Celmembranen dienen als ideaal voorbeeld van een systeem dat multifunctioneel, afstembaar, nauwkeurig en efficiënt.

Pogingen om deze biologische wonderen na te bootsen zijn niet altijd succesvol geweest. Echter, Wetenschappers van Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben op polymeren gebaseerde membranen gemaakt met 1,5 nanometer koolstof nanobuisporiën die de architectuur van celmembranen nabootsen. Het onderzoek verschijnt op de omslag van het tijdschrift Geavanceerde materialen .

Koolstofnanobuisjes hebben unieke transporteigenschappen waarvan verschillende moderne industriële, milieu- en biomedische processen - van grootschalige waterbehandeling en ontzilting van water tot nierdialyse, steriele filtratie en farmaceutische productie.

Geïnspireerd door de biologie, onderzoekers hebben robuuste en schaalbare synthetische membranen nagestreefd die functionele biologische transporteenheden bevatten of inherent emuleren. Recente studies toonden succesvolle opname van lipidendubbellagen van op peptiden gebaseerde nanoporiën aan, 3D-membraankooien en grote en zelfs complexe DNA-origami-nanoporiën.

Echter, LLNL-wetenschappers gingen nog een stap verder en combineerden robuuste synthetische blok-copolymeermembranen met een andere door LLNL ontwikkelde technologie:kunstmatige membraan-nanoporiën op basis van koolstofnanobuisporines (CNTP's), dit zijn korte segmenten van enkelwandige koolstofnanobuizen die poriën op nanometerschaal vormen met atomair gladde hydrofobe wanden die protonen kunnen transporteren, water en macromoleculen, inclusief DNA.

"CNTP's zijn uniek onder biomimetische nanoporiën omdat koolstofnanobuisjes robuust en zeer chemisch resistent zijn, waardoor ze geschikt zijn voor gebruik in een breder scala aan scheidingsprocessen, inclusief die waarvoor ruwe omgevingen vereist zijn, " zei Alex Noy, een LLNL materiaalwetenschapper en senior auteur op het papier.

Het team integreerde CNTP-kanalen in polymeermembranen, het nabootsen van de structuur, architectuur en basisfunctionaliteit van biologische membranen in een volledig synthetische architectuur. Proton- en watertransportmetingen toonden aan dat koolstofnanobuisporines hun hoge permeabiliteit behouden in de polymeermembraanomgeving. De wetenschappers toonden aan dat CNTP's ingebed in polymersomen (een klasse van kunstmatige blaasjes, kleine holle bolletjes die een oplossing omsluiten) kunnen functioneren als moleculaire leidingen die reagentia met kleine moleculen tussen vesiculaire compartimenten pendelen.

"Deze ontwikkeling opent nieuwe mogelijkheden voor de levering van moleculaire reagentia aan vesiculaire compartimenten om beperkte chemische reacties te initiëren en het geavanceerde transport-gemedieerde gedrag van biologische systemen na te bootsen, " zei Jeremy Sanborn, een Lawrence Scholar bij LLNL en de eerste auteur van het papier.