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不同孔径的同构COF膜实现药物的逐级分离

摘要
1. 浙江大学朱利平团队在 Small 发表研究，在聚丙烯腈基底上原位构建了一系列 kgd 拓扑COF膜，通过逐步缩小三胺单体尺寸，将孔径从 12.1 Å 逐步收缩至 10.2 Å 和 6.5 Å，对应截留分子量分别为 500、380 和 290 Da。
2. 将三种膜集成级联分离系统，用于喜树碱及其衍生物四组分混合物的纯化，最高纯度达 96.6%，目标组分回收率最高 92.9%。

研究背景
1. 行业问题
1) COF膜是一类有前景的膜分离材料，但已报道的 COF 膜孔径多在 1.2–3.0 nm，而许多药物溶质分子尺寸集中在约 0.5–1.5 nm 的更窄窗口；
2) 通过侧链安装、孔道填充或层间调控收缩 COF 孔径虽取得部分进展，但仍难以在保持拓扑结构的同时实现亚纳米精度的孔径编程。
2. 本文创新
1) 在保持 kgd 拓扑不变的前提下，通过选用尺寸递减的三种三胺单体与同一醛基单体 HFPB 进行反向扩散界面聚合，在 PAN 基底上原位构建孔径逐步收缩的 COF 膜
2) 通过将孔径从 12.1 Å 精确调控至 10.2 Å 和 6.5 Å，并进一步将不同收缩程度的膜集成级联分离系统，实现结构相似药物分子的可编程分子筛分。

实验内容
1. 单体与膜制备
以六(4-甲酰基苯基)苯（HFPB）为醛基单体，分别与TAPA、TAPB和TABPB三种尺寸递减的三胺单体，通过反向扩散界面聚合在聚丙烯腈PAN基底上原位生长 kgd 拓扑 COF 膜。同时制备粉末样品和自由界面自支撑膜，用于结构与性能对比。
2. 孔径调控与对照设计
通过改变三胺单体的分子尺寸实现同构收缩，系统比较三种 COF 膜HFPB-TABPB-PAN、HFPB-TAPB-PAN、HFPB-TAPA-PAN的孔径、截留分子量和分离选择性，并考察膜在乙醇、甲醇等极性和非极性溶剂中的稳定性及长期运行性能。
3. 级联分离系统构建
将三种不同收缩程度的 COF 膜按截留分子量顺序集成级联分离装置，以喜树碱（CPT）及其衍生物四组分等质量浓度混合物为进料，评估多级膜分离对结构相似药物分子的纯化效果。

分析表征
1. 结构表征
XRD 表明三种COF材料均为kgd 拓扑结构。
2. 孔径与分离性能
1) 基于优化 AA 堆积结构，HFPB-TABPB、HFPB-TAPB 和 HFPB-TAPA 的理论孔径分别为 12.1、10.2 和 6.5 Å；对应膜截留分子量分别为 500、380 和 290 Da，MWCO-MWRO 间隔均小于 200 Da。
2) 膜表面光滑致密，在常见极性及非极性溶剂中表现出良好的热稳定性和化学稳定性，长期运行中渗透通量和截留率保持稳定，对乙醇和甲醇中一系列分子探针呈现陡峭的截留曲线。
3. 级联分离效果
三种膜集成级联系统后，四组分 CPT 衍生物混合物被分配至不同收集瓶中，实现单组分主导的馏分，最高纯度达 96.6%，目标馏分最高回收率为 92.9%。

机理分析
1. 同构收缩的孔径编程机制
在保持 kgd 拓扑和 AA 堆积方式不变的前提下，通过缩短三胺单体的几何尺寸，使框架孔道在面内方向逐步收缩，从而实现孔径从 12.1 Å 到 10.2 Å 再到 6.5 Å 的连续调控。
2. 亚纳米分子筛分与级联纯化
收缩后的孔道进入药物分子尺寸窗口约 0.5–1.5 nm，使膜对结构相似分子产生陡峭的截留边界。三种膜具有彼此分离的截留阈值，级联集成后形成多级分子筛分序列，使不同尺寸的 CPT 衍生物在各级被选择性截留或透过，从而实现四组分混合物的逐级纯化。

总结
1. 本研究通过尺寸递减的三胺单体将 COF 膜孔径从 12.1 Å 逐步收缩至 10.2 Å 和 6.5 Å，对应截留分子量 500、380 和 290 Da，建立了拓扑约束的孔径编程设计原则。
2. 三种膜具有良好的热稳定性、化学稳定性和长期运行稳定性，并集成级联分离系统用于 CPT 及其衍生物四组分混合物的纯化，最高纯度 96.6%，目标馏分回收率最高 92.9%。

文章标题：Isoreticular Contraction of kgd-Topology Covalent Organic Framework Membranes for Precise Pharmaceutical Separation
文章作者：Baodong Tian、Hukang Guo、Weilin Feng、Jiaqi Li、Wenshuo Cui、Chuanjie Fang、Li Xu、Liping Zhu
DOI：10.1002/smll.76356
文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.76356

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浙江大学朱利平团队在 Small发表研究，通过逐步缩小三胺单体尺寸，在聚丙烯腈基底上原位构建了一系列 kgd 拓扑COF膜，将孔径从 12.1 Å 逐步收缩至 10.2 Å 和 6.5 Å，集成级联分离系统用于 CPT 及其衍生物四组分混合物的纯化，最高纯度 96.6%，目标馏分回收率最高 92.9%。