Традиционные ультрафильтрационные (УФ) мембраны применяются в таких отраслях, как фармацевтика, где отделяют молекулы на основе их размера. Тем не менее, разделение подобных по размеру молекул с различными химическими составами – например, антител с разной структурой – всегда было сложной задачей. Теперь ученые Корнеллского университета разработали революционный метод, позволяющий УФ мембранам фильтровать молекулы не по размеру, а по их химическому строению.
Этот инновационный подход заключается в включении в состав мембранных материалов химически отличающихся блочных кополимерных мицелл. Мицеллы – это крошечные, самоорганизующиеся полимерные сферы, которые можно модифицировать с заданными химическими свойствами. Осуществляя стратегическую комбинацию этих мицелл, исследователи смогли создать разнообразные поверхности пор в мембране.
«Представьте себе белковые каналы в клетках – они могут различать подобные по размеру металлические ионы на основе химии их полых проходов», — поясняет Ульрих Вийзнер, ведущий автор исследования и профессор Корнеллского университета. «Мы заимствовали эту концепцию из природы для разработки УФ мембран с химически программируемыми порами».
Команда под руководством Лилли Цаур детально изучила взаимодействие этих мицелл в верхнем слое мембраны. Они использовали сканирующий электронный микроскоп для визуализации их расположения и совместно с машинным обучением идентифицировали точное местоположение каждого типа мицеллы на основе тонких узоров пор. Молекулярные моделирования, проведенные Фернандо Эскобедо и Луисом Ниевес-Росадо, предоставили важные сведения о сложных правилах самоорганизации, управляющих этими мицеллами.
Данное исследование является продолжением предыдущих работ группы Вийзнера, которые уже привели к разработке экономически эффективных УФ мембран для разделения вирусов из биофармацевтических препаратов. Новое открытие может революционизировать эту область, позволяя производителям легко адаптировать существующие производственные процессы для создания мембран, предназначенных для конкретных химических разделений.
«Компании в настоящее время используют постоянный процесс производства этих мембран», — говорит Вийзнер. «Наш метод предлагает им простой способ изменить «волшебную пыль» – состав мицелл – и получить химически разнообразные поверхности пор».
Этот парадигмальный сдвиг в УФ-технологии открывает новые, захватывающие возможности, выходящие за рамки фильтрации, включая умные покрытия, реагирующие на окружающую среду, и высокочувствительные биосенсоры, предназначенные для обнаружения специфических молекул. Исследователи сейчас углубляются в изучение этих материалов, исследуя, как химические узоры распространяются ниже поверхности мембраны.
