Het scheiden van moleculen is een belangrijk onderdeel van veel productie- en testprocessen, waaronder farmaceutische productie en enkele biomedische tests. Een manier om zo'n scheiding uit te voeren is door nanofilters te gebruiken -- materialen met gaten met een nauwkeurig gecontroleerde kleine diameter, om moleculen tot die grootte door te laten terwijl ze grotere blokkeren. Maar een nieuw systeem, bedacht door onderzoekers van MIT, zou een belangrijke nieuwe mogelijkheid kunnen toevoegen:een manier om moleculen van dezelfde grootte met verschillende chemische eigenschappen selectief uit te filteren.

Karen Gleason, een MIT-hoogleraar chemische technologie en associate dean of engineering voor onderzoek, en postdoctoraal fellow Ayse Asatekin beschreef het proces in een artikel dat deze maand in het tijdschrift werd gepubliceerd Nano-letters .

Dit is "een fundamenteel andere manier" om moleculen te scheiden, zegt Gleason. “Mensen denken meestal dat grootte de bepalende factor is, ” maar door de poriën in het filter klein genoeg te maken zodat er een significante chemische interactie is tussen de poriewanden en de moleculen die er doorheen gaan, wordt het mogelijk om te discrimineren op basis van andere kenmerken, ze legt uit. In dit geval, de selectie was gebaseerd op de affiniteit van de moleculen voor water. Omdat de wanden van de poriën hydrofoob waren (waterafstotend), andere hydrofobe moleculen werden gemakkelijker naar de poriën getrokken en er doorheen voortgestuwd dan andere, minder hydrofobe moleculen.

In levende organismen, celwanden voeren routinematig dit soort chemische scheiding uit, bepaalde specifieke soorten moleculen te laten — bijvoorbeeld voedingsstoffen, enzymen of signaalmoleculen - gaan vrij door poriën in een celmembraan, terwijl je alle anderen blokkeert. Maar dit is de eerste keer, Asatekin zegt, dat een dergelijke chemische scheiding is aangetoond in een synthetisch membraan.

Veel biologische moleculen die qua grootte vergelijkbaar zijn, maar toch heel verschillende functies of eigenschappen hebben, dus het vermogen om ze efficiënt te scheiden kan belangrijk zijn. In deze eerste proof-of-concept demonstratie, de geselecteerde moleculen waren twee kleurstoffen, gekozen vanwege hun vergelijkbare grootte en gemak van detectie. Met behulp van een polycarbonaatmembraan (een soort plastic) behandeld met een opgedampte laag van een ander polymeer, de onderzoekers waren in staat om de twee kleurstoffen zeer effectief te scheiden, met meer dan 200 keer meer van het ene type dat er doorheen gaat dan het andere. Het coatingproces dat ze gebruikten, voegt niet alleen de mogelijkheid toe om onderscheid te maken tussen moleculen op basis van hun verschillende affiniteiten voor water, maar door de binnenkant van buisachtige poriën in het materiaal te coaten, biedt het ook een manier om extreem kleine poriën van uniforme grootte te creëren - veel kleiner dan met conventionele methoden kan worden geproduceerd.

Jörg Lahann, een universitair hoofddocent chemische technologie aan de Universiteit van Michigan die niet betrokken was bij dit werk, zegt dat het vermogen van het team om kleine, uniforme poriën met een diameter kleiner dan 10 nanometer (miljardste van een meter) is zelf een belangrijke prestatie die een groot probleem in de bestaande nanoscheidingstechnologie oplost.

Om te testen hoe het systeem werkt, het team probeerde twee verschillende soorten poriën te maken - sommige waren buizen van uniforme grootte, anderen die op een gegeven moment een smal knelpunt hadden en vervolgens breder werden. De uniforme cilinders waren veel effectiever, aantonen dat de belangrijkste factor de interactie is van de moleculen met de wand van de porie over de gehele lengte, wat in dit geval ongeveer 4 was, 000 keer de breedte.

In de farmaceutische productie, veel processen omvatten chemische reacties waarbij zowel de reactanten als de geproduceerde chemische stof erg op elkaar lijken in moleculaire grootte, dus het efficiënt kunnen scheiden van de twee zou een aanzienlijke vooruitgang kunnen zijn bij het mogelijk maken van verwerking met grote doorvoer in plaats van productie in kleine batches zoals momenteel wordt gedaan, zegt Asatekin.

Naast mogelijke toepassingen in de productie van geneesmiddelen, dergelijke membranen kunnen belangrijk zijn voor de detectie van biologisch significante moleculen. Bijvoorbeeld, het Amerikaanse leger, die dit onderzoek financierde via het Institute for Soldier Nanotechnology, is geïnteresseerd in het mogelijke gebruik ervan in detectoren die een chemische marker kunnen identificeren die het lichaam produceert wanneer een ontstekingsreactie wordt geactiveerd, wat een manier zou kunnen zijn om snel te onthullen dat het lichaam was blootgesteld aan een toxine, zelfs zonder te weten wat het toxine was.

Als volgende stap, Asatekin en Gleason zijn van plan om de techniek uit te proberen om biomoleculen te scheiden die echt relevant zijn voor biologische processen. om aan te tonen dat het werkt voor materialen die van belang zijn voor daadwerkelijke toepassingen.

Professor Mathias Ulbricht, leerstoel technische chemie aan de universiteit van Duisburg-Essen in Duitsland, noemt dit een "krachtige experimentele demonstratie" van een nieuwe techniek die volgens hem veelbelovend is voor praktische toepassingen.

"Deze studie opent een nieuwe weg voor echt 'op maat gemaakte' nanoporeuze membranen met andere selectiviteiten dan die van traditionele membranen, ' zegt hij. "Er moet meer experimenteel werk worden gedaan aan de voorbereiding van membranen met een gevarieerde structuur en andere scheidingsexperimenten. Echter, I am optimistic that the promising prospects can be demonstrated practically in such follow-up studies.”