211service.com
Ultrarychlý silikonový filtr
Porézní silikonová membrána o tloušťce několika nanometrů může rychle filtrovat kapaliny a oddělovat molekuly, které jsou velmi blízké velikosti, uvedli vědci z University of Rochester v tomto týdnu. Příroda . Nová membrána by mohla vést k účinnému čištění proteinů pro použití ve výzkumu a objevování léků. Mohl by také působit zhruba 10krát rychleji než současné membrány používané pro krevní dialýzu, umělé čištění krve. Kromě toho by membrána mohla být použita jako filtr pro separaci molekul v mikrofluidních zařízeních používaných ke studiu DNA a proteinů a jako substrát pro pěstování neurologických kmenových buněk.
Křemíkový plátek se 160 nanoporézními silikonovými membránami. Každá čtvercová membrána o tloušťce 15 nanometrů a 200 x 200 mikrometrů je ve středu 160 čtverců vzorovaných do plátku.
Membrány na bázi polymerů, které se v současnosti používají pro filtrování proteinů, jsou typicky tlusté mnoho mikrometrů a mají propracovanou strukturu pórů podobně jako houba. [Filtrace] trvá déle, protože je potřeba projít mnohem delší vzdálenost a póry jsou svinuté, říká Philippe Fauchet , profesor elektrotechniky a počítačového inženýrství na University of Rochester, který vedl výzkum. A slušný zlomek toho, co musí projít, zůstane navždy uvíznutý v membráně. Výzkumníci nakonec ztrácejí menší molekuly bílkovin, které jsou uloženy uvnitř, říká James McGrath , profesor biomedicínského inženýrství v Rochesteru a spoluautor knihy Příroda papír.
Nová membrána má tloušťku 15 nanometrů, takže filtruje rychleji, aniž by zachycovala molekuly, které přes ni procházejí, což je důležité, pokud chtějí výzkumníci zachovat větší i menší proteiny. Jakmile se molekula dostane k membráně, udělá jeden krok a je na zadní straně, říká McGrath.
K výrobě membrán vědci používají nástroje, které se používají k vytváření čipů integrovaných obvodů. Díky tomu by se filtry měly snadno integrovat do mikrofluidních zařízení na bázi křemíku, která se používají pro výzkum proteinů, kde by byly užitečné, pokud by vědci chtěli oddělit konkrétní požadovaný protein ze vzorku biologické tekutiny. Výzkumníci vyrobili membrány tak, že nejprve na křemíkový plátek nanesli tři tenké vrstvy – vrstvu amorfního křemíku vloženou mezi dvě vrstvy oxidu křemičitého. Vystavení plátku teplotám vyšším než 700 ºC krystalizuje amorfní křemík a tvoří póry. Poté vědci leptají plátek a vrstvy oxidu křemičitého, aby odhalili malé čtverečky nanoporézní membrány, které mají na každé straně 200 mikrometrů. Teplota řídí průměr pórů, což umožňuje výzkumníkům jemně doladit membrány: při teplotě 715 °C má membrána průměrnou velikost pórů 7 nanometrů, zatímco při teplotě 729 °C je průměr asi 14 nanometrů.
McGrath říká, že membrána by byla dobrým substrátem pro kultivaci neurologických kmenových buněk. Některé pomocné buňky vyživují kmenové buňky a přesvědčují je, aby se proměnily v neurony. Aby získali čistou kulturu neuronů, hledají vědci způsoby, jak fyzicky oddělit pomocné buňky od kmenových buněk a zároveň jim umožnit výměnu chemikálií. [S novou membránou] bude vzdálenost, o kterou budou odděleni, zhruba stejná jako jejich vlastní plazmatická membrána, říká McGrath. Póry umožní signální molekule velmi rychle difundovat.
Vědci se domnívají, že kvůli užšímu rozsahu průměrů pórů mohou křemíkové membrány oddělit proteiny, které jsou mnohem blíže velikosti, než je možné u současných houbovitých filtrů. V lidském těle existují tisíce různých proteinů, které plní zásadní funkce, a oddělení jednotlivého proteinu je klíčem k pochopení jeho struktury a funkce. Fauchet říká, že navržením užšího rozsahu průměrů pórů by vědci mohli dosáhnout 100% separace proteinů – dokonce i těch, které jsou velikostí blízké.
V laboratorních testech procházejí molekuly barviva o šířce jeden nanometr v roztoku přes nanoporézní membránu 10krát rychleji než přes komerční membránu pro krevní dialýzu. Výzkumníci plánují, že membránu zesílí – dokáže udržet tlak 15 liber na čtvereční palec – aby mohli protlačit více molekul a potenciálně zvýšit rychlost dialýzy o faktor 100 oproti komerčním membránám.
Někteří odborníci se však domnívají, že je příliš brzy na to říci, zda bude membrána užitečná pro rozsáhlé aplikace, jako je čištění proteinů a dialýza krve. Nevýhodou ultratenké membrány je, že je obtížné vyrobit velkoplošné membrány pomocí této techniky, říká Andrew Zydney , profesor chemického inženýrství na Penn State University. Současné systémy čištění proteinů v biotechnologickém průmyslu efektivně využívají 100 metrů čtverečních membrány, říká. I když nová membrána filtruje 10krát rychleji, což znamená, že dokáže filtrovat stejné množství tekutiny s 10krát menší plochou, stále mluvíte o 10 metrech čtverečních silikonových membrán, říká Zydney. Nejsem přesvědčen, že to lze udělat nákladově efektivním způsobem.