Carbon nanorør efterligner biologi

Cellulære membraner tjener som et ideelt eksempel på et system, der er multifunktionelt, indstillelig, præcise og effektive.

Bestræbelser på at efterligne disse biologiske vidundere har ikke altid været succesfulde. Imidlertid, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskere har skabt polymer-baserede membraner med 1,5-nanometer carbon nanorør porer, der efterligner arkitekturen af ​​cellulære membraner. Forskningen vises på forsiden af ​​tidsskriftet Avancerede materialer .

Carbon nanorør har unikke transportegenskaber, der kan gavne adskillige moderne industrielle, miljømæssige og biomedicinske processer - fra storstilet vandbehandling og vandafsaltning til nyredialyse, sterilfiltrering og farmaceutisk fremstilling.

Med inspiration fra biologi, forskere har forfulgt robuste og skalerbare syntetiske membraner, der enten inkorporerer eller iboende emulerer funktionelle biologiske transportenheder. Nylige undersøgelser viste vellykket lipid-dobbeltlagsinkorporering af peptid-baserede nanoporer, 3-D membranbure og store og endda komplekse DNA origami nanoporer.

Imidlertid, LLNL-forskere gik et skridt videre og kombinerede robuste syntetiske blok-copolymer-membraner med en anden LLNL-udviklet teknologi:kunstige membran-nanoporer baseret på kulstof-nanorørporiner (CNTP'er), som er korte segmenter af enkeltvæggede kulstofnanorør, der danner porer i nanometerskala med atomisk glatte hydrofobe vægge, der kan transportere protoner, vand og makromolekyler, herunder DNA.

"CNTP'er er unikke blandt biomimetiske nanoporer, fordi kulstofnanorør er robuste og meget kemisk modstandsdygtige, som gør dem egnede til brug i en bredere række af separationsprocesser, herunder dem, der kræver barske miljøer, " sagde Alex Noy, en LLNL-materialeforsker og seniorforfatter på papiret.

Holdet integrerede CNTP-kanaler i polymermembraner, efterligne strukturen, arkitektur og grundlæggende funktionalitet af biologiske membraner i en helsyntetisk arkitektur. Proton- og vandtransportmålinger viste, at kulstofnanorørporiner opretholder deres høje permeabilitet i polymermembranmiljøet. Forskerne påviste, at CNTP'er er indlejret i polymersomer (en klasse af kunstige vesikler, bittesmå hule kugler, der omslutter en opløsning) kan fungere som molekylære kanaler, der transporterer små molekyle reagenser mellem vesikulære rum.

"Denne udvikling åbner nye muligheder for levering af molekylære reagenser til vesikulære rum for at initiere begrænsede kemiske reaktioner og efterligne den sofistikerede transportmedierede adfærd af biologiske systemer, " sagde Jeremy Sanborn, en Lawrence Scholar ved LLNL og den første forfatter på papiret.