211service.com
Een ultrasnel siliciumfilter
Een poreus siliciummembraan van enkele nanometers dik kan vloeistoffen snel filteren en moleculen scheiden die zeer dicht in grootte zijn, rapporteren onderzoekers van de Universiteit van Rochester in de publicatie van deze week. Natuur . Het nieuwe membraan zou kunnen leiden tot efficiënte eiwitzuivering voor gebruik bij onderzoek en medicijnontdekking. Het zou ook ongeveer 10 keer sneller kunnen werken dan de huidige membranen die worden gebruikt voor bloeddialyse, de kunstmatige zuivering van bloed. Bovendien zou het membraan kunnen worden gebruikt als een filter om moleculen te scheiden in microfluïdische apparaten die worden gebruikt om DNA en eiwitten te bestuderen en als substraat voor het kweken van neurologische stamcellen.
Een siliciumwafel met 160 nanoporeuze siliciummembranen. Elk membraan van 15 nanometer dik, 200 bij 200 micrometer vierkant, bevindt zich in het midden van de 160 vierkanten die in de wafer zijn gevormd.
De op polymeren gebaseerde membranen die momenteel worden gebruikt voor het filteren van eiwitten zijn typisch vele micrometers dik en hebben een uitgebreide poriestructuur die veel weg heeft van een spons. [Filtratie] duurt langer omdat de afstand veel groter is en de poriën ingewikkeld zijn, zegt Philippe Fauchet , de hoogleraar elektrotechniek en computertechniek aan de Universiteit van Rochester die het onderzoek leidde. En een behoorlijk deel van wat er doorheen moet, blijft voor altijd in het membraan steken. Onderzoekers verliezen uiteindelijk de kleinere eiwitmoleculen die erin zitten, zegt James McGrath , een professor in biomedische technologie in Rochester en co-auteur van de Natuur papier.
Het nieuwe membraan is 15 nanometer dik, dus het filtert sneller zonder de moleculen die er doorheen gaan op te sluiten, wat belangrijk is als onderzoekers zowel de grotere als de kleinere eiwitten willen behouden. Zodra een molecuul het membraan bereikt, duurt het één stap, en het is aan de achterkant, zegt McGrath.
Om de membranen te maken, gebruiken de onderzoekers tools die worden gebruikt om geïntegreerde circuitchips te maken. Dit zou de filters gemakkelijk moeten integreren in op silicium gebaseerde microfluïdische apparaten die worden gebruikt voor eiwitonderzoek, waar ze nuttig zouden zijn als wetenschappers een bepaald eiwit van belang willen scheiden van een biologisch vloeistofmonster. De onderzoekers maakten de membranen door eerst een stapel van drie dunne lagen - een amorfe siliciumlaag ingeklemd tussen twee siliciumdioxidelagen - op een siliciumwafel te deponeren. Door de wafer bloot te stellen aan temperaturen hoger dan 700 ºC kristalliseert het amorfe silicium uit en vormt het poriën. Vervolgens etsen de onderzoekers de wafel- en siliciumdioxidelagen om kleine vierkanten van het nanoporeuze membraan bloot te leggen van 200 micrometer aan elke kant. De temperatuur regelt de poriediameter, waardoor de onderzoekers de membranen kunnen finetunen: bij 715 ºC heeft het membraan een gemiddelde poriegrootte van 7 nanometer, terwijl dat bij 729 ºC gemiddeld zo'n 14 nanometer is.
McGrath zegt dat het membraan een goed substraat zou zijn voor het kweken van neurologische stamcellen. Bepaalde helpercellen voeden stamcellen en zorgen ervoor dat ze neuronen worden. Om een zuivere kweek van de neuronen te krijgen, zoeken onderzoekers naar manieren om de helpercellen fysiek van de stamcellen te scheiden, terwijl ze chemicaliën kunnen uitwisselen. [Met het nieuwe membraan] zal de afstand waarmee ze worden gescheiden ongeveer even groot zijn als hun eigen plasmamembraan, zegt McGrath. Door de poriën kan een signaalmolecuul zeer snel diffunderen.
De onderzoekers zijn van mening dat de siliciummembranen vanwege een kleiner bereik van poriediameters eiwitten kunnen scheiden die veel kleiner zijn dan mogelijk is met de huidige sponsachtige filters. Er zijn duizenden verschillende eiwitten die cruciale functies in het menselijk lichaam vervullen, en het scheiden van een individueel eiwit is de sleutel tot het begrijpen van de structuur en functie ervan. Fauchet zegt dat door een kleiner bereik van poriediameters te ontwerpen, de onderzoekers 100 procent scheiding van eiwitten zouden kunnen krijgen, zelfs die van dichtbij in grootte.
In laboratoriumtests gaan kleurstofmoleculen van één nanometer in een oplossing 10 keer sneller door het nanoporeuze membraan dan door een commercieel bloeddialysemembraan. De onderzoekers zijn van plan het membraan sterker te maken - het kan een druk van 15 pond per vierkante inch aan - zodat ze meer moleculen kunnen doordrukken, waardoor de dialysesnelheid mogelijk met een factor 100 wordt verbeterd ten opzichte van commerciële membranen.
Sommige experts vinden het echter nog te vroeg om te zeggen of het membraan bruikbaar is voor grootschalige toepassingen zoals eiwitzuivering en bloeddialyse. Het nadeel van het ultradunne membraan is dat het moeilijk is om met deze techniek membranen met een groot oppervlak te maken, zegt Andrew Zydney , een professor in scheikunde aan de Penn State University. De huidige eiwitzuiveringssystemen in de biotechnologische industrie gebruiken effectief 100 vierkante meter membraan, zegt hij. Zelfs als het nieuwe membraan 10 keer sneller filtert, wat betekent dat het dezelfde hoeveelheid vloeistof kan filteren met een 10 keer kleiner gebied, heb je het nog steeds over 10 vierkante meter siliciummembranen, zegt Zydney. Ik ben er niet van overtuigd dat dat op een kosteneffectieve manier kan.