Tänk om akutsjukvårdspersonal kunde behandla en desperat sjuk patient i behov av syrgas med en enkel injektion istället för att behöva förlita sig på mekanisk ventilation eller skynda för att få dem på en hjärt-lungbypassmaskin?

En ny metod för att transportera gaser med en klass av material som kallas porösa vätskor representerar ett stort steg mot artificiella syrebärare och visar den enorma biomedicinska potentialen hos dessa ovanliga vätskor.

I en studie publicerad förra månaden i Nature , ett team av forskare vid Harvards avdelning för kemi och kemisk biologi beskriver ett nytt tillvägagångssätt för att transportera gaser i vattenhaltiga miljöer med hjälp av porösa vätskor. Författarna identifierade och skräddarsydda flera porösa ramverk som kan lagra mycket högre koncentrationer av gaser, inklusive syre (O₂ ) och koldioxid (CO₂). ) än normala vattenlösningar. Detta genombrott kan vara nyckeln till att skapa injicerbara syrekällor som en bryggterapi för hjärtstillestånd, skapa konstgjorda blodersättningar och övervinna långvariga utmaningar med att bevara organ för transplantationer.

"Vi insåg att det skulle finnas många fördelar med att använda vätskor med permanent mikroporositet för att hantera gastransportutmaningar i vatten och andra vattenhaltiga miljöer", säger Jarad Mason, tidningens seniorförfattare och biträdande professor i kemi och kemisk biologi. "Vi har designat vätskor som kan transportera O₂ vid densiteter som överstiger blodets, vilket öppnar nya spännande möjligheter för att transportera gaser för en mängd olika biomedicinska och energitillämpningar."

Vätskor med permanent mikroporositet är en ny klass av material som är sammansatta av mikroskopiska porösa partiklar dispergerade i ett flytande medium. Föreställ dig små, återvinningsbara, svampliknande bitar som kan suga upp gaser i sina hål och släppa ut dem. Hittills har alla porösa vätskor bestått av mikroporösa nanokristaller eller organiska burmolekyler dispergerade i organiska lösningsmedel eller joniska vätskor som är för stora för att diffundera genom poringångarna. Forskarna utvecklade en ny strategi för att skapa vattenhaltiga porösa vätskor – kallade "mikroporöst vatten" – med hög gaskapacitet baserad på termodynamik.

Arbetet leddes av medlemmar från Masons labb, inklusive doktoranderna Daniel P. Erdosy, Malia Wenny, Joy Cho, Miranda V. Walter, postdoktorn Christopher DelRe och doktorand Ricardo Sanchez. Beräkningssimuleringar och biologiska experiment utfördes också i samarbete med forskare vid Boston Children's Hospital och Northwestern University, inklusive Felipe Jiminez-Angeles, Baofu Oiao och Monica Olvera de la Cruz.

Vatten är en polär molekyl, vilket gör det till ett utmärkt lösningsmedel för andra polära molekyler som etanol och socker, men det är mycket sämre på att lösa upp opolära molekyler som O₂ gas. Som sådan kan rent vatten bära 30 gånger mindre syre än röda blodkroppar. Den extremt låga lösligheten av gaser i vatten har satt en hård gräns för många biomedicinska och energirelaterade teknologier som kräver transport av gasmolekyler genom vattenhaltiga vätskor. Denna nya mekanism för gastransport övervinner den låga lösligheten av gaser i vatten och möjliggör snabb gastransport.

Inspirerad av porer i vissa proteiner som är tillgängliga för vattenmolekyler men som överlag förblir torra i vattenlösningar, föreslog teamet att mikroporösa nanokristaller med hydrofoba inre ytor och hydrofila yttre ytor skulle kunna utformas för att lämna det mikroporösa ramverket permanent torrt i vatten och tillgängligt för att absorbera gasmolekyler.

"Vi var tvungna att förena två till synes motstridiga egenskaper," sa Erdosy. "Vi designade den inre ytan för att vara hydrofob och vattenavvisande, och den yttre ytan att vara hydrofil och vattenälskande, för annars skulle vätskan fassepareras som olja och vatten."

Teamet syntetiserade materialen i sitt labb och testade deras förmåga att absorbera och släppa ut gaser. De fann att mikroporöst vatten reversibelt kan transportera extremt höga densiteter av gaser genom vattenbaserade miljöer. Med denna strategi utvecklade teamet en porös vätska som kan bära en högre densitet av O₂ än som ens finns i den rena gasen. Dessa vattenhaltiga porösa vätskor uppvisar enastående lagringsstabilitet, vilket gör att de kan förvaras i rumstemperatur i månader före användning.

"Med lite mer utveckling kan du föreställa dig att lagra syre i en mikroporös vätska på en ambulans för att ha den redo att injicera i en person närhelst det behövs," sa Wenny.

Laboratoriet planerar att genomföra fler experiment på mikroporöst vatten för att testa dess biomedicinska tillämpningar, samtidigt som de fortsätter att utforska andra potentiella användningsområden för materialen.

"Vi vill utveckla fler material och djurmodeller för att skapa och testa en syrebärare in vivo," sa Erdosy. "Vi har också ett mer energifokuserat projekt planerat för att använda mikroporöst vatten för att hantera gastransportutmaningar inom elektrokatalys." + Utforska vidare

Vattenkluster i hydrofoba kristallina porösa kovalenta organiska ramverk

Denna berättelse publiceras med tillstånd av Harvard Gazette, Harvard Universitys officiella tidning. För ytterligare universitetsnyheter, besök Harvard.edu.