Jarad Mason e il suo team hanno creato acqua permanentemente "porosa", consentendo ai gas di essere immagazzinati ad alte concentrazioni all'interno del liquido. Credito:Kris Snibbe/Fotografo personale di Harvard
E se il personale medico di emergenza potesse curare un paziente disperatamente malato che ha bisogno di ossigeno con una semplice iniezione invece di dover fare affidamento sulla ventilazione meccanica o affrettarsi a portarlo su una macchina per bypass cuore-polmone?
Un nuovo approccio al trasporto di gas utilizzando una classe di materiali chiamati liquidi porosi rappresenta un grande passo avanti verso i vettori artificiali di ossigeno e dimostra l'immenso potenziale biomedico di questi fluidi insoliti.
In uno studio pubblicato il mese scorso su Natura , un team di scienziati del Dipartimento di Chimica e Biologia Chimica di Harvard descrive in dettaglio un nuovo approccio al trasporto di gas in ambienti acquosi utilizzando liquidi porosi. Gli autori hanno identificato e adattato strutture multiple porose in grado di immagazzinare concentrazioni molto più elevate di gas, incluso l'ossigeno (O2 ) e anidride carbonica (CO2 ), rispetto alle normali soluzioni acquose. Questa svolta potrebbe essere la chiave per creare fonti iniettabili di ossigeno come terapia ponte per l'arresto cardiaco, creare sostituti del sangue artificiale e superare le sfide di lunga data nella conservazione degli organi per i trapianti.
"Ci siamo resi conto che ci sarebbero stati molti vantaggi nell'utilizzare liquidi con microporosità permanente per affrontare le sfide del trasporto di gas nell'acqua e in altri ambienti acquosi", ha affermato Jarad Mason, autore senior del documento e assistente professore di chimica e biologia chimica. "Abbiamo progettato fluidi in grado di trasportare O2 a densità superiori a quella del sangue, il che apre nuove entusiasmanti opportunità per il trasporto di gas per una varietà di applicazioni biomediche ed energetiche."
I liquidi con microporosità permanente sono una nuova classe di materiali composta da microscopiche particelle porose disperse in un mezzo liquido. Immagina piccoli frammenti riciclabili simili a spugne in grado di assorbire i gas nei loro buchi e rilasciarli. Finora, tutti i liquidi porosi erano costituiti da nanocristalli microporosi o molecole organiche a gabbia disperse in solventi organici o liquidi ionici troppo grandi per diffondersi attraverso gli ingressi dei pori. I ricercatori hanno sviluppato una nuova strategia per creare liquidi acquosi porosi, chiamati "acqua microporosa", con elevate capacità di gas basate sulla termodinamica.
Il lavoro è stato condotto da membri del laboratorio di Mason, inclusi gli studenti di dottorato Daniel P. Erdosy, Malia Wenny, Joy Cho, Miranda V. Walter, il ricercatore post-dottorato Christopher DelRe e lo studente universitario Ricardo Sanchez. Sono state inoltre eseguite simulazioni computazionali ed esperimenti biologici in collaborazione con scienziati del Boston Children's Hospital e della Northwestern University, tra cui Felipe Jiminez-Angeles, Baofu Oiao e Monica Olvera de la Cruz.
L'acqua è una molecola polare, il che la rende un ottimo solvente per altre molecole polari come etanolo e zucchero, ma è molto peggio nel dissolvere molecole non polari come O2 gas. In quanto tale, l'acqua pura può trasportare 30 volte meno ossigeno dei globuli rossi. La bassissima solubilità dei gas in acqua ha imposto un limite rigido a molte tecnologie biomediche e legate all'energia che richiedono il trasporto di molecole di gas attraverso fluidi acquosi. Questo nuovo meccanismo per il trasporto del gas supera la bassa solubilità dei gas nell'acqua e consente un rapido trasporto del gas.
Ispirandosi ai pori di alcune proteine che sono accessibili alle molecole d'acqua ma che nel complesso rimangono asciutte in soluzioni acquose, il team ha proposto che i nanocristalli microporosi con superfici interne idrofobiche e superfici esterne idrofile potrebbero essere progettati per lasciare la struttura microporosa permanentemente asciutta nell'acqua e disponibile per assorbire molecole di gas.
"Abbiamo dovuto conciliare due proprietà apparentemente contraddittorie", ha detto Erdosy. "Abbiamo progettato la superficie interna in modo che fosse idrofobica e idrorepellente e la superficie esterna in modo che fosse idrofila e amante dell'acqua, perché altrimenti il fluido si separerebbe in fase come l'olio e l'acqua."
Il team ha sintetizzato i materiali nel loro laboratorio e ne ha testato la capacità di assorbire e rilasciare gas. Hanno scoperto che l'acqua microporosa può trasportare in modo reversibile densità estremamente elevate di gas attraverso ambienti a base d'acqua. Utilizzando questa strategia, il team ha sviluppato un liquido poroso che può trasportare una densità maggiore di O2 di quanto sia presente anche nel gas puro. Questi liquidi acquosi porosi mostrano una notevole stabilità a scaffale, consentendo loro di essere conservati a temperatura ambiente per mesi prima dell'uso.
"Con un po' di sviluppo in più, potresti immaginare di immagazzinare ossigeno in un liquido microporoso su un'ambulanza per averlo pronto per essere iniettato in una persona ogni volta che è necessario", ha detto Wenny.
Il laboratorio prevede di condurre più esperimenti sull'acqua microporosa per testarne le applicazioni biomediche, continuando a esplorare altri potenziali usi dei materiali.
"Vogliamo sviluppare più materiali e modelli animali per creare e testare un vettore di ossigeno in vivo", ha affermato Erdosy. "Abbiamo anche un progetto più incentrato sull'energia pianificato sull'utilizzo di acqua microporosa per affrontare le sfide del trasporto del gas nell'elettrocatalisi". + Esplora ulteriormente
Questa storia è stata pubblicata per gentile concessione della Harvard Gazette, il giornale ufficiale dell'Università di Harvard. Per ulteriori notizie sull'università, visita Harvard.edu.
