211service.com
Et ultrahurtigt siliciumfilter
En porøs siliciummembran, der er et par nanometer tyk, kan hurtigt filtrere væsker og adskille molekyler, der er meget tæt på størrelse, rapporterer forskere ved University of Rochester i denne uges Natur . Den nye membran kan føre til effektiv proteinrensning til brug i forskning og lægemiddelopdagelse. Det kunne også virke omkring 10 gange hurtigere end de nuværende membraner, der bruges til bloddialyse, den kunstige rensning af blod. Derudover kunne membranen bruges som et filter til at adskille molekyler i mikrofluidiske enheder, der bruges til at studere DNA og proteiner og som et substrat for dyrkning af neurologiske stamceller.
En siliciumwafer med 160 nanoporøse siliciummembraner. Hver 15 nanometer tyk, 200 x 200 mikrometer kvadratisk membran er i midten af de 160 firkanter, der er mønstret i waferen.
De polymerbaserede membraner, der i øjeblikket bruges til at filtrere proteiner, er typisk mange mikrometer tykke og har en kompliceret porestruktur, som ligner en svamp. [Filtrering] tager længere tid, fordi der er meget længere afstand at gå igennem, og porerne er snoede, siger Philippe Fauchet , den elektriske- og computeringeniørprofessor ved University of Rochester, der ledede forskningen. Og en rimelig brøkdel af det, der skal igennem, forbliver fast for evigt i membranen. Forskere ender med at miste de mindre proteinmolekyler, der sidder inde, siger James McGrath , en biomedicinsk-ingeniør professor ved Rochester og medforfatter af Natur papir.
Den nye membran er 15 nanometer tyk, så den filtrerer hurtigere uden at fange de molekyler, der passerer igennem den, hvilket er vigtigt, hvis forskerne vil beholde både de større og mindre proteiner. Når et molekyle kommer til membranen, tager det et skridt, og det er på bagsiden, siger McGrath.
For at lave membranerne bruger forskerne værktøjer, der bruges til at skabe integrerede kredsløbschips. Dette skulle gøre filtrene nemme at integrere i siliciumbaserede mikrofluidiske enheder, der bruges til proteinforskning, hvor de ville være nyttige, hvis videnskabsmænd ønskede at adskille et bestemt protein af interesse fra en biologisk væskeprøve. Forskerne lavede membranerne ved først at afsætte en stak af tre tynde lag - et amorft siliciumlag, der er klemt mellem to siliciumdioxidlag - på en siliciumwafer. Ved at udsætte waferen for temperaturer højere end 700 ºC krystalliserer det amorfe silicium, og det danner porer. Derefter ætser forskerne wafer- og siliciumdioxidlagene for at blotlægge små firkanter af den nanoporøse membran, der er 200 mikrometer på hver side. Temperaturen styrer porediameteren, så forskerne kan finjustere membranerne: Ved 715 ºC har membranen en gennemsnitlig porestørrelse på 7 nanometer, mens gennemsnittet ved 729 ºC er omkring 14 nanometer.
McGrath siger, at membranen ville være et godt substrat til dyrkning af neurologiske stamceller. Visse hjælperceller nærer stamceller og lokker dem til at blive til neuroner. For at få en ren kultur af neuronerne leder forskerne efter måder, hvorpå man fysisk kan adskille hjælpercellerne fra stamcellerne og samtidig give dem mulighed for at udveksle kemikalier. [Med den nye membran] vil afstanden, de bliver adskilt af, være nogenlunde den samme størrelse som deres egen plasmamembran, siger McGrath. Porerne vil tillade et signalmolekyle at diffundere meget hurtigt.
Forskerne mener, at på grund af et snævrere område af porediametre kunne siliciummembranerne adskille proteiner, der er meget tættere i størrelse, end det er muligt med nuværende svampelignende filtre. Der er tusindvis af forskellige proteiner, der tjener afgørende funktioner i den menneskelige krop, og at adskille et individuelt protein er nøglen til at forstå dets struktur og funktion. Fauchet siger, at ved at konstruere et snævrere område af porediametre kunne forskerne få 100 procent adskillelse af proteiner - selv dem, der er tæt på størrelse.
I laboratorietests passerer en nanometer brede farvestofmolekyler i en opløsning gennem den nanoporøse membran 10 gange hurtigere end gennem en kommerciel bloddialysemembran. Forskerne planlægger at gøre membranen stærkere - den kan opretholde et tryk på 15 pund per kvadrattomme - så de kan skubbe flere molekyler igennem, hvilket potentielt forbedrer dialysehastigheden med en faktor 100 i forhold til kommercielle membraner.
Nogle eksperter mener dog, at det er for tidligt at sige, om membranen vil være anvendelig til store applikationer såsom proteinoprensning og bloddialyse. Ulempen ved den ultratynde membran er, at det er svært at lave store membraner ved hjælp af teknikken, siger Andrew Zydney , en kemisk ingeniørprofessor ved Penn State University. Nuværende proteinrensningssystemer i bioteknologiindustrien bruger effektivt 100 kvadratmeter membran, siger han. Selvom den nye membran filtrerer 10 gange hurtigere, hvilket betyder, at den kan filtrere den samme mængde væske med et 10 gange mindre område, taler du stadig om 10 kvadratmeter siliciummembraner, siger Zydney. Jeg er ikke overbevist om, at det kan gøres på en omkostningseffektiv måde.