Ein ultraschneller Siliziumfilter

Eine poröse Siliziummembran mit einer Dicke von wenigen Nanometern kann schnell Flüssigkeiten filtern und Moleküle mit sehr ähnlicher Größe trennen, berichten Forscher der University of Rochester in dieser Woche Natur . Die neue Membran könnte zu einer effizienten Proteinreinigung für den Einsatz in der Forschung und Wirkstoffforschung führen. Es könnte auch ungefähr zehnmal schneller wirken als aktuelle Membranen, die für die Blutdialyse, die künstliche Blutreinigung, verwendet werden. Darüber hinaus könnte die Membran als Filter verwendet werden, um Moleküle in Mikrofluidikgeräten zu trennen, die zur Untersuchung von DNA und Proteinen verwendet werden, und als Substrat für die Züchtung neurologischer Stammzellen.

Ein Siliziumwafer mit 160 nanoporösen Siliziummembranen. Jede 15 Nanometer dicke, 200 x 200 Mikrometer große Membran befindet sich in der Mitte der 160 Quadrate, die in den Wafer gemustert sind.

Die derzeit zur Filterung von Proteinen verwendeten Membranen auf Polymerbasis sind typischerweise viele Mikrometer dick und haben eine ausgeklügelte Porenstruktur ähnlich einem Schwamm. [Filtration] dauert länger, weil es viel länger dauert und die Poren verschachtelt sind, sagt Philippe Fauchet , dem Professor für Elektro- und Computertechnik an der University of Rochester, der die Forschung leitete. Und ein beträchtlicher Teil dessen, was passieren muss, bleibt für immer in der Membran stecken. Forscher verlieren am Ende die kleineren Proteinmoleküle, die sich im Inneren befinden, sagt James McGrath , Professor für Biomedizintechnik in Rochester und Co-Autor des Natur Papier.

Die neue Membran ist 15 Nanometer dick, sodass sie schneller filtert, ohne die hindurchtretenden Moleküle einzufangen, was wichtig ist, wenn Forscher sowohl die größeren als auch die kleineren Proteine ​​zurückhalten wollen. Sobald ein Molekül die Membran erreicht hat, dauert es einen Schritt und es befindet sich auf der Rückseite, sagt McGrath.

Um die Membranen herzustellen, verwenden die Forscher Werkzeuge, mit denen integrierte Schaltungschips hergestellt werden. Dies sollte die Integration der Filter in siliziumbasierte Mikrofluidikgeräte erleichtern, die für die Proteinforschung verwendet werden, wo sie nützlich wären, wenn Wissenschaftler ein bestimmtes interessierendes Protein aus einer biologischen Flüssigkeitsprobe trennen wollten. Die Forscher stellten die Membranen her, indem sie zunächst einen Stapel aus drei dünnen Schichten – eine amorphe Siliziumschicht zwischen zwei Siliziumdioxidschichten – auf einem Siliziumwafer abschieden. Wird der Wafer Temperaturen von mehr als 700 °C ausgesetzt, kristallisiert das amorphe Silizium und bildet Poren. Dann ätzen die Forscher die Wafer- und Siliziumdioxidschichten, um kleine Quadrate der nanoporösen Membran freizulegen, die auf jeder Seite 200 Mikrometer groß sind. Die Temperatur steuert den Porendurchmesser und ermöglicht den Forschern eine Feinabstimmung der Membranen: Bei 715 °C hat die Membran eine durchschnittliche Porengröße von 7 Nanometern, bei 729 °C liegt der Durchschnitt bei etwa 14 Nanometern.

McGrath sagt, dass die Membran ein gutes Substrat wäre, um neurologische Stammzellen zu kultivieren. Bestimmte Helferzellen nähren Stammzellen und bringen sie dazu, sich in Neuronen zu verwandeln. Um eine Reinkultur der Neuronen zu erhalten, suchen die Forscher nach Möglichkeiten, die Helferzellen physisch von den Stammzellen zu trennen und ihnen gleichzeitig den Austausch von Chemikalien zu ermöglichen. [Mit der neuen Membran] wird der Abstand, den sie voneinander haben, ungefähr die gleiche Größe haben wie ihre eigene Plasmamembran, sagt McGrath. Durch die Poren kann ein Signalmolekül sehr schnell diffundieren.

Die Forscher glauben, dass die Siliziummembranen aufgrund eines engeren Porendurchmesserbereichs Proteine ​​trennen könnten, die eine viel engere Größe aufweisen, als dies mit aktuellen schwammartigen Filtern möglich ist. Es gibt Tausende von verschiedenen Proteinen, die im menschlichen Körper entscheidende Funktionen erfüllen, und die Trennung eines einzelnen Proteins ist der Schlüssel zum Verständnis seiner Struktur und Funktion. Fauchet sagt, dass die Forscher durch die Entwicklung eines engeren Bereichs von Porendurchmessern eine 100-prozentige Trennung von Proteinen erreichen könnten – sogar von Proteinen mit ähnlicher Größe.

In Labortests passieren Farbstoffmoleküle mit einer Breite von einem Nanometer in einer Lösung die nanoporöse Membran zehnmal schneller als durch eine handelsübliche Blutdialysemembran. Die Forscher planen, die Membran stärker zu machen – sie kann Drücke von 15 Pfund pro Quadratzoll aushalten –, damit sie mehr Moleküle durchdrücken können, wodurch die Dialysegeschwindigkeit gegenüber kommerziellen Membranen möglicherweise um den Faktor 100 verbessert wird.

Einige Experten halten es jedoch für zu früh, um zu sagen, ob die Membran für groß angelegte Anwendungen wie Proteinreinigung und Blutdialyse nützlich sein wird. Der Nachteil der ultradünnen Membran besteht darin, dass es schwierig ist, mit dieser Technik großflächige Membranen herzustellen, sagt Andrew Zydney , Professor für Chemieingenieurwesen an der Penn State University. Derzeitige Proteinreinigungssysteme in der Biotechnologieindustrie verwenden effektiv 100 Quadratmeter Membran, sagt er. Auch wenn die neue Membran zehnmal schneller filtert, also dieselbe Flüssigkeitsmenge mit einer zehnmal kleineren Fläche filtern kann, spricht man immer noch von 10 Quadratmetern Siliziummembranen, sagt Zydney. Ich bin nicht davon überzeugt, dass das kostengünstig möglich ist.

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