Fremstilling af mosaik nanofiltre til molekylær transport, adskillelse af makromolekyler

Et team ledet af Dr. Sherif El-Safty, Exploratory Material Research Laboratory for Energy and Environment, National Institute for Materials Science (NIMS; Japan), fremstillede stramme mosaikbur-silica-nanorør (NT'er) inde i anodiske aluminiumoxidmembraner (AAM) som et lovende kandidat-nanofilter til højhastigheds (inden for få sekunder) størrelsesudelukkende adskillelse af højkoncentrerede makromolekyler.

Til dato, adskillelse af proteiner i relativt homogene grupper og størrelser har været meget vigtig i biofarmaceutiske produkter og medicin. Fra et praktisk synspunkt, kravene til disse applikationer omfatter nem opskalering, hurtig adskillelse, egnethed til store produktionsvolumener, og lave omkostninger. Teknisk set, designet af ekstremt robuste filtermembraner uden dannelse af luftspalter mellem membrannanokanaler er en tilbageværende udfordring, da porehuller ikke kun reducerer potentialet for størrelsesudelukkende nanofiltreringssystemer, men også begrænse den langsigtede opbevaringsstabilitet af NT'er, gør opbevaring vanskelig selv i en måned.

Til praktisk kontrol af mosaik nanofiltermembraner, en generel tilgang baseret på tæt konstruerede tredimensionelle (3D) mesocage-strukturer inde i silica NT'er blev vedtaget. I dette design, multifunktionel overfladebelægning af porekanalerne i AAM lettede produktionen af ​​ekstremt robuste konstruerede sekvenser af membraner som "ægte nanofiltre" uden "løsrivelsesporer" (luftspalter) mellem de fremstillede nanorør inde i AAM. Den tilgang, som NIMS-teamet bruger, er ideel til at konstruere rørformet strukturerede arkitekturer inde i membraner med lodret justering, åbne overflader af top-bunde ender, multidirektionel (3D) poreforbindelse, og stabilitet, som er lovende til anvendelse på nanofiltersystemer.

Nøglen til denne udvikling var det faktum, at nanofiltersystemet effektivt adskiller makromolekyler såsom proteiner af forskellige størrelser over en bred, justerbart koncentrationsområde. Selvom konventionelle processer kræver så meget som 12 timer eller mere, denne teknik giver en hurtig filtreringsproces, der opnår filtrering på få sekunder, på trods af proteinernes blokerende virkning under filtreringsprocessen.

De iboende egenskaber ved NIMS-designet (holdbarhed eller langsigtet stabilitet, separationseffektivitet, genanvendelighed) er vigtige fordele i sammenligning med de konventionelle protein nanofilter-teknikker, der er brugt til dato. Sådanne fordele vil være nøglen til udviklingen af ​​en fremstillingstilgang med potentiale til at blive den optimale metode til design af nanofiltre til filtrering og molekylær transport af flere arter.

Resultaterne af denne forskning viste, at NIMS-tilgangen tilbyder et tids- og omkostningseffektivt alternativt værktøj til nuværende makromolekyleanalysemetoder. Denne udvikling giver også ny indsigt i kontroldesign af enheder inden for elektronik, sensorer, og andre nanoteknologier.