مسام البروتين المعبأة في البوليمرات تصنع أغشية ترشيح فائقة الكفاءة

طور فريق متعدد التخصصات من المهندسين والعلماء فئة جديدة من أغشية الترشيح لمجموعة متنوعة من التطبيقات ، من تنقية المياه إلى فصل الجزيئات الصغيرة إلى عمليات إزالة الملوثات ، والتي هي أسرع لإنتاج وأداء أعلى من التكنولوجيا الحالية. هذا يمكن أن يقلل من استهلاك الطاقة وتكاليف التشغيل ووقت الإنتاج في الانفصال الصناعي.

بقيادة مانيش كومار ، أستاذ مشارك في كلية كوكريل للهندسة بجامعة تكساس في أوستن ، يصف فريق الأبحاث أغشية جديدة عالية الأداء في عدد حديث من المواد الطبيعية.
water filter

تُظهر أغشية الترشيح الجديدة للفريق كثافة أعلى من المسام من الأغشية التجارية ويمكن أن تنتج أسرع بكثير في ساعتين ، مقابل عملية عدة أيام المستخدمة حاليًا. حتى الآن ، كان دمج الأغشية القائمة على البروتين في التكنولوجيا الحالية المستخدمة للفصل الصناعي أمرًا صعبًا بسبب مقدار الوقت اللازم لإنشاء هذه الأغشية وانخفاض كثافة البروتينات في الأغشية الناتجة.

جمعت هذه الجهود البحثية الشاملة والتعاونية بين المهندسين والفيزيائيين وعلماء الأحياء والكيميائيين من UT Austin ، جامعة ولاية بنسلفانيا ، جامعة كنتاكي ، جامعة نوتردام والشركة التطبيقية الحيوية. يعرض العمل أول تخليق من طرف إلى طرف لغشاء فصل حقيقي يعتمد على البروتين مع مسام بين نصف نانومتر و 1.5 نانومتر في الحجم. مقياس النانومتر هو فقط عدة مرات بحجم جزيء الماء وأصغر مائة ألف مرة من عرض شعر الإنسان.

الأغشية التي أنشأها الفريق هي محاكاة حيوية ، مما يعني أنها تحاكي الأنظمة أو عناصر الطبيعة ، وتقليد تلك التي تحدث بشكل طبيعي في أغشية الخلايا لنقل المياه والمواد المغذية. قاموا مؤخرًا بنشر ورقة أخرى تبرز الإلهام لطريقةهم. تشكل التعبئة عالية الكثافة لهذه القنوات البروتينية في صفائح البوليمر مسام البروتين داخل الغشاء ، على غرار تلك التي شوهدت في عدسات العين البشرية ، ولكن داخل بيئة البوليمر غير البيولوجية.

تم تصنيع ثلاثة أغشية محاكاة حيوية مختلفة من قبل الفريق وأظهرت انتقائية حادة وفريدة من نوعها وقابلة للضبط مع ثلاثة أحجام مختلفة من القنوات البروتين الغشائي. يمكن تكييف الطرق الموصوفة مع إدخال قنوات البروتين بأحجام مسام مختلفة أو كيميائيات في مصفوفات البوليمرات لإجراء فصل مصمم بشكل خاص.

وقال يو مينغ تو ، وهو طالب دكتوراه في الهندسة الكيميائية في أوستن: "في الماضي ، كانت محاولات صنع الأغشية المحاكاة الحيوية أقل بكثير من وعد هذه المواد ، مما يدل فقط على تحسن في الإنتاجية مرتين إلى ثلاث مرات". "يظهر عملنا تحسنًا مفاجئًا من 20 إلى 1000 مرة في الإنتاجية على الأغشية التجارية. في الوقت نفسه ، يمكننا تحقيق فصل مماثل أو أفضل للجزيئات الصغيرة ، مثل السكريات والأحماض الأمينية ، من جزيئات أكبر ، مثل المضادات الحيوية والبروتينات والفيروسات "

أصبحت هذه الإنتاجية العالية ممكنة من خلال الكثافة العالية جدًا من بروتينات المسام. يمكن أن يتناسب ما يقرب من 45 تريليون بروتينات على الغشاء ، إذا كان حجم الربع الأمريكي ؛ كانت الأغشية التي تم إنشاؤها أكبر من 10 إلى 20 مرة في المنطقة. هذه كثافة المسام أعلى من 10 إلى 100 مرة من أغشية الترشيح التقليدية مع مسام متشابهة بحجم النانو. بالإضافة إلى ذلك ، فإن جميع المسام في هذه الأغشية هي بنفس الحجم والشكل ، مما يسمح لها بالاحتفاظ بجزيئات أفضل من الأحجام المطلوبة.

وقال كومار: "هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها ترجمة وعد الأغشية المحاكاة الحيوية التي تنطوي على بروتينات الغشاء من النطاق الجزيئي إلى الأداء العالي على مقياس الغشاء". "لفترة طويلة ، كان المهندسون والعلماء يحاولون إيجاد حلول للمشاكل فقط لاكتشاف الطبيعة قد فعلت ذلك بالفعل وفعلت ذلك بشكل أفضل. الخطوات التالية هي معرفة ما إذا كان بإمكاننا تصنيع أغشية أكبر واختبار ما إذا كان يمكن أن يكونوا تم تعبئتها في ورقة مسطحة ووحدات من النوع الحلزوني مثل تلك الشائعة في الصناعة. "