Diálisis, en el sentido más general, es el proceso por el cual las moléculas se filtran fuera de una solución, difundiéndose a través de una membrana, en una solución más diluida. Fuera de la hemodiálisis, que elimina los desechos de la sangre, los científicos usan la diálisis para purificar medicamentos, eliminar los residuos de las soluciones químicas, y aislar moléculas para diagnóstico médico, típicamente permitiendo que los materiales pasen a través de una membrana porosa.

Las membranas de diálisis comerciales de hoy en día separan las moléculas lentamente, en parte debido a su composición:son relativamente gruesos, y los poros que atraviesan membranas tan densas lo hacen en caminos sinuosos, lo que dificulta el paso rápido de las moléculas objetivo.

Ahora, los ingenieros del MIT han fabricado una membrana de diálisis funcional a partir de una hoja de grafeno, una capa única de átomos de carbono, enlazados de un extremo a otro en una configuración hexagonal como la de una malla de gallinero. La membrana de grafeno, aproximadamente del tamaño de una uña, tiene menos de 1 nanómetro de espesor. (Las membranas más delgadas que existen tienen un grosor de unos 20 nanómetros). La membrana del equipo es capaz de filtrar moléculas de tamaño nanométrico de soluciones acuosas hasta 10 veces más rápido que las membranas de última generación. con el grafeno en sí mismo siendo hasta 100 veces más rápido.

Si bien el grafeno se ha explorado en gran medida para aplicaciones en electrónica, Piran Kidambi, un postdoctorado en el Departamento de Ingeniería Mecánica del MIT, dice que los hallazgos del equipo demuestran que el grafeno puede mejorar la tecnología de membranas, particularmente para procesos de separación a escala de laboratorio y potencialmente para hemodiálisis.

"Debido a que el grafeno es tan delgado, la difusión a través de él será extremadamente rápida, "Dice Kidambi." Una molécula no tiene que hacer este tedioso trabajo de atravesar todos estos poros tortuosos en una membrana gruesa antes de salir por el otro lado. Mover el grafeno a este régimen de separación biológica es muy emocionante ".

Kidambi es el autor principal de un estudio que informa sobre la tecnología, publicado hoy en Materiales avanzados . Seis coautores son del MIT, incluyendo a Rohit Karnik, profesor asociado de ingeniería mecánica, y Jing Kong, profesor asociado de ingeniería eléctrica.

Taponar el grafeno

Para hacer la membrana de grafeno, Los investigadores utilizaron por primera vez una técnica común llamada deposición química de vapor para cultivar grafeno en una lámina de cobre. Luego grabaron cuidadosamente el cobre y transfirieron el grafeno a una lámina de soporte de policarbonato, lleno de poros lo suficientemente grandes como para dejar pasar cualquier molécula que haya pasado a través del grafeno. El policarbonato actúa como andamio, evitando que el grafeno ultrafino se enrolle sobre sí mismo.

Los investigadores buscaron convertir el grafeno en un tamiz molecularmente selectivo, dejando pasar sólo moléculas de cierto tamaño. Para hacerlo crearon poros diminutos en el material al exponer la estructura al plasma de oxígeno, un proceso por el cual el oxígeno, bombeado a una cámara de plasma, puede dañar los materiales.

"Al ajustar las condiciones del plasma de oxígeno, podemos controlar la densidad y el tamaño de los poros que hacemos, en las áreas donde el grafeno es prístino, "Dice Kidambi." Lo que pasa es, un radical de oxígeno llega a un átomo de carbono [en el grafeno] y reacciona rápidamente, y ambos salen volando como dióxido de carbono ".

Lo que queda es un pequeño agujero en el grafeno, donde una vez se sentó un átomo de carbono. Kidambi y sus colegas descubrieron que el grafeno durante más tiempo está expuesto al plasma de oxígeno, cuanto más grandes y densos serán los poros. Tiempos de exposición relativamente cortos, de aproximadamente 45 a 60 segundos, generan poros muy pequeños.

Defectos deseables

Los investigadores probaron múltiples membranas de grafeno con poros de diferentes tamaños y distribuciones. colocando cada membrana en el medio de una cámara de difusión. Llenaron el lado de alimentación de la cámara con una solución que contenía varias mezclas de moléculas de diferentes tamaños, que van desde cloruro de potasio (0,66 nanómetros de ancho) hasta vitamina B12 (1 a 1,5 nanómetros) y lisozima (4 nanómetros), una proteína que se encuentra en la clara de huevo. El otro lado de la cámara se llenó con una solución diluida.

Luego, el equipo midió el flujo de moléculas a medida que se difundían a través de cada membrana de grafeno.

Las membranas con poros muy pequeños dejan pasar el cloruro de potasio, pero no las moléculas más grandes como el L-triptófano. que mide solo 0,2 nanómetros más ancho. Las membranas con poros más grandes dejan pasar moléculas correspondientemente más grandes.

El equipo llevó a cabo experimentos similares con membranas de diálisis comerciales y descubrió que, en comparación, las membranas de grafeno se comportaron con mayor "permeabilidad, "filtrando las moléculas deseadas hasta 10 veces más rápido.

Kidambi señala que el soporte de policarbonato está grabado con poros que solo ocupan el 10 por ciento de su superficie. lo que limita la cantidad de moléculas deseadas que finalmente pasan a través de ambas capas.

"Solo el 10 por ciento del área de la membrana es accesible, pero incluso con ese 10 por ciento, podemos hacerlo mejor que el estado de la técnica, "Dice Kidambi.

Para mejorar aún más la membrana de grafeno, el equipo planea mejorar el soporte de policarbonato grabando más poros en el material para aumentar la permeabilidad general de la membrana. También están trabajando para ampliar aún más las dimensiones de la membrana, que actualmente mide 1 centímetro cuadrado. Un mayor ajuste del proceso de plasma de oxígeno para crear poros personalizados también mejorará el rendimiento de una membrana, algo que Kidambi señala que tendría consecuencias muy diferentes para el grafeno en aplicaciones electrónicas.

"Lo que es emocionante es lo que no es bueno para el campo de la electrónica es realmente perfecto en este campo [diálisis de membrana], "Dice Kidambi." En electrónica, desea minimizar los defectos. Aquí quiere hacer defectos del tamaño correcto. Va a mostrar que el uso final de la tecnología dicta lo que desea en la tecnología. Esa es la clave ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un sitio popular que cubre noticias sobre la investigación del MIT, innovación y docencia.