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Un filtro de silicona ultrarrápido
Una membrana de silicio porosa que tiene unos pocos nanómetros de espesor puede filtrar rápidamente líquidos y separar moléculas de tamaño muy parecido, informan investigadores de la Universidad de Rochester en esta semana. Naturaleza . La nueva membrana podría conducir a una purificación de proteínas eficiente para su uso en la investigación y el descubrimiento de fármacos. También podría actuar aproximadamente 10 veces más rápido que las membranas actuales utilizadas para la diálisis sanguínea, la purificación artificial de la sangre. Además, la membrana podría emplearse como filtro para separar moléculas en dispositivos de microfluidos utilizados para estudiar el ADN y las proteínas y como sustrato para el crecimiento de células madre neurológicas.
Una oblea de silicio con 160 membranas de silicio nanoporosas. Cada membrana de 15 nanómetros de espesor y 200 por 200 micrómetros cuadrados está en el centro de los 160 cuadrados modelados en la oblea.
Las membranas a base de polímeros que se utilizan actualmente para filtrar proteínas suelen tener un grosor de muchos micrómetros y una estructura de poros elaborada muy parecida a una esponja. [La filtración] lleva más tiempo porque hay que recorrer una distancia mucho mayor y los poros están enrevesados, dice Philippe Fauchet , profesor de ingeniería eléctrica e informática de la Universidad de Rochester que dirigió la investigación. Y una fracción considerable de lo que debe atravesar permanece atrapada para siempre en la membrana. Los investigadores terminan perdiendo las moléculas de proteína más pequeñas que se alojan en el interior, dice James McGrath , profesor de ingeniería biomédica en Rochester y coautor de la Naturaleza papel.
La nueva membrana tiene un grosor de 15 nanómetros, por lo que se filtra más rápido sin atrapar las moléculas que la atraviesan, lo cual es importante si los investigadores quieren retener tanto las proteínas más grandes como las más pequeñas. Una vez que una molécula llega a la membrana, da un paso y está en la parte posterior, dice McGrath.
Para hacer las membranas, los investigadores emplean herramientas que se utilizan para crear chips de circuitos integrados. Esto debería hacer que los filtros sean fáciles de integrar en dispositivos de microfluidos basados en silicio que se utilizan para la investigación de proteínas, donde serían útiles si los científicos quisieran separar una proteína particular de interés de una muestra de fluido biológico. Los investigadores hicieron las membranas depositando primero una pila de tres capas delgadas, una capa de silicio amorfo intercalada entre dos capas de dióxido de silicio, en una oblea de silicio. La exposición de la oblea a temperaturas superiores a 700 ºC cristaliza el silicio amorfo y forma poros. Luego, los investigadores graban las capas de obleas y dióxido de silicio para exponer pequeños cuadrados de la membrana nanoporosa que tienen 200 micrómetros en cada lado. La temperatura controla el diámetro de los poros, lo que permite a los investigadores afinar las membranas: a 715 ºC la membrana tiene un tamaño medio de poro de 7 nanómetros, mientras que a 729 ºC el promedio es de unos 14 nanómetros.
McGrath dice que la membrana sería un buen sustrato para cultivar células madre neurológicas. Ciertas células auxiliares nutren a las células madre y las inducen a convertirse en neuronas. Para obtener un cultivo puro de las neuronas, los investigadores están buscando formas de separar físicamente las células auxiliares de las células madre y, al mismo tiempo, permitirles intercambiar sustancias químicas. [Con la nueva membrana], la distancia que los separará será aproximadamente del mismo tamaño que su propia membrana plasmática, dice McGrath. Los poros permitirán que una molécula de señalización se difunda muy rápidamente.
Los investigadores creen que debido a un rango más estrecho de diámetros de poros, las membranas de silicio podrían separar proteínas que tienen un tamaño mucho más cercano de lo que es posible con los filtros esponjosos actuales. Hay miles de proteínas diferentes que cumplen funciones cruciales en el cuerpo humano, y separar una proteína individual es clave para comprender su estructura y función. Fauchet dice que mediante la ingeniería de un rango más estrecho de diámetros de poro, los investigadores podrían obtener una separación del 100 por ciento de las proteínas, incluso aquellas que tienen un tamaño similar.
En las pruebas de laboratorio, las moléculas de colorante de un nanómetro de ancho en una solución pasan a través de la membrana nanoporosa 10 veces más rápido que a través de una membrana comercial de diálisis sanguínea. Los investigadores planean fortalecer la membrana (puede soportar presiones de 15 libras por pulgada cuadrada) para que puedan empujar más moléculas, mejorando potencialmente la velocidad de diálisis en un factor de 100 en comparación con las membranas comerciales.
Sin embargo, algunos expertos creen que es demasiado pronto para decir si la membrana será útil para aplicaciones a gran escala, como la purificación de proteínas y la diálisis sanguínea. El inconveniente de la membrana ultrafina es que es difícil hacer membranas de gran superficie con la técnica, dice Andrew Zydney , profesor de ingeniería química en Penn State University. Los sistemas actuales de purificación de proteínas en la industria de la biotecnología utilizan eficazmente 100 metros cuadrados de membrana, dice. Incluso si la nueva membrana filtra 10 veces más rápido, lo que significa que puede filtrar la misma cantidad de fluido con un área 10 veces más pequeña, todavía estamos hablando de 10 metros cuadrados de membranas de silicio, dice Zydney. No estoy convencido de que eso se pueda hacer de manera rentable.