Wat als medisch noodhulppersoneel een wanhopig zieke patiënt die zuurstof nodig heeft, zou kunnen behandelen met een simpele injectie in plaats van te moeten vertrouwen op mechanische beademing of zich te haasten om ze op een hart-longbypassmachine te krijgen?

Een nieuwe benadering voor het transporteren van gassen met behulp van een klasse materialen die poreuze vloeistoffen worden genoemd, betekent een grote stap in de richting van kunstmatige zuurstofdragers en demonstreert het immense biomedische potentieel van deze ongebruikelijke vloeistoffen.

In een onderzoek dat vorige maand werd gepubliceerd in Nature , beschrijft een team van wetenschappers van de afdeling Scheikunde en Chemische Biologie van Harvard een nieuwe benadering voor het transporteren van gassen in waterige omgevingen met behulp van poreuze vloeistoffen. De auteurs hebben meerdere poreuze raamwerken geïdentificeerd en op maat gemaakt die veel hogere concentraties gassen kunnen opslaan, waaronder zuurstof (O₂ ) en koolstofdioxide (CO₂ ), dan normale waterige oplossingen. Deze doorbraak kan de sleutel zijn tot het creëren van injecteerbare zuurstofbronnen als overbruggingstherapie voor hartstilstand, het creëren van kunstmatige bloedvervangers en het overwinnen van langdurige uitdagingen bij het conserveren van organen voor transplantaties.

"We realiseerden ons dat er veel voordelen zouden zijn aan het gebruik van vloeistoffen met permanente microporositeit om uitdagingen op het gebied van gastransport in water en andere waterige omgevingen aan te pakken", zegt Jarad Mason, senior auteur van het artikel en assistent-professor scheikunde en chemische biologie. "We hebben vloeistoffen ontworpen die O₂ . kunnen transporteren bij dichtheden die hoger zijn dan die van bloed, wat opwindende nieuwe mogelijkheden biedt voor het transporteren van gassen voor een verscheidenheid aan biomedische en energietoepassingen."

Vloeistoffen met permanente microporositeit zijn een nieuwe klasse van materialen die zijn samengesteld uit microscopisch kleine poreuze deeltjes gedispergeerd in een vloeibaar medium. Stel je kleine, recyclebare, sponsachtige stukjes voor die gassen in hun gaten kunnen opzuigen en vrijgeven. Tot nu toe bestonden alle poreuze vloeistoffen uit microporeuze nanokristallen of organische kooimoleculen gedispergeerd in organische oplosmiddelen of ionische vloeistoffen die te groot zijn om door de porie-ingangen te diffunderen. De onderzoekers ontwikkelden een nieuwe strategie om waterige poreuze vloeistoffen te creëren - "microporeus water" genoemd - met hoge gascapaciteiten op basis van thermodynamica.

Het werk werd geleid door leden van Mason's lab, waaronder doctoraatsstudenten Daniel P. Erdosy, Malia Wenny, Joy Cho, Miranda V. Walter, postdoctoraal onderzoeker Christopher DelRe en niet-gegradueerde Ricardo Sanchez. Computationele simulaties en biologische experimenten werden ook uitgevoerd in samenwerking met wetenschappers van het Boston Children's Hospital en de Northwestern University, waaronder Felipe Jiminez-Angeles, Baofu Oiao en Monica Olvera de la Cruz.

Water is een polair molecuul, waardoor het een geweldig oplosmiddel is voor andere polaire moleculen zoals ethanol en suiker, maar het is veel slechter in het oplossen van niet-polaire moleculen zoals O₂ gas. Als zodanig kan zuiver water 30 keer minder zuurstof vervoeren dan rode bloedcellen. De extreem lage oplosbaarheid van gassen in water heeft een harde limiet gesteld aan veel biomedische en energiegerelateerde technologieën die het transport van gasmoleculen door waterige vloeistoffen vereisen. Dit nieuwe mechanisme voor gastransport overwint de lage oplosbaarheid van gassen in water en maakt snel gastransport mogelijk.

Geïnspireerd door poriën in bepaalde eiwitten die toegankelijk zijn voor watermoleculen maar over het algemeen droog blijven in waterige oplossingen, stelde het team voor dat microporeuze nanokristallen met hydrofobe interne oppervlakken en hydrofiele externe oppervlakken kunnen worden ontworpen om het microporeuze raamwerk permanent droog in water te laten en beschikbaar om te absorberen gasmoleculen.

"We moesten twee schijnbaar tegenstrijdige eigenschappen met elkaar verzoenen", zei Erdosy. "We hebben het binnenoppervlak ontworpen om hydrofoob en waterafstotend te zijn, en het buitenoppervlak om hydrofiel en waterminnend te zijn, omdat anders de vloeistof zou scheiden zoals olie en water."

Het team synthetiseerde de materialen in hun laboratorium en testte hun vermogen om gassen te absorberen en af ​​te geven. Ze ontdekten dat microporeus water omkeerbaar extreem hoge dichtheden van gassen door op water gebaseerde omgevingen kan transporteren. Met behulp van deze strategie ontwikkelde het team een ​​poreuze vloeistof die een hogere dichtheid van O₂ . kan dragen dan zelfs in het zuivere gas aanwezig is. Deze waterige poreuze vloeistoffen vertonen een opmerkelijke houdbaarheid, waardoor ze voor gebruik maanden bij kamertemperatuur kunnen worden bewaard.

"Met wat meer ontwikkeling zou je je kunnen voorstellen zuurstof in een microporeuze vloeistof op een ambulance op te slaan, zodat het klaar is om in een persoon te injecteren wanneer dat nodig is," zei Wenny.

Het laboratorium is van plan meer experimenten uit te voeren op microporeus water om de biomedische toepassingen te testen, terwijl het andere mogelijke toepassingen voor de materialen blijft onderzoeken.

"We willen meer materialen en diermodellen ontwikkelen om een ​​zuurstofdrager in vivo te maken en te testen," zei Erdosy. "We hebben ook een meer energiegericht project gepland over het gebruik van microporeus water om de uitdagingen op het gebied van gastransport bij elektrokatalyse aan te pakken." + Verder verkennen

Waterclusters in hydrofobe kristallijne poreuze covalente organische raamwerken

Dit verhaal is gepubliceerd met dank aan de Harvard Gazette, de officiële krant van Harvard University. Ga voor meer universiteitsnieuws naar Harvard.edu.