Cellulära membran fungerar som ett idealiskt exempel på ett system som är multifunktionellt, inställbar, exakt och effektiv.

Ansträngningar att efterlikna dessa biologiska underverk har inte alltid varit framgångsrika. Dock, Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare har skapat polymerbaserade membran med 1,5 nanometer kolnanorörporer som efterliknar arkitekturen hos cellulära membran. Forskningen visas på omslaget till tidskriften Avancerade material .

Kolnanorör har unika transportegenskaper som kan gynna flera moderna industriella, miljömässiga och biomedicinska processer – från storskalig vattenrening och avsaltning av vatten till njurdialys, sterilfiltrering och läkemedelstillverkning.

Med inspiration från biologi, forskare har eftersträvat robusta och skalbara syntetiska membran som antingen innehåller eller i sig emulerar funktionella biologiska transportenheter. Nyligen genomförda studier visade framgångsrikt lipid-dubbelskiktsinkorporering av peptidbaserade nanoporer, 3D-membranburar och stora och till och med komplexa DNA-origami-nanoporer.

Dock, LLNL-forskare gick ett steg längre och kombinerade robusta syntetiska block-sampolymermembran med en annan LLNL-utvecklad teknologi:konstgjorda membrannanoporer baserade på kolnanorörporiner (CNTPs), som är korta segment av enkelväggiga kolnanorör som bildar porer i nanometerskala med atomärt släta hydrofoba väggar som kan transportera protoner, vatten och makromolekyler, inklusive DNA.

"CNTP:er är unika bland biomimetiska nanoporer eftersom kolnanorör är robusta och mycket kemiskt resistenta, vilket gör dem lämpliga för användning i ett större antal separationsprocesser, inklusive de som kräver hårda miljöer, sa Alex Noy, en LLNL materialforskare och senior författare på tidningen.

Teamet integrerade CNTP-kanaler i polymermembran, efterlikna strukturen, arkitektur och grundläggande funktionalitet hos biologiska membran i en helsyntetisk arkitektur. Proton- och vattentransportmätningar visade att kolnanorörporiner bibehåller sin höga permeabilitet i polymermembranmiljön. Forskarna visade att CNTPs inbäddade i polymersomer (en klass av konstgjorda vesiklar, små ihåliga sfärer som omsluter en lösning) kan fungera som molekylära ledningar som transporterar småmolekylära reagenser mellan vesikulära fack.

"Denna utveckling öppnar nya möjligheter för leverans av molekylära reagenser till vesikulära avdelningar för att initiera begränsade kemiska reaktioner och efterlikna de sofistikerade transportmedierade beteendena hos biologiska system, sa Jeremy Sanborn, en Lawrence Scholar vid LLNL och den första författaren på tidningen.