Dialisi, nel senso più generale, è il processo mediante il quale le molecole filtrano da una soluzione, diffondendosi attraverso una membrana, in una soluzione più diluita. Al di fuori dell'emodialisi, che rimuove i rifiuti dal sangue, gli scienziati usano la dialisi per purificare i farmaci, rimuovere i residui dalle soluzioni chimiche, e isolare le molecole per la diagnosi medica, tipicamente consentendo ai materiali di passare attraverso una membrana porosa.

Le odierne membrane commerciali per dialisi separano le molecole lentamente, in parte a causa della loro composizione:sono relativamente spessi, e i pori che attraversano membrane così dense lo fanno in percorsi tortuosi, rendendo difficile il passaggio rapido delle molecole bersaglio.

Ora gli ingegneri del MIT hanno fabbricato una membrana funzionale per dialisi da un foglio di grafene, un singolo strato di atomi di carbonio, collegati da un capo all'altro in configurazione esagonale come quella del filo di pollo. La membrana di grafene, grande quanto un'unghia, ha uno spessore inferiore a 1 nanometro. (Le membrane esistenti più sottili hanno uno spessore di circa 20 nanometri.) La membrana del team è in grado di filtrare molecole di dimensioni nanometriche da soluzioni acquose fino a 10 volte più velocemente delle membrane all'avanguardia, con il grafene stesso che è fino a 100 volte più veloce.

Mentre il grafene è stato ampiamente esplorato per applicazioni in elettronica, Pirano Kidambi, un postdoc nel Dipartimento di Ingegneria Meccanica del MIT, afferma che i risultati del team dimostrano che il grafene può migliorare la tecnologia delle membrane, in particolare per i processi di separazione su scala di laboratorio e potenzialmente per l'emodialisi.

"Perché il grafene è così sottile, la diffusione su di esso sarà estremamente veloce, " dice Kidambi. "Una molecola non deve fare questo noioso lavoro di passare attraverso tutti questi pori tortuosi in una membrana spessa prima di uscire dall'altra parte. Spostare il grafene in questo regime di separazione biologica è molto eccitante".

Kidambi è uno degli autori principali di uno studio che riporta la tecnologia, pubblicato oggi in Materiale avanzato . Sei coautori provengono dal MIT, compreso Rohit Karnik, professore associato di ingegneria meccanica, e Jing Kong, professore associato di ingegneria elettrica.

Collegamento del grafene

Per realizzare la membrana di grafene, i ricercatori hanno prima utilizzato una tecnica comune chiamata deposizione chimica da vapore per far crescere il grafene su un foglio di rame. Quindi asportarono con cura il rame e trasferirono il grafene su una lastra di supporto di policarbonato, costellato di pori abbastanza grandi da lasciar passare tutte le molecole che sono passate attraverso il grafene. Il policarbonato funge da impalcatura, impedendo al grafene ultrasottile di arricciarsi su se stesso.

I ricercatori hanno cercato di trasformare il grafene in un setaccio molecolare selettivo, lasciando passare solo molecole di una certa dimensione. Fare così, hanno creato minuscoli pori nel materiale esponendo la struttura al plasma di ossigeno, un processo mediante il quale l'ossigeno, pompato in una camera al plasma, può incidere i materiali.

"Regolando le condizioni del plasma di ossigeno, possiamo controllare la densità e la dimensione dei pori che creiamo, nelle aree in cui il grafene è incontaminato, " dice Kidambi. "Quello che succede è, un radicale di ossigeno arriva a un atomo di carbonio [nel grafene] e reagisce rapidamente, ed entrambi volano via come anidride carbonica."

Quello che resta è un minuscolo foro nel grafene, dove un tempo sedeva un atomo di carbonio. Kidambi e i suoi colleghi hanno scoperto che il grafene più lungo è esposto al plasma di ossigeno, più grandi e densi saranno i pori. Tempi di esposizione relativamente brevi, di circa 45-60 secondi, genera pori molto piccoli.

Difetti desiderabili

I ricercatori hanno testato più membrane di grafene con pori di varie dimensioni e distribuzioni, posizionando ciascuna membrana nel mezzo di una camera di diffusione. Hanno riempito il lato di alimentazione della camera con una soluzione contenente varie miscele di molecole di diverse dimensioni, che vanno dal cloruro di potassio (0,66 nanometri di larghezza) alla vitamina B12 (da 1 a 1,5 nanometri) e al lisozima (4 nanometri), una proteina presente nell'albume. L'altro lato della camera è stato riempito con una soluzione diluita.

Il team ha quindi misurato il flusso di molecole mentre si diffondevano attraverso ciascuna membrana di grafene.

Membrane con pori molto piccoli lasciano passare il cloruro di potassio ma non molecole più grandi come L-triptofano, che misura solo 0,2 nanometri in più. Membrane con pori più grandi lasciano passare molecole corrispondentemente più grandi.

Il team ha condotto esperimenti simili con membrane per dialisi commerciali e ha scoperto che, in confronto, le membrane di grafene eseguite con maggiore "permeanza, " filtrando le molecole desiderate fino a 10 volte più velocemente.

Kidambi sottolinea che il supporto in policarbonato è inciso con pori che occupano solo il 10 percento della sua superficie, che limita la quantità di molecole desiderate che alla fine passano attraverso entrambi gli strati.

"Solo il 10 percento dell'area della membrana è accessibile, ma anche con quel 10%, siamo in grado di fare meglio dello stato dell'arte, "dice Kidambi.

Per migliorare ulteriormente la membrana in grafene, il team prevede di migliorare il supporto in policarbonato incidendo più pori nel materiale per aumentare la permeabilità complessiva della membrana. Stanno anche lavorando per aumentare ulteriormente le dimensioni della membrana, che attualmente misura 1 centimetro quadrato. Un'ulteriore messa a punto del processo del plasma di ossigeno per creare pori su misura migliorerà anche le prestazioni di una membrana, cosa che secondo Kidambi avrebbe conseguenze molto diverse per il grafene nelle applicazioni elettroniche.

"Ciò che è eccitante è, ciò che non va bene per il campo dell'elettronica è in realtà perfetto in questo campo [dialisi a membrana], " dice Kidambi. "In elettronica, vuoi minimizzare i difetti. Qui vuoi fare difetti della giusta dimensione. Ciò dimostra che l'uso finale della tecnologia determina ciò che si desidera nella tecnologia. Questa è la chiave".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.