211service.com
Ultraszybki filtr krzemowy
Porowata krzemowa membrana o grubości kilku nanometrów może szybko filtrować ciecze i oddzielać cząsteczki o bardzo zbliżonych rozmiarach, donoszą naukowcy z University of Rochester w tym tygodniu. Natura . Nowa membrana może doprowadzić do wydajnego oczyszczania białek do wykorzystania w badaniach i odkrywaniu leków. Może również działać mniej więcej 10 razy szybciej niż obecne membrany używane do dializy krwi, czyli sztucznego oczyszczania krwi. Ponadto membranę można wykorzystać jako filtr do oddzielania molekuł w urządzeniach mikroprzepływowych używanych do badania DNA i białek oraz jako podłoże do hodowli neurologicznych komórek macierzystych.
Wafel krzemowy z 160 nanoporowatymi membranami krzemowymi. Każda 15-nanometrowa membrana o wymiarach 200 na 200 mikrometrów kwadratowych znajduje się w środku 160 kwadratów ułożonych w wafel.
Membrany na bazie polimerów stosowane obecnie do filtrowania białek mają zwykle grubość wielu mikrometrów i skomplikowaną strukturę porów, podobną do gąbki. [Filtracja] trwa dłużej, ponieważ jest znacznie dłuższa odległość, a pory są zawiłe, mówi Filip Fauchet , profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej na Uniwersytecie w Rochester, który kierował badaniami. A spora część tego, co musi przejść, pozostaje na zawsze w membranie. Naukowcy w końcu tracą mniejsze cząsteczki białka, które znajdują się w środku, mówi James McGrath , profesor inżynierii biomedycznej w Rochester i współautor książki Natura papier.
Nowa membrana ma grubość 15 nanometrów, dzięki czemu filtruje się szybciej bez zatrzymywania przechodzących przez nią cząsteczek, co jest ważne, jeśli naukowcy chcą zatrzymać zarówno większe, jak i mniejsze białka. Gdy cząsteczka dostanie się do błony, robi jeden krok i znajduje się na tylnej stronie, mówi McGrath.
Aby wykonać membrany, naukowcy wykorzystują narzędzia wykorzystywane do tworzenia układów scalonych. Powinno to sprawić, że filtry będą łatwe do zintegrowania z urządzeniami mikroprzepływowymi na bazie krzemu, które są wykorzystywane do badań nad białkami, gdzie byłyby przydatne, gdyby naukowcy chcieli oddzielić konkretne białko będące przedmiotem zainteresowania od próbki płynu biologicznego. Naukowcy wykonali membrany, umieszczając najpierw stos trzech cienkich warstw – amorficznej warstwy krzemu umieszczonej między dwiema warstwami dwutlenku krzemu – na płytce krzemowej. Poddanie wafla działaniu temperatur wyższych niż 700ºC powoduje krystalizację amorficznego krzemu i tworzenie porów. Następnie naukowcy trawią warstwy wafla i dwutlenku krzemu, aby odsłonić małe kwadraty nanoporowatej membrany, które mają 200 mikrometrów z każdej strony. Temperatura kontroluje średnicę porów, umożliwiając naukowcom precyzyjne dostrojenie membran: w 715ºC membrana ma średni rozmiar porów 7 nanometrów, podczas gdy w 729ºC średnia wynosi około 14 nanometrów.
McGrath twierdzi, że błona byłaby dobrym podłożem do hodowli neurologicznych komórek macierzystych. Niektóre komórki pomocnicze odżywiają komórki macierzyste i nakłaniają je do przekształcenia się w neurony. Aby uzyskać czystą kulturę neuronów, naukowcy szukają sposobów na fizyczne oddzielenie komórek pomocniczych od komórek macierzystych, przy jednoczesnym umożliwieniu im wymiany chemikaliów. [Dzięki nowej membranie] odległość, którą będą rozdzieleni, będzie mniej więcej tego samego rozmiaru, co ich własna membrana plazmatyczna, mówi McGrath. Pory umożliwią bardzo szybką dyfuzję cząsteczki sygnalizacyjnej.
Naukowcy są przekonani, że ze względu na węższy zakres średnic porów, krzemowe membrany mogą oddzielać białka o znacznie bliższych rozmiarach niż jest to możliwe w przypadku obecnych filtrów gąbczastych. Istnieją tysiące różnych białek pełniących kluczowe funkcje w ludzkim ciele, a oddzielenie poszczególnych białek jest kluczem do zrozumienia jego struktury i funkcji. Fauchet mówi, że dzięki zaprojektowaniu węższego zakresu średnic porów naukowcy mogliby uzyskać 100-procentową separację białek – nawet tych o zbliżonych rozmiarach.
W testach laboratoryjnych cząsteczki barwnika o szerokości jednego nanometra w roztworze przechodzą przez nanoporowatą membranę 10 razy szybciej niż przez komercyjną membranę do dializy krwi. Naukowcy planują wzmocnić membranę - może wytrzymać ciśnienie 15 funtów na cal kwadratowy - aby mogły przepychać więcej cząsteczek, potencjalnie zwiększając szybkość dializy o 100 razy w porównaniu z membranami komercyjnymi.
Niektórzy eksperci uważają jednak, że jest zbyt wcześnie, aby stwierdzić, czy membrana będzie przydatna do zastosowań na dużą skalę, takich jak oczyszczanie białek i dializa krwi. Wadą ultracienkiej membrany jest to, że trudno jest wykonać membrany o dużej powierzchni przy użyciu tej techniki, mówi Andrzej Zydney , profesor inżynierii chemicznej na Penn State University. Mówi, że obecne systemy oczyszczania białek w przemyśle biotechnologicznym efektywnie wykorzystują 100 metrów kwadratowych membrany. Nawet jeśli nowa membrana filtruje 10 razy szybciej, co oznacza, że może filtrować tę samą ilość płynu na 10 razy mniejszej powierzchni, nadal mówimy o 10 metrach kwadratowych membran krzemowych – mówi Zydney. Nie jestem przekonany, że można to zrobić w sposób oszczędny.