Naukowcy produkują błonę do dializy z grafenu

Błona do dializy z grafenu

Dializa, generalnie rzecz biorąc, jest procesem w którym cząsteczki dyfundują z jednego roztworu do drugiego o mniejszym stężeniu. Poza dializą krwi, metoda ta używana jest także do oczyszczania leków, usuwania odpadów z roztworów chemicznych, a także izolowania cząsteczek dla badań medycznych, zazwyczaj poprzez umożliwienie molekułom przejścia przez porowatą zaporę.

Współczesne błony do dializ są tak zbudowane, że cząsteczki przenikają przez nie bardzo wolno. Są dość grube, a znajdujące się w nich pory nie przebijają ich wprost, lecz tworzą wewnątrz kręte ścieżki.

Obecnie inżynierowie z MIT stworzyli błonę z grafenu – pojedynczej warstwy atomów węgla, połączonych w heksagonalną sieć. Błona ta ma grubość 1 nm, podczas gdy inne stosowane obecnie błony mają grubość 20 nm, a ponadto jest w stanie filtrować molekuły 10 razy od nich szybciej.

Podczas gdy grafen był do tej pory szeroko stosowany głównie w przemyśle elektronicznym, Piran Kadambi z MIT podkreśla, że może on przyczynić się także znacznie do usprawnienia procesów rozdzielania w laboratoriach, a potencjalnie także hemodializy.

Kidambi mówi: „Ponieważ grafen jest tak cienki, dyfuzja będzie ekstremalnie szybka. Cząsteczki nie muszą przebywać długiej drogi przez kręte pory zanim osiągną wyjście."

Kidambi jest głównym autorem badań dotyczących tego projektu, które zostały opublikowane niedawno w Advanced Materials. Sześciu pozostałych autorów pochodzi z MIT.

W celu wytworzenia nowej błony naukowcy użyli techniki chemicznego osadzania oparów. Najpierw „hodowali" oni grafen na folii miedzianej, następnie usunęli miedź i przenieśli go na poliwęglan, poprzebijany porami na tyle dużymi, żeby wszystko, co przejdzie przez grafen przeszło też przez ten materiał. Poliwęglan odegrał rolę rusztowania, zapobiegając zwinięciu się grafenu.

Naukowcy chcieli, aby przez nową wytworzoną błonę mogły się przedostać tylko molekuły określonej wielkości. Aby to osiągnąć, wystawili grafen na działanie plazmy tlenowej, która wtłoczona do komory jest w stanie wytworzyć pory w materiale.

„Dzięki tej metodzie możemy kontrolować rozmiar i gęstość tworzących się otworów. Polega ona na tym, że rodnik tlenowy reaguje bardzo szybko z atomem węgla z grafenu i oba „wylatują" jako dwutlenek węgla" - wyjaśnia Kidambi.

Efektem jest niewielka dziura w grafenie, w której jeszcze niedawno był atom węgla. Kidami i jego współpracownicy odkryli, że im dłużej materiał ten wystawiony jest na działanie tlenu, tym większe i bardziej gęste pory powstaną. Względnie krótka ekspozycja, od 45 do 60 sekund wytwarza bardzo małe pory.

Naukowcy przetestowali wiele błon z grafenu o porach różnej wielkości, umieszczając je w środku komory dyfuzyjnej. Następnie wypełnili jedną ze stron mieszaniną zawierającą cząsteczki różnej wielkości, od chlorku potasu (0,66 nm), witaminy B12 (ok. 1,5 nm) do lizozymu (4 nm). Druga strona komory wypełniona była rozcieńczonym roztworem. Następnie naukowcy mierzyli przepływ cząsteczek z jednej strony na drugą. Błony z niewielkimi porami przepuściły chlorek potasu, ale już nie większe cząsteczki, jak np. tryptofan.

Zespół wykonał podobne eksperymenty na komercyjnych błonach do dializ i stwierdził, że w porównaniu z nimi grafen wykazał większą przepuszczalność, filtrując cząsteczki ok. 10 razy szybciej.

„Tylko 10 % błony jest dostępne, ale nawet z takim odsetkiem jesteśmy w stanie osiągnąć lepszy efekt niż z innymi wymyślnymi błonami do dializ."

Aby jeszcze bardziej ulepszyć swój wynalazek, zespół planuje użyć poliwęglanu z większą ilością porów, aby zwiększyć całościową przepuszczalność. Ponadto, chcą także powiększyć rozmiar błony, który teraz wynosi 1 cm2. Dalsze dopracowywanie stosowania tlenu także poprawi wydajność błony z grafenu – coś, co jak wskazuje Kidambi będzie miało skrajnie różne konsekwencje dla zastosowania tego materiału w elektronice.

„Coś, co nie jest wartościowe dla branży elektronicznej ma wielkie znaczenie dla dializy" - mówi Kidambi. „W elektronice chodzi o zminimalizowanie defektów. Tutaj chcesz zrobić defekty odpowiedniej wielkości."

(KB)