Udvikling af en måde at gøre oxygen injicerbar

Hvad hvis akutmedicinsk personale kunne behandle en desperat syg patient med behov for ilt med en simpel indsprøjtning i stedet for at skulle stole på mekanisk ventilation eller skynde sig at få dem ind på en hjerte-lunge-bypass-maskine?

En ny tilgang til transport af gasser ved hjælp af en klasse af materialer kaldet porøse væsker repræsenterer et stort skridt i retning af kunstige oxygenbærere og demonstrerer det enorme biomedicinske potentiale af disse usædvanlige væsker.

I en undersøgelse offentliggjort i sidste måned i Nature , et team af videnskabsmænd i Harvard's Department of Chemistry and Chemical Biology beskriver en ny tilgang til transport af gasser i vandige miljøer ved hjælp af porøse væsker. Forfatterne identificerede og skræddersyede flere porøse rammer, der kan lagre meget højere koncentrationer af gasser, herunder oxygen (O₂ ) og kuldioxid (CO₂ ), end normale vandige opløsninger. Dette gennembrud kan være nøglen til at skabe injicerbare iltkilder som en broterapi til hjertestop, skabe kunstige bloderstatninger og overvinde langvarige udfordringer med at bevare organer til transplantationer.

"Vi indså, at der ville være en masse fordele ved at bruge væsker med permanent mikroporøsitet til at løse gastransportudfordringer i vand og andre vandige miljøer," siger Jarad Mason, avisens seniorforfatter og assisterende professor i kemi og kemisk biologi. "Vi har designet væsker, der kan transportere O₂ ved tætheder, der overstiger blodets, hvilket åbner spændende nye muligheder for transport af gasser til en række biomedicinske og energimæssige anvendelser."

Væsker med permanent mikroporøsitet er en ny klasse af materialer, der er sammensat af mikroskopiske porøse partikler spredt i et flydende medium. Forestil dig små, genanvendelige, svampelignende bidder, der er i stand til at opsuge gasser i deres huller og frigive dem. Indtil nu har alle porøse væsker bestået af mikroporøse nanokrystaller eller organiske burmolekyler spredt i organiske opløsningsmidler eller ioniske væsker, der er for store til at diffundere gennem poreindgangene. Forskerne udviklede en ny strategi til at skabe vandige porøse væsker - kaldet "mikroporøst vand" - med høj gaskapacitet baseret på termodynamik.

Arbejdet blev ledet af medlemmer af Masons laboratorium, herunder ph.d.-studerende Daniel P. Erdosy, Malia Wenny, Joy Cho, Miranda V. Walter, postdoc-forsker Christopher DelRe og undergraduate Ricardo Sanchez. Beregningssimuleringer og biologiske eksperimenter blev også udført i samarbejde med forskere ved Boston Children's Hospital og Northwestern University, herunder Felipe Jiminez-Angeles, Baofu Oiao og Monica Olvera de la Cruz.

Vand er et polært molekyle, hvilket gør det til et fantastisk opløsningsmiddel for andre polære molekyler såsom ethanol og sukker, men det er meget værre til at opløse ikke-polære molekyler som O₂ gas. Som sådan kan rent vand bære 30 gange mindre ilt end røde blodlegemer. Den ekstremt lave opløselighed af gasser i vand har sat en hård grænse for mange biomedicinske og energirelaterede teknologier, der kræver transport af gasmolekyler gennem vandige væsker. Denne nye mekanisme til gastransport overvinder den lave opløselighed af gasser i vand og muliggør hurtig gastransport.

Inspireret af porer i visse proteiner, der er tilgængelige for vandmolekyler, men som generelt forbliver tørre i vandige opløsninger, foreslog holdet, at mikroporøse nanokrystaller med hydrofobe indre overflader og hydrofile ydre overflader kunne designes til at efterlade den mikroporøse ramme permanent tør i vand og tilgængelig til at absorbere gasmolekyler.

"Vi var nødt til at forene to tilsyneladende modstridende egenskaber," sagde Erdosy. "Vi designede den indre overflade til at være hydrofob og vandafvisende, og den ydre overflade til at være hydrofil og vandelskende, for ellers ville væsken faseadskilles som olie og vand."

Holdet syntetiserede materialerne i deres laboratorium og testede deres evne til at absorbere og frigive gasser. De fandt ud af, at mikroporøst vand reversibelt kan transportere ekstremt høje tætheder af gasser gennem vandbaserede miljøer. Ved hjælp af denne strategi udviklede holdet en porøs væske, der kan bære en højere densitet af O₂ end der endda er til stede i den rene gas. Disse vandige porøse væsker udviser bemærkelsesværdig holdbarhed, hvilket gør det muligt at opbevare dem ved stuetemperatur i flere måneder før brug.

"Med lidt mere udvikling kunne du forestille dig at opbevare ilt i en mikroporøs væske på en ambulance for at have den klar til at sprøjte ind i en person, når det er nødvendigt," sagde Wenny.

Laboratoriet planlægger at udføre flere eksperimenter på mikroporøst vand for at teste dets biomedicinske anvendelser, mens det fortsætter med at udforske andre potentielle anvendelser for materialerne.

"Vi ønsker at udvikle flere materialer og dyremodeller for at skabe og teste en iltbærer in vivo," sagde Erdosy. "Vi har også planlagt et mere energifokuseret projekt om at bruge mikroporøst vand til at løse gastransportudfordringer i elektrokatalyse." + Udforsk yderligere

Vandklynger i hydrofobe krystallinske porøse kovalente organiske rammer

Denne historie er offentliggjort med tilladelse fra Harvard Gazette, Harvard Universitys officielle avis. Besøg Harvard.edu for yderligere universitetsnyheder.