Самозапечатывающиеся атомарно тонкие мембраны для диализа: белки превращают утечку в преимущество фильтрации

Исследовательская группа под руководством Университета Вандербильта совершила прорыв в создании усовершенствованных диализных мембран на основе атомарно тонких материалов, таких как графен. Эти инновационные мембраны, называемые нанопористыми атомарно тонкими мембранами (NATMs), используют белок-опосредованный механизм запечатывания для решения ключевой проблемы диализных технологий — поддержания высокой эффективности фильтрации малых молекул при минимальной потере белков.

Работа опубликована в журнале Nano Letters.

Диализные мембраны должны балансировать две функции: пропускать малые молекулы для удаления и предотвращать утечку жизненно важных белков. Подход команды использует уникальные свойства графена — его экстремальную тонкость и настраиваемые нанопоры — для обеспечения точной и быстрой фильтрации. Однако даже одна крупная пора может вызвать чрезмерную утечку, снижая производительность мембраны.

Для решения этой проблемы исследователи разработали новый метод, превращающий утечку белков в преимущество. Когда белки проходят через более крупные поры, они вступают в реакцию с молекулами на другой стороне графеновой мембраны. Эта реакция запускает процесс запечатывания, избирательно закрывая более крупные поры, но сохраняя меньшие.

Эта способность к самозапечатыванию обеспечивает точную селективную фильтрацию по размеру и повышает общую эффективность мембраны.

«Возможность запечатывать неоднородные по размеру поры и избирательно фильтровать молекулы по размеру представляет собой новую парадигму для диализных мембран», — сказал Пейфу Ченг, научный сотрудник кафедры химической и биомолекулярной инженерии и первый автор исследования.

«Белки и биомолекулы обладают естественной гибкостью, позволяющей им слегка деформироваться при прохождении через нанопоры, — пояснил Ченг. — Наш подход основан на этом свойстве и значительно продвигается дальше современных диализных технологий и коммерчески доступных мембран».

Доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии Пиран Кидамби, руководивший проектом, подчеркнул новаторский характер работы. «Наше исследование представляет белки как наноразмерные инструменты для инженерии размера пор в атомарно тонких мембранах, преодолевая критические проблемы современных диализных систем.

Насколько нам известно, это первая демонстрация такого метода, и он открывает двери для использования широкого спектра биомолекул — включая ДНК и РНК — для точного изготовления мембран».

Команда продемонстрировала этот метод белок-опосредованного селективного запечатывания дефектов по размеру (PDS) на графеновых мембранах сантиметрового масштаба. Эти NATMs с запечатанными дефектами оставались стабильными до 35 дней и постоянно превосходили лучшие коммерческие диализные мембраны.