Een team onder leiding van Dr. Sherif El-Safty, Exploratory Materials Research Laboratory voor Energie en Milieu, Nationaal Instituut voor Materiaalkunde (NIMS; Japan), gefabriceerde strakke mozaïek kooi silica nanobuisjes (NT's) in anodische aluminiumoxide membranen (AAM) als een veelbelovende kandidaat nanofilter voor snelle (binnen enkele seconden) grootte-uitsluiting scheiding van hoge concentratie macromoleculen.

Daten, scheiding van eiwitten in relatief homogene groepen en groottes is erg belangrijk geweest in biofarmaceutica en medicijnen. Vanuit praktisch oogpunt, de vereisten voor deze toepassingen zijn onder meer eenvoudige opschaling, snelle scheiding, geschiktheid voor hoge productievolumes, en lage kosten. Technisch gezien, het ontwerp van extreem robuuste filtermembranen zonder vorming van luchtspleten tussen membraan-nanokanalen is een resterende uitdaging, omdat poriënopeningen niet alleen het potentieel van nanofiltratiesystemen met uitsluiting van grootte verminderen, maar ook de opslagstabiliteit op lange termijn van NT's beperken, opslag moeilijk maken, zelfs voor een maand.

Voor praktische controle van mozaïek nanofiltermembranen, een algemene benadering gebaseerd op dicht geconstrueerde driedimensionale (3D) mesocage-structuren in silica NT's werd aangenomen. Bij dit ontwerp is multifunctionele oppervlaktecoating van de poriekanalen van de AAM vergemakkelijkte de productie van extreem robuust geconstrueerde sequenties van membranen als "echte nanofilters" zonder "detachmentporiën" (luchtspleten) tussen de gefabriceerde nanobuisjes in de AAM. De aanpak die door het NIMS-team wordt gebruikt, is ideaal voor het construeren van buisvormige structuren in membranen met verticale uitlijning, open oppervlakken van boven-onderuiteinden, multidirectionele (3D) porieconnectiviteit, en stabiliteit, die veelbelovend zijn voor toepassing op nanofiltersystemen.

De sleutel tot deze ontwikkeling was het feit dat het nanofiltersysteem macromoleculen, zoals eiwitten van verschillende groottes, efficiënt scheidt over een breed, instelbaar bereik van concentraties. Hoewel conventionele processen maar liefst 12 uur of meer vergen, deze techniek zorgt voor een snel filtratieproces dat filtratie in seconden bereikt, ondanks het blokkerende effect van de eiwitten tijdens het filtratieproces.

De intrinsieke eigenschappen van het NIMS-ontwerp (houdbaarheid of langdurige stabiliteit, scheidingsefficiëntie, herbruikbaarheid) zijn belangrijke voordelen in vergelijking met de conventionele eiwit-nanofiltertechnieken die tot nu toe worden gebruikt. Dergelijke voordelen zullen de sleutel zijn tot de ontwikkeling van een fabricagebenadering met het potentieel om de optimale methode te worden voor het ontwerp van nanofilters voor filtratie en moleculair transport van meerdere soorten.

De resultaten van dit onderzoek toonden aan dat de NIMS-aanpak een tijd- en kostenefficiënt alternatief biedt voor de huidige macromolecuulanalysemethoden. Deze ontwikkeling biedt ook nieuwe inzichten in het regelontwerp van apparaten op het gebied van elektronica, sensoren, en andere nanotechnologieën.