Un equipo de investigadores liderado por la Universidad de Vanderbilt ha logrado un avance significativo en el desarrollo de membranas de diálisis avanzadas utilizando materiales atómicamente delgados, como el grafeno. Estas innovadoras membranas, denominadas membranas nanoporo atómicamente delgadas (NATM), incorporan un mecanismo de sellado habilitado por proteínas que aborda un desafío clave en la tecnología de diálisis: mantener una alta eficiencia en la filtración de pequeñas moléculas mientras se minimiza la pérdida de proteínas.
El trabajo ha sido publicado en la revista Nano Letters.
Las membranas de diálisis deben equilibrar dos funciones críticas: permitir el paso de pequeñas moléculas para su eliminación y prevenir la fuga de proteínas vitales. La propuesta del equipo aprovecha las propiedades únicas del grafeno —su extrema delgadez y sus nanoporos personalizables— para permitir una filtración precisa y rápida. Sin embargo, incluso un solo poro grande puede causar una fuga excesiva, comprometiendo el rendimiento de la membrana.
Para abordar este problema, los investigadores desarrollaron un método novedoso que transforma la fuga de proteínas en una ventaja. Cuando las proteínas escapan a través de poros más grandes, reaccionan con moléculas en el lado opuesto de la membrana de grafeno. Esta reacción desencadena un proceso de sellado que cierra selectivamente los poros más grandes mientras preserva los más pequeños.
Capacidad de auto-sellado y mejoras en la eficacia
Esta capacidad de auto-sellado garantiza una filtración precisa y selectiva por tamaño, mejorando la eficacia general de la membrana. «La capacidad de sellar tamaños de poros inconsistentes y filtrar selectivamente moléculas en función de su tamaño representa un nuevo paradigma para las membranas de diálisis», afirma Peifu Cheng, profesor asistente de ingeniería química y biomolecular y primer autor del estudio.
Cheng explica que «las proteínas y biomoléculas tienen una flexibilidad natural que les permite deformarse ligeramente al pasar a través de nanoporos. Nuestro enfoque se basa en esta propiedad, avanzando significativamente más allá de las tecnologías actuales de diálisis y membranas comercialmente disponibles».
El profesor asistente de ingeniería química y biomolecular Piran Kidambi, quien lideró el proyecto, enfatiza la naturaleza innovadora de este trabajo. «Nuestro estudio introduce proteínas como herramientas a escala nanométrica para diseñar tamaños de poro en membranas atómicamente delgadas, superando desafíos críticos en los sistemas de diálisis actuales».
El equipo demostró este método de sellado de defectos selectivos por tamaño habilitado por proteínas (PDS) en membranas de grafeno de escala centimétrica. Estas NATM selladas por defectos se mantuvieron estables durante un periodo de hasta 35 días y superaron consistentemente a las membranas comerciales de diálisis de última generación.
Más información:
Peifu Cheng et al, Protein-Enabled Size-Selective Defect-Sealing of Atomically Thin 2D Membranes for Dialysis and Nanoscale Separations, Nano Letters (2024). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c04706
