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Un filtro al silicio ultraveloce
Una membrana di silicio poroso dello spessore di pochi nanometri può filtrare rapidamente liquidi e separare molecole di dimensioni molto vicine, secondo i ricercatori dell'Università di Rochester nel rapporto di questa settimana. Natura . La nuova membrana potrebbe portare a un'efficace purificazione delle proteine da utilizzare nella ricerca e nella scoperta di farmaci. Potrebbe anche agire circa 10 volte più velocemente delle attuali membrane utilizzate per la dialisi del sangue, la purificazione artificiale del sangue. Inoltre, la membrana potrebbe essere utilizzata come filtro per separare le molecole nei dispositivi di microfluidica utilizzati per studiare il DNA e le proteine e come substrato per la crescita di cellule staminali neurologiche.
Un wafer di silicio con 160 membrane di silicio nanoporoso. Ogni membrana quadrata di 15 nanometri di spessore di 200 x 200 micrometri è al centro dei 160 quadrati modellati nel wafer.
Le membrane a base di polimeri attualmente utilizzate per filtrare le proteine sono tipicamente spesse molti micrometri e hanno una struttura a pori elaborata molto simile a una spugna. [La filtrazione] richiede più tempo perché c'è una distanza molto più lunga da percorrere e i pori sono contorti, dice Philippe Fauchet , il professore di ingegneria elettrica e informatica presso l'Università di Rochester che ha guidato la ricerca. E una buona parte di ciò che deve passare rimane bloccato per sempre nella membrana. I ricercatori finiscono per perdere le molecole proteiche più piccole che sono alloggiate all'interno, afferma James McGrath , professore di ingegneria biomedica a Rochester e coautore del libro Natura carta.
La nuova membrana ha uno spessore di 15 nanometri, quindi filtra più velocemente senza intrappolare le molecole che la attraversano, il che è importante se i ricercatori vogliono trattenere sia le proteine più grandi che quelle più piccole. Una volta che una molecola arriva alla membrana, fa un passo ed è sul retro, dice McGrath.
Per realizzare le membrane, i ricercatori utilizzano strumenti utilizzati per creare chip di circuiti integrati. Ciò dovrebbe rendere i filtri facili da integrare nei dispositivi microfluidici a base di silicio utilizzati per la ricerca sulle proteine, dove sarebbero utili se gli scienziati volessero separare una particolare proteina di interesse da un campione di fluido biologico. I ricercatori hanno realizzato le membrane depositando prima una pila di tre strati sottili, uno strato di silicio amorfo inserito tra due strati di biossido di silicio, su un wafer di silicio. L'esposizione del wafer a temperature superiori a 700 ºC cristallizza il silicio amorfo e forma i pori. Quindi i ricercatori hanno inciso il wafer e gli strati di biossido di silicio per esporre piccoli quadrati della membrana nanoporosa di 200 micrometri su ciascun lato. La temperatura controlla il diametro dei pori, consentendo ai ricercatori di mettere a punto le membrane: a 715 ºC la membrana ha una dimensione media dei pori di 7 nanometri, mentre a 729 ºC la media è di circa 14 nanometri.
McGrath afferma che la membrana costituirebbe un buon substrato per la coltura di cellule staminali neurologiche. Alcune cellule helper nutrono le cellule staminali e le convincono a trasformarsi in neuroni. Per ottenere una coltura pura dei neuroni, i ricercatori stanno cercando modi per separare fisicamente le cellule ausiliarie dalle cellule staminali consentendo loro di scambiare sostanze chimiche. [Con la nuova membrana] la distanza da cui saranno separati sarà più o meno la stessa dimensione della loro membrana plasmatica, dice McGrath. I pori consentiranno a una molecola di segnalazione di diffondersi molto rapidamente.
I ricercatori ritengono che, a causa di una gamma più ristretta di diametri dei pori, le membrane di silicio potrebbero separare proteine di dimensioni molto più vicine di quanto sia possibile con gli attuali filtri a forma di spugna. Esistono migliaia di proteine diverse che svolgono funzioni cruciali nel corpo umano e separare una singola proteina è la chiave per comprenderne la struttura e la funzione. Fauchet afferma che progettando una gamma più ristretta di diametri dei pori, i ricercatori potrebbero ottenere una separazione del 100% delle proteine, anche quelle di dimensioni simili.
Nei test di laboratorio, le molecole di colorante larghe un nanometro in una soluzione passano attraverso la membrana nanoporosa 10 volte più velocemente rispetto a una membrana per dialisi del sangue commerciale. I ricercatori hanno in programma di rendere la membrana più forte, in grado di sostenere pressioni di 15 libbre per pollice quadrato, in modo che possano spingere più molecole attraverso, migliorando potenzialmente la velocità di dialisi di un fattore 100 rispetto alle membrane commerciali.
Alcuni esperti, tuttavia, ritengono che sia troppo presto per dire se la membrana sarà utile per applicazioni su larga scala come la purificazione delle proteine e la dialisi del sangue. Lo svantaggio della membrana ultrasottile è che è difficile realizzare membrane di grandi dimensioni utilizzando la tecnica, afferma Andrew Zydney , professore di ingegneria chimica alla Penn State University. Gli attuali sistemi di purificazione delle proteine nel settore delle biotecnologie utilizzano efficacemente 100 metri quadrati di membrana, afferma. Anche se la nuova membrana filtra 10 volte più velocemente, il che significa che può filtrare la stessa quantità di fluido con un'area 10 volte più piccola, stai ancora parlando di 10 metri quadrati di membrane di silicio, dice Zydney. Non sono convinto che ciò possa essere fatto in modo economico.