Imitando la estructura del riñón, un equipo de científicos del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore (LLNL) y la Universidad de Illinois en Chicago (UIC) ha creado una membrana delgada de nanómetros (nm) tridimensional que rompe el compromiso de permeabilidad-selectividad de las membranas artificiales.

Las membranas altamente permeables y selectivas son útiles para una amplia gama de aplicaciones, como la diálisis, depuración de agua y almacenamiento de energía. Sin embargo, las membranas sintéticas convencionales basadas en estructuras bidimensionales adolecen de la limitación del compromiso entre permeabilidad y selectividad, que surgen de su área superficial intrínsecamente limitada y geometrías de poros largos y complejos.

Siguiendo el ejemplo de los sistemas biológicos que logran un transporte de masa transmembrana rápido y altamente selectivo mediante el empleo de estructuras funcionales tridimensionales eficientes, el equipo desarrolló una membrana 3-D autosuficiente compuesta de dos canales 3-D interconectados, que están separados por una capa porosa de óxido de titanio (TiO2) de nanómetros de espesor.

Esta arquitectura biomimética 3-D única aumenta drásticamente el área de superficie, y así el área de filtración, por 6, 000 veces, junto con una distancia de difusión ultracorta a través de la capa selectiva de 2-4 nm de espesor. Estas características proporcionan el alto rendimiento de separación de la membrana 3-D con características de transferencia de masa rápida.

"Nuestro estudio sugiere que el diseño de la membrana 3-D tiene un gran potencial para superar las limitaciones de las membranas sintéticas convencionales, "dijo el científico de materiales de LLNL Jianchao Ye, uno de los autores correspondientes de un artículo que aparece en la revista Materials Horizons.

"Los resultados de este trabajo también proporcionan criterios de diseño fundamentales para el desarrollo de membranas nanoporosas de alto rendimiento, "dijo Sangil Kim, ex científico de LLNL ahora en la Universidad de Illinois en Chicago.

El equipo dijo que la nueva membrana 3-D exhibe aplicaciones prometedoras en la ingeniería biomédica y el área de almacenamiento de energía. como membranas para baterías de óxido de litio y sulfuro de litio.

"El diseño de la membrana biomimética 3-D demostrado en este trabajo permitirá en última instancia el desarrollo de sistemas de hemodiálisis implantables de alto rendimiento y pulmones de membrana artificial, cambiando así la vida de cientos de miles de estadounidenses con insuficiencia renal total y permanente e insuficiencia pulmonar, ", Dijo el científico y coautor de LLNL, Juergen Biener.

El equipo también señaló que el rendimiento se puede mejorar aún más mediante optimizaciones geométricas utilizando técnicas de impresión 3D y aprendizaje automático. lo que genera enormes oportunidades de investigación en el campo de las membranas.