■生化工程与装备研究部 卿爽 恶性肿瘤一直是困扰医学界的难题。近 年来，肿瘤免疫疗法展现出良好的应用前景， 被 Science 杂志评选为 2013 年度十大科学突 破之首。其中，治疗性肿瘤疫苗通过激发自 身免疫系统以达到清除或控制肿瘤生长的治 疗方式是肿瘤免疫疗法的焦点。但肿瘤抗原 的免疫原性较弱，使得现有治疗性肿瘤疫苗 的使用效果仍不尽理想。因此，开发一种安 全高效的治疗性肿瘤疫苗仍是一项极具挑战 性和应用价值的研究课题。 自然界中病原微生物感染机体后能够引 起强烈的免疫应答，其中的关键在于病原微 生物的特殊形态及表面多重病原相关分子模 式，能够促使病原体快速识别和捕获免疫细 胞，引起机体强烈的免疫应答。受此启发， 中科院过程工程研究所生化工程国家重点实 验室生物剂型与生物材料课题组开发了一种 具有多重仿病原体特征的新型仿生疫苗佐 剂。通过对水热条件的优化，该疫苗制剂不 但完整保留了细菌的形貌特点及病原体特征 组分，同时还具备了中空多孔的结构，极大 地促进了抗原及其他免疫刺激剂的装载（图 1）。研究结果表明，该仿生菌体能够快速地 被免疫系统识别、捕获并进行抗原呈递，进 而引起强烈的细胞免疫应答（图 2）。动物实 验进一步证明，该仿生疫苗制剂在多种肿瘤 模型中均具有良好的抑瘤效果和抗肿瘤转移 能力（图 3）。该研究创新性地提出以病原微 生物本身为对象的仿生设计理念，为今后治 疗性疫苗的研发提供了全新的设计思路。 相 关 研 究 发 表 在 Advanced Science （2017，1700083）上，倪德志博士和博士生 卿爽为本文的并列第一作者，中科院过程所 马光辉研究员、魏炜研究员为通讯作者。该 研究得到了国家科技重大专项 （ 2014ZX09102045-004 ）、 973 项 目 （ 2013CB531500 ）、国家自然科学基金 （21622608）等支持。 图 1 仿生疫苗制备：a) 仿生疫苗构建示意图；b)中空多孔 DB 的 SEM 照片； c)DB 装载 CpG 和 OVA 的超分辨共聚焦照片