Zelfafheemse, atomisch dunne dialysemembranen: eiwitten transformeren lekkage in filtratievoordeel

Een door Vanderbilt geleid onderzoeksteam heeft een aanzienlijke doorbraak gemaakt in het ontwikkelen van geavanceerde dialysemembranen met behulp van atomisch dunne materialen zoals grafeen. Deze innovatieve membranen, nanoporeuze atomisch dunne membranen (NATMS) genoemd, maken gebruik van een eiwit-compatibel afdichtingsmechanisme om een ​​belangrijke uitdaging aan te gaan in dialysetechnologie, die een hoog rendement bij het filteren van kleine moleculen behoudt en het minimaliseren van eiwitverlies.

Het werk is gepubliceerd in het dagboek Nano letters.

Dialysemembranen moeten twee kritieke functies in evenwicht brengen: kleine moleculen laten doorgaan voor verwijdering en het voorkomen van de lekkage van vitale eiwitten. De aanpak van het team maakt gebruik van de unieke eigenschappen van grafeen – de extreme dunheid en aanpasbare nanoporiën – om precieze en snelle filtratie mogelijk te maken. Zelfs een enkele grote porie kan echter overmatige lekkage veroorzaken, waardoor de prestaties van het membraan in gevaar worden gebracht.

Om dit aan te pakken, ontwikkelden de onderzoekers een nieuwe methode die eiwitlekkage in een voordeel transformeert. Wanneer eiwitten door grotere poriën ontsnappen, reageren ze met moleculen aan de andere kant van het grafeenmembraan. Deze reactie leidt tot een afdichtingsproces, waardoor grotere poriën selectief worden gesloten met behoud van kleinere.

Dit zelfafzettingsvermogen zorgt voor een precieze selectieve filtratie en verbetert de algehele effectiviteit van het membraan.

“De mogelijkheid om inconsistente poriegroottes af te sluiten en moleculen selectief te filteren op basis van grootte, vertegenwoordigt een nieuw paradigma voor dialysemembranen,” zei Peifu Cheng, hoogleraar onderzoeksassistent van chemische en biomoleculaire engineering en eerste auteur van de studie.

“Eiwitten en biomoleculen hebben een natuurlijke flexibiliteit waarmee ze enigszins kunnen vervormen bij het passeren van nanoporiën,” legde Cheng uit. “Onze aanpak bouwt voort op deze eigenschap en gaat aanzienlijk verder dan de huidige dialysetechnologieën en commercieel beschikbare membranen.”

Universitair docent chemische en biomoleculaire engineering Piran Kidambi, die het project leidde, benadrukte de baanbrekende aard van het werk. “Onze studie introduceert eiwitten als tools op nanoschaal om poriëngroottes in atomisch dunne membranen te ontwikkelen, waardoor kritieke uitdagingen worden overwonnen in huidige dialysesystemen.

“Voor zover wij weten, is dit de eerste demonstratie van een dergelijke methode, en het opent de deur naar het gebruik van een breed scala aan biomoleculen – inclusief DNA en RNA – voor precieze membraanfabricage.”

Het team demonstreerde deze eiwit-compatibele grootte-selectieve defectafdichting (PDS) -methode op grafeenmembranen op centimeterschaal. Deze NATM’s met defecten bleven maximaal 35 dagen stabiel en overtroffen consequent overtollige ultramoderne commerciële dialysemembranen.