La separación de moléculas es una parte importante de muchos procesos de fabricación y prueba, incluida la producción farmacéutica y algunas pruebas biomédicas. Una forma de llevar a cabo dicha separación es mediante el uso de nanofiltros:materiales con orificios de un diámetro diminuto controlado con precisión, para permitir que las moléculas de ese tamaño pasen mientras bloquean las más grandes. Pero un nuevo sistema ideado por investigadores del MIT podría agregar una nueva capacidad importante:una forma de filtrar selectivamente moléculas del mismo tamaño que tienen diferentes propiedades químicas.

Karen Gleason, un profesor de ingeniería química del MIT y decano asociado de ingeniería para la investigación, y el becario postdoctoral Ayse Asatekin describieron el proceso en un artículo publicado este mes en la revista Nano letras .

Esta es "una forma fundamentalmente diferente" de separar moléculas, Dice Gleason. "La gente suele pensar que el tamaño es el factor definitorio, ”Pero haciendo que los poros del filtro sean lo suficientemente pequeños como para que exista una interacción química significativa entre las paredes de los poros y las moléculas que los atraviesan, se hace posible discriminar según otras características, ella explica. En este caso, la selección se basó en la afinidad de las moléculas por el agua. Debido a que las paredes de los poros eran hidrofóbicas (repelentes al agua), otras moléculas hidrófobas se atraían más fácilmente a los poros y se impulsaban a través de ellos que otras, moléculas menos hidrofóbicas.

En organismos vivos, las paredes celulares realizan de forma rutinaria este tipo de separación química, permitir ciertos tipos específicos de moléculas, por ejemplo, nutrientes, enzimas o moléculas de señalización:pasan libremente a través de los poros de la membrana celular, mientras bloquea a todos los demás. Pero esta es la primera vez Asatekin dice:que tal separación química se ha demostrado en una membrana sintética.

Muchas moléculas biológicas que son de tamaño similar pero tienen funciones o propiedades muy diferentes, por lo que la capacidad de separarlos de manera eficiente podría ser importante. En esta demostración inicial de prueba de concepto, las moléculas seleccionadas fueron dos tintes, elegidos por su tamaño similar y facilidad de detección. Usando una membrana de policarbonato (un tipo de plástico) tratada con una capa depositada al vapor de otro polímero, los investigadores pudieron separar los dos tintes de manera muy efectiva, pasando más de 200 veces más de un tipo que del otro. El proceso de recubrimiento que usaron no solo agrega la capacidad de discriminar entre moléculas en función de sus diferentes afinidades por el agua, pero al recubrir el interior de poros en forma de tubo en el material, también proporciona una forma de crear poros extremadamente pequeños de tamaño uniforme, mucho más pequeños que los que se pueden producir con métodos convencionales.

Joerg Lahann, un profesor asociado de ingeniería química en la Universidad de Michigan que no participó en este trabajo, dice que la capacidad del equipo para producir pequeños, Los poros uniformes de menos de 10 nanómetros (mil millonésimas de metro) de ancho son en sí mismos un logro significativo que resuelve un problema importante en la tecnología de nanoseparación existente.

Para probar cómo funciona el sistema, el equipo intentó hacer dos tipos diferentes de poros, algunos de los cuales eran tubos de tamaño uniforme, otros que tenían un cuello de botella estrecho en un punto y luego se ensancharon. Los cilindros uniformes fueron mucho más efectivos, demostrando que el factor clave es la interacción de las moléculas con la pared del poro en toda su longitud, que en este caso fue alrededor de 4, 000 veces el ancho.

En la fabricación de productos farmacéuticos, Muchos procesos implican reacciones químicas en las que tanto los reactivos como la sustancia química que se producen son muy similares en tamaño molecular. por lo que poder separar los dos de manera eficiente podría ser un avance significativo al permitir el procesamiento de gran rendimiento en lugar de la producción de lotes pequeños como se hace actualmente, Dice Asatekin.

Además de las posibles aplicaciones en la fabricación de medicamentos, tales membranas podrían ser importantes para la detección de moléculas biológicamente significativas. Por ejemplo, el ejército de los Estados Unidos, que financió esta investigación a través del Instituto de Nanotecnología de Soldados, está interesado en su posible uso en detectores que podrían identificar un marcador químico que el cuerpo produce cuando se desencadena una respuesta inflamatoria, lo que podría ser una forma de revelar rápidamente que el cuerpo había estado expuesto a una toxina incluso sin saber cuál era la toxina.

Como siguiente paso, Asatekin y Gleason planean probar la técnica para separar biomoléculas que son de importancia real para los procesos biológicos. para demostrar que funciona con materiales que serían de interés para aplicaciones reales.

Profesor Mathias Ulbricht, catedrático de química técnica en la Universidad de Duisburg-Essen en Alemania, llama a esto una "poderosa demostración experimental" de una nueva técnica que, según él, es muy prometedora para aplicaciones prácticas.

“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. Sin embargo, I am optimistic that the promising prospects can be demonstrated practically in such follow-up studies.”