La separazione delle molecole è una parte importante di molti processi di produzione e test, compresa la produzione farmaceutica e alcuni test biomedici. Un modo per effettuare tale separazione consiste nell'utilizzare nanofiltri, materiali con fori di un diametro minuscolo controllato con precisione, per consentire il passaggio di molecole fino a quella dimensione bloccando quelle più grandi. Ma un nuovo sistema ideato dai ricercatori del MIT potrebbe aggiungere un'importante nuova capacità:un modo per filtrare selettivamente molecole della stessa dimensione che hanno proprietà chimiche diverse.

Karen Gleason, un professore di ingegneria chimica del MIT e decano associato di ingegneria per la ricerca, e la borsista post-dottorato Ayse Asatekin hanno descritto il processo in un articolo pubblicato questo mese sulla rivista Nano lettere .

Questo è "un modo fondamentalmente diverso" di separare le molecole, dice Gleason. “Le persone di solito pensano alle dimensioni come il fattore determinante, ” ma rendendo i pori del filtro abbastanza piccoli da consentire una significativa interazione chimica tra le pareti dei pori e le molecole che li attraversano, diventa possibile discriminare secondo altre caratteristiche, lei spiega. In questo caso, la selezione si è basata sull'affinità delle molecole per l'acqua. Poiché le pareti dei pori erano idrofobe (idrorepellenti), altre molecole idrofobiche erano più facilmente attratte dai pori e spinte attraverso di essi rispetto ad altre, meno molecole idrofobiche.

Negli organismi viventi, le pareti cellulari eseguono abitualmente questo tipo di separazione chimica, lasciando che certi tipi specifici di molecole, per esempio, nutrienti, enzimi o molecole di segnalazione - passano liberamente attraverso i pori di una membrana cellulare, mentre blocca tutti gli altri. Ma questa è la prima volta, Asatekin dice, che tale separazione chimica è stata dimostrata in una membrana sintetica.

Molte molecole biologiche di dimensioni simili ma con funzioni o proprietà molto diverse, quindi la capacità di separarli in modo efficiente potrebbe essere importante. In questa dimostrazione iniziale di proof-of-concept, le molecole selezionate erano due coloranti, scelti per le loro dimensioni simili e la facilità di rilevamento. Utilizzando una membrana in policarbonato (un tipo di plastica) trattata con uno strato depositato a vapore di un altro polimero, i ricercatori sono stati in grado di separare i due coloranti in modo molto efficace, con più di 200 volte più di un tipo che passa attraverso l'altro. Il processo di rivestimento che hanno usato non solo aggiunge la capacità di discriminare tra le molecole in base alle loro diverse affinità per l'acqua, ma rivestendo l'interno dei pori a forma di tubo nel materiale fornisce anche un modo per creare pori estremamente piccoli di dimensioni uniformi, molto più piccoli di quelli che possono essere prodotti con i metodi convenzionali.

Joerg Lahann, un professore associato di ingegneria chimica presso l'Università del Michigan che non era coinvolto in questo lavoro, afferma che la capacità del team di produrre piccoli, pori uniformi inferiori a 10 nanometri (miliardesimi di metro) di diametro è di per sé un risultato significativo che risolve un problema importante nella tecnologia di nanoseparazione esistente.

Per testare il funzionamento del sistema, il team ha provato a creare due diversi tipi di pori:alcuni erano tubi di dimensioni uniformi, altri che avevano una stretta strozzatura in un punto e poi si allargavano. I cilindri uniformi erano molto più efficaci, dimostrando che il fattore chiave è l'interazione delle molecole con la parete del poro per tutta la sua lunghezza, che in questo caso era circa 4, 000 volte la larghezza.

Nella produzione farmaceutica, molti processi implicano reazioni chimiche in cui sia i reagenti che la sostanza chimica prodotta sono molto simili per dimensioni molecolari, quindi essere in grado di separare i due in modo efficiente potrebbe essere un progresso significativo nel consentire l'elaborazione di grandi volumi invece della produzione di piccoli lotti come avviene attualmente, dice Asatekin.

Oltre alle possibili applicazioni nella produzione di farmaci, tali membrane potrebbero essere importanti per la rilevazione di molecole biologicamente significative. Per esempio, l'esercito americano, che ha finanziato questa ricerca attraverso l'Institute for Soldier Nanotechnology, è interessato al loro possibile utilizzo in rivelatori che potrebbero identificare un marcatore chimico che il corpo produce quando viene attivata una risposta infiammatoria, che potrebbe essere un modo per rivelare rapidamente che il corpo è stato esposto a una tossina anche senza sapere quale fosse la tossina.

Come passo successivo, Asatekin e Gleason intendono provare la tecnica per separare le biomolecole che sono di reale rilevanza per i processi biologici, per dimostrare che funziona per materiali che sarebbero di interesse per applicazioni reali.

Professor Mathias Ulbricht, cattedra di chimica tecnica presso l'Università di Duisburg-Essen in Germania, definisce questa una "potente dimostrazione sperimentale" di una nuova tecnica che, secondo lui, è molto promettente per le applicazioni pratiche.

“This study opens a new avenue for truly ‘tailored’ nanoporous membranes with different selectivities than those of traditional membranes, ” he says. “More experimental work toward preparation of membranes with varied structure and other separation experiments are to be done. Però, I am optimistic that the promising prospects can be demonstrated practically in such follow-up studies.”