Tradycyjne membrany do ultrafiltracji (UF) są stosowane w branżach takich jak farmaceutyka, gdzie cząsteczki rozdzielane są na podstawie ich wielkości. Jednak oddzielenie cząsteczek o podobnej wielkości i różnym składzie chemicznym – na przykład przeciwciał o różnych strukturach – zawsze było wyzwaniem. Teraz naukowcy z Cornell University opracowali rewolucyjną metodę, która pozwala membranom UV filtrować cząsteczki nie według wielkości, ale według ich struktury chemicznej.
To innowacyjne podejście polega na włączeniu chemicznie odrębnych miceli kopolimeru blokowego do materiałów membranowych. Micele to maleńkie, samoorganizujące się kulki polimerowe, które można modyfikować tak, aby miały określone właściwości chemiczne. Strategicznie łącząc te micele, badaczom udało się stworzyć różnorodne powierzchnie porów w membranie.
„Wyobraźmy sobie kanały białkowe w komórkach – potrafią one rozróżnić jony metali o podobnej wielkości na podstawie składu chemicznego ich pustych kanałów” – wyjaśnia Ulrich Wiisner, główny autor badania i profesor na Uniwersytecie Cornell. „Zapożyczyliśmy tę koncepcję od natury, aby opracować membrany UV z chemicznie programowalnymi porami”.
Zespół kierowany przez Lilly Tsaur szczegółowo zbadał interakcję tych miceli w górnej warstwie membrany. Wykorzystali skaningowy mikroskop elektronowy do wizualizacji ich lokalizacji i, korzystając z uczenia maszynowego, zidentyfikowali dokładną lokalizację każdego typu miceli na podstawie drobnych wzorów porów. Symulacje molekularne przeprowadzone przez Fernando Escobedo i Luisa Nieves-Rosado dostarczyły ważnych informacji na temat złożonych zasad samoorganizacji rządzących tymi micelami.
Badania te stanowią kontynuację wcześniejszych prac grupy Wijznera, które już doprowadziły do opracowania opłacalnych membran UV do oddzielania wirusów od środków biofarmaceutycznych. Nowe odkrycie może zrewolucjonizować tę dziedzinę, umożliwiając producentom łatwe dostosowywanie istniejących procesów produkcyjnych w celu tworzenia membran przeznaczonych do określonych separacji chemicznych.
„Firmy stosują obecnie ciągły proces produkcji tych membran” – mówi Wisner. „Nasza metoda oferuje im prosty sposób na zmianę magicznego pyłu – składu miceli – i wytworzenie chemicznie zróżnicowanych powierzchni porów”.
Ta zmiana paradygmatu w technologii UV otwiera nowe, ekscytujące możliwości wykraczające poza filtrację, w tym inteligentne powłoki reagujące na środowisko i bardzo czułe biosensory zaprojektowane do wykrywania określonych cząsteczek. Naukowcy zagłębiają się obecnie w te materiały, badając, w jaki sposób wzorce chemiczne rozprzestrzeniają się pod powierzchnią membrany.
