Под руководством Маниша Кумара, доцента инженерной школы Кокрелла Техасского университета в Остине, исследовательская группа описывает свои новые высокоэффективные мембраны в недавнем выпуске журнала Nature Materials.
Новые фильтрационные мембраны группы демонстрируют более высокую плотность пор, чем у коммерческих мембран, и могут быть изготовлены намного быстрее – за два часа, по сравнению с многодневным процессом, используемым в настоящее время.
До сих пор интеграция мембран на основе белков в современные технологии, используемые для промышленного разделения, была сложной задачей из-за количества времени, необходимого для создания этих мембран, и низкой плотности белков в получаемых мембранах.
Это комплексное совместное исследование объединило инженеров, физиков, биологов и химиков из Университета штата Вашингтон в Остине, Университета штата Пенсильвания, Университета Кентукки, Университета Нотр-Дам и компании Applied Biomimetic. В работе представлен первый непрерывный синтез настоящей разделительной мембраны на основе белков с порами от половины нанометра до 1.Размером 5 нанометров. Нанометр всего в несколько раз больше молекулы воды и в сто тысяч раз меньше ширины человеческого волоса.
Мембраны, созданные командой, являются биомиметическими, то есть они имитируют системы или элементы природы и имитируют те, которые естественным образом встречаются в клеточных мембранах для транспортировки воды и питательных веществ. Недавно они опубликовали еще одну статью, в которой подчеркивается, что их метод послужил источником вдохновения. Плотная упаковка этих белковых каналов в полимерные листы формирует белковые поры внутри мембраны, подобные тем, которые наблюдаются в линзах человеческого глаза, но в небиологической полимерной среде.
Команда изготовила три различных биомиметических мембраны, которые продемонстрировали четкую, уникальную и настраиваемую селективность с тремя разными размерами пор каналов мембранных белков.
Описанные методы могут быть адаптированы путем введения белковых каналов с разным размером пор или химическим составом в полимерные матрицы для проведения специально разработанного разделения.
«В прошлом попытки сделать биомиметические мембраны далеко не оправдали ожиданий этих материалов, продемонстрировав только двух-трехкратное улучшение производительности», – сказал Ю-Мин Ту, докторант химической инженерии в Остине и руководитель проекта. «Наша работа показывает удивительное повышение производительности в 20-1000 раз по сравнению с коммерческими мембранами.
В то же время мы можем добиться аналогичного или лучшего отделения небольших молекул, таких как сахара и аминокислоты, от более крупных молекул, таких как антибиотики, белки и вирусы."
Такая высокая производительность стала возможной благодаря очень высокой плотности поровых белков. Примерно 45 триллионов белков могут поместиться на мембране, если бы она была размером с U.S. четверть; созданные мембраны были в 10-20 раз больше по площади. Эта плотность пор в 10-100 раз выше, чем у обычных фильтрующих мембран с такими же наноразмерными порами.
Кроме того, все поры в этих мембранах имеют точно такой же размер и форму, что позволяет им лучше удерживать молекулы желаемого размера.
«Это первый раз, когда перспективы биомиметических мембран, включающих мембранные белки, были переведены с молекулярного масштаба на высокие характеристики в масштабе мембраны», – сказал Кумар. "Так долго инженеры и ученые пытались найти решения проблем только для того, чтобы узнать, что природа уже сделала это и сделала это лучше. Следующие шаги – посмотреть, сможем ли мы изготавливать мембраны еще большего размера, и проверить, можно ли их упаковать в плоские листовые и спирально-навитые модули, подобные тем, которые распространены в промышленности."
Исследование финансировалось Национальным научным фондом.