211service.com
Ett ultrasnabbt silikonfilter
Ett poröst kiselmembran som är några nanometer tjockt kan snabbt filtrera vätskor och separera molekyler som är mycket nära i storlek, rapporterar forskare vid University of Rochester i veckans Natur . Det nya membranet kan leda till effektiv proteinrening för användning i forskning och läkemedelsupptäckt. Det kan också agera ungefär 10 gånger snabbare än nuvarande membran som används för bloddialys, konstgjord rening av blod. Dessutom kan membranet användas som ett filter för att separera molekyler i mikrofluidikanordningar som används för att studera DNA och proteiner och som ett substrat för odling av neurologiska stamceller.
En kiselwafer med 160 nanoporösa kiselmembran. Varje 15 nanometer tjockt, 200 x 200 mikrometer kvadratiskt membran är i mitten av de 160 rutor som är mönstrade i wafern.
De polymerbaserade membran som för närvarande används för att filtrera proteiner är vanligtvis många mikrometer tjocka och har en utarbetad porstruktur ungefär som en svamp. [Filtrering] tar längre tid eftersom det är mycket längre sträcka att gå igenom, och porerna är krystade, säger Philippe Fauchet , professorn i elektro- och datorteknik vid University of Rochester som ledde forskningen. Och en lagom bråkdel av det som måste gå igenom förblir fast för alltid i hinnan. Forskare slutar med att förlora de mindre proteinmolekylerna som sitter inuti, säger James McGrath , en biomedicinsk ingenjörsvetenskapsprofessor vid Rochester och medförfattare till Natur papper.
Det nya membranet är 15 nanometer tjockt, så det filtrerar snabbare utan att fånga molekylerna som passerar genom det, vilket är viktigt om forskare vill behålla både de större och mindre proteinerna. När en molekyl väl kommer till membranet tar den ett steg, och det är på baksidan, säger McGrath.
För att tillverka membranen använder forskarna verktyg som används för att skapa integrerade kretschips. Detta borde göra filtren lätta att integrera i kiselbaserade mikrofluidenheter som används för proteinforskning, där de skulle vara användbara om forskare ville separera ett visst protein av intresse från ett biologiskt vätskeprov. Forskarna tillverkade membranen genom att först deponera en stapel av tre tunna lager - ett amorft kiselskikt inklämt mellan två kiseldioxidskikt - på en kiselskiva. Att utsätta skivan för temperaturer högre än 700 ºC kristalliserar det amorfa kislet och det bildar porer. Sedan etsar forskarna skivan och kiseldioxidskikten för att exponera små kvadrater av det nanoporösa membranet som är 200 mikrometer på varje sida. Temperaturen styr pordiametern, vilket gör att forskarna kan finjustera membranen: vid 715 ºC har membranet en genomsnittlig porstorlek på 7 nanometer, medan snittet vid 729 ºC är cirka 14 nanometer.
McGrath säger att membranet skulle vara ett bra substrat för att odla neurologiska stamceller. Vissa hjälpceller vårdar stamceller och lockar dem till att förvandlas till neuroner. För att få en ren kultur av neuronerna letar forskare efter sätt att fysiskt separera hjälparcellerna från stamcellerna samtidigt som de låter dem utbyta kemikalier. [Med det nya membranet] kommer avståndet de kommer att separeras med ungefär vara samma storlek som deras eget plasmamembran, säger McGrath. Porerna kommer att tillåta en signalmolekyl att diffundera mycket snabbt.
Forskarna tror att på grund av ett smalare intervall av pordiametrar kan kiselmembranen separera proteiner som är mycket närmare i storlek än vad som är möjligt med nuvarande svampliknande filter. Det finns tusentals olika proteiner som tjänar avgörande funktioner i människokroppen, och att separera ett enskilt protein är nyckeln för att förstå dess struktur och funktion. Fauchet säger att genom att konstruera ett smalare intervall av pordiametrar kunde forskarna få 100 procent separation av proteiner - även de som är nära i storlek.
I laboratorietester passerar en nanometer breda färgämnesmolekyler i en lösning genom det nanoporösa membranet 10 gånger snabbare än genom ett kommersiellt bloddialysmembran. Forskarna planerar att göra membranet starkare - det kan hålla ett tryck på 15 pund per kvadrattum - så att de kan driva igenom fler molekyler, vilket potentiellt kan förbättra dialyshastigheten med en faktor 100 jämfört med kommersiella membran.
Vissa experter anser dock att det är för tidigt att säga om membranet kommer att vara användbart för storskaliga tillämpningar som proteinrening och bloddialys. Nackdelen med det ultratunna membranet är att det är svårt att göra stora membran med tekniken, säger Andrew Zydney , en kemiteknikprofessor vid Penn State University. Nuvarande proteinreningssystem inom bioteknikindustrin använder effektivt 100 kvadratmeter membran, säger han. Även om det nya membranet filtrerar 10 gånger snabbare, vilket innebär att det kan filtrera samma mängd vätska med en 10 gånger mindre yta, pratar du fortfarande om 10 kvadratmeter kiselmembran, säger Zydney. Jag är inte övertygad om att det kan göras på ett kostnadseffektivt sätt.