Ultrafiltratie (UF)-membranen zijn essentieel in industrieën zoals de farmaceutische industrie, waar ze moleculen scheiden op basis van grootte. Het scheiden van moleculen van vergelijkbare grootte met verschillende chemische samenstellingen (denk aan antilichamen met verschillende structuren) is echter altijd een uitdaging geweest. Nu hebben onderzoekers van Cornell University een baanbrekende methode ontwikkeld waarmee UF-membranen moleculen niet op grootte kunnen filteren, maar op basis van hun chemische samenstelling.
Deze innovatieve aanpak omvat het opnemen van chemisch verschillende blokcopolymeermicellen in het membraanmateriaal. Micellen zijn kleine, zelfassemblerende polymeerbolletjes die kunnen worden aangepast met specifieke chemische eigenschappen. Door deze micellen strategisch te mengen, konden de onderzoekers verschillende porieoppervlakken binnen het membraan creëren.
“Stel je eiwitkanalen in cellen voor: ze kunnen onderscheid maken tussen metaalionen van vergelijkbare grootte op basis van de chemie in hun poriën”, legt Ulrich Wiesner, senior auteur van het onderzoek en professor aan de Cornell University, uit. “We hebben dit concept van de natuur geleend om UF-membranen met chemisch programmeerbare poriën te ontwikkelen.”
Het team, onder leiding van Lilly Tsaur, bestudeerde nauwgezet hoe deze micellen op elkaar inwerken in de bovenste laag van het membraan. Ze gebruikten scanning-elektronenmicroscopie om hun rangschikking te visualiseren en combineerden dit met machinaal leren om de specifieke locatie van elk type micel te identificeren op basis van subtiele poriënpatronen. Moleculaire simulaties uitgevoerd door Fernando Escobedo en Luis Nieves-Rosado leverden cruciale inzichten op in de complexe zelfassemblageregels die deze micellen beheersen.
Dit onderzoek bouwt voort op eerder werk van de groep van Wiesner, dat al heeft geleid tot de ontwikkeling van kosteneffectieve UF-membranen voor het scheiden van virussen van biofarmaceutica. De nieuwe ontdekking zou een revolutie in het veld kunnen teweegbrengen door fabrikanten in staat te stellen eenvoudig bestaande productieprocessen aan te passen om membranen te creëren die zijn afgestemd op specifieke chemische scheidingen.
“Bedrijven gebruiken momenteel een consistent proces voor de productie van deze membranen”, zegt Wiesner. “Onze methode biedt hen een eenvoudige manier om ‘het magische stof’ – de micelsamenstelling – te veranderen en chemisch diverse porieoppervlakken te bereiken.”
Deze paradigmaverschuiving in UF-technologie opent opwindende nieuwe mogelijkheden die verder gaan dan filtratie, waaronder slimme coatings die reageren op hun omgeving en zeer gevoelige biosensoren die zijn ontworpen om specifieke moleculen te detecteren. De onderzoekers verdiepen zich nu dieper in deze materialen en onderzoeken hoe chemische patronen zich onder het oppervlak van het membraan uitstrekken.
