Proteinporer pakket i polymerer laver supereffektive filtreringsmembraner

Et tværfagligt team af ingeniører og videnskabsmænd har udviklet en ny klasse af filtreringsmembraner til en række forskellige anvendelser, fra vandrensning til adskillelse af små molekyler til processer til fjernelse af forurenende stoffer, som er hurtigere at producere og mere ydende end den nuværende teknologi. Dette kan reducere energiforbruget, driftsomkostninger og produktionstid i industrielle adskillelser.

Anført af Manish Kumar, lektor ved Cockrell School of Engineering ved University of Texas i Austin, forskerholdet beskriver deres nye højtydende membraner i et nyligt nummer af Naturmaterialer .

Holdets nye filtreringsmembraner demonstrerer højere tæthed af porer end kommercielle membraner og kan produceres meget hurtigere - på to timer, versus den flere-dages proces, der bruges i øjeblikket. Indtil nu, at integrere proteinbaserede membraner i den nuværende teknologi, der bruges til industrielle adskillelser, har været udfordrende på grund af den tid, der er nødvendig for at skabe disse membraner og den lave tæthed af proteiner i resulterende membraner.

Denne omfattende og kollaborative forskningsindsats samlede ingeniører, fysikere, biologer og kemikere fra UT Austin, Penn State University, University of Kentucky, University of Notre Dame og virksomheden Applied Biomimetic. Værket præsenterer den første ende-til-ende syntese af en ægte proteinbaseret separationsmembran med porer mellem en halv nanometer og 1,5 nanometer i størrelse. En nanometer er blot et par gange så stor som et vandmolekyle og hundrede tusinde gange mindre end bredden af ​​et menneskehår.

Membranerne skabt af holdet er biomimetiske, hvilket betyder, at de efterligner systemer eller elementer i naturen, og efterligne dem, der naturligt forekommer i cellemembraner til transport af vand og næringsstoffer. De har for nylig udgivet et andet papir, der fremhæver inspirationen til deres metode. Højdensitetspakning af disse proteinkanaler til polymerplader danner proteinporer i membranen, svarende til dem, der ses i menneskelige øjenlinser, men inden for et ikke-biologisk polymermiljø.

Tre forskellige biomimetiske membraner blev fremstillet af holdet og demonstrerede en skarp, unik og afstembar selektivitet med tre forskellige porestørrelser af membranproteinkanaler. De beskrevne metoder kan tilpasses med indsættelse af proteinkanaler af forskellig porestørrelse eller kemi i polymermatricer for at udføre specifikt designede separationer.

"I fortiden, forsøg på at lave biomimetiske membraner levede langt fra løftet om disse materialer, demonstrerer kun to til tre gange forbedring af produktiviteten, " sagde Yu-Ming Tu, en UT Austin kemiingeniør doktorand og leder på projektet. "Vores arbejde viser overraskende 20 til 1, 000 gange forbedring i produktivitet i forhold til de kommercielle membraner. På samme tid, vi kan opnå lignende eller bedre adskillelse af små molekyler, som sukkerarter og aminosyrer, fra større molekyler, som antibiotika, proteiner og vira."

Denne høje produktivitet blev muliggjort af den meget høje tæthed af poreproteiner. Cirka 45 billioner proteiner kan passe ind på membranen, hvis det var på størrelse med et amerikansk kvartal; de dannede membraner var 10-20 gange større i areal. Denne poretæthed er 10 til 100 gange højere end konventionelle filtreringsmembraner med lignende porer i nanostørrelse. Derudover alle porerne i disse membraner har nøjagtig samme størrelse og form, giver dem mulighed for bedre at tilbageholde molekyler af ønsket størrelse.

"Dette er første gang, at løftet om biomimetiske membraner, der involverer membranproteiner, er blevet oversat fra den molekylære skala til høj ydeevne på membranskalaen, " sagde Kumar. "I så lang tid, ingeniører og videnskabsmænd har forsøgt at finde løsninger på problemer kun for at finde ud af, at naturen allerede har gjort det og gjort det bedre. De næste skridt er at se, om vi kan fremstille endnu større membraner, og at teste, om de kan pakkes ind i moduler af flade ark og spiralviklede, som dem, der er almindelige i industrien."