La séparation des molécules est une partie importante de nombreux processus de fabrication et de test, y compris la production pharmaceutique et certains tests biomédicaux. Une façon d'effectuer une telle séparation est d'utiliser des nanofiltres - des matériaux avec des trous d'un petit diamètre contrôlé avec précision, pour permettre aux molécules jusqu'à cette taille de passer tout en bloquant celles qui sont plus grosses. Mais un nouveau système conçu par des chercheurs du MIT pourrait ajouter une nouvelle capacité importante :un moyen de filtrer sélectivement des molécules de même taille qui ont des propriétés chimiques différentes.

Karen Gleason, professeur de génie chimique au MIT et doyen associé de l'ingénierie pour la recherche, et la boursière postdoctorale Ayse Asatekin ont décrit le processus dans un article publié ce mois-ci dans la revue Lettres nano .

C'est « une manière fondamentalement différente » de séparer les molécules, dit Gleason. « Les gens pensent généralement que la taille est le facteur déterminant, ” mais en rendant les pores du filtre suffisamment petits pour qu'il y ait une interaction chimique significative entre les parois des pores et les molécules qui les traversent, il devient possible de discriminer selon d'autres caractéristiques, elle explique. Dans ce cas, la sélection a été basée sur l'affinité des molécules pour l'eau. Parce que les parois des pores étaient hydrophobes (résistant à l'eau), d'autres molécules hydrophobes étaient plus facilement attirées vers les pores et propulsées à travers eux que d'autres, molécules moins hydrophobes.

Dans les organismes vivants, les parois cellulaires effectuent couramment ce type de séparation chimique, laisser certains types spécifiques de molécules - par exemple, nutriments, enzymes ou molécules de signalisation - passent librement à travers les pores d'une membrane cellulaire, en bloquant tous les autres. Mais c'est la première fois, Asatekin dit, qu'une telle séparation chimique a été démontrée dans une membrane synthétique.

De nombreuses molécules biologiques de taille similaire mais ayant des fonctions ou des propriétés très différentes, la capacité de les séparer efficacement pourrait donc être importante. Dans cette première démonstration de preuve de concept, les molécules sélectionnées étaient deux colorants, choisis en raison de leur taille similaire et de leur facilité de détection. En utilisant une membrane en polycarbonate (un type de plastique) traitée avec une couche déposée en phase vapeur d'un autre polymère, les chercheurs ont pu séparer les deux colorants très efficacement, avec plus de 200 fois plus de passages d'un type que de l'autre. Le processus de revêtement qu'ils ont utilisé ajoute non seulement la capacité de discriminer les molécules en fonction de leurs différentes affinités pour l'eau, mais en recouvrant l'intérieur des pores en forme de tube dans le matériau, il fournit également un moyen de créer des pores extrêmement petits de taille uniforme - beaucoup plus petits que ceux qui peuvent être produits par les méthodes conventionnelles.

Jörg Lahann, un professeur agrégé de génie chimique à l'Université du Michigan qui n'était pas impliqué dans ce travail, dit que la capacité de l'équipe à produire de minuscules, des pores uniformes de moins de 10 nanomètres (milliardièmes de mètre) de diamètre sont en eux-mêmes une réalisation importante qui résout un problème majeur dans la technologie de nanoséparation existante.

Pour tester le fonctionnement du système, l'équipe a essayé de fabriquer deux types de pores différents - certains étaient des tubes de taille uniforme, d'autres qui avaient un goulot d'étranglement étroit à un moment donné, puis se sont élargis. Les cylindres uniformes étaient beaucoup plus efficaces, démontrant que le facteur clé est l'interaction des molécules avec la paroi du pore sur toute sa longueur, qui dans ce cas était d'environ 4, 000 fois la largeur.

Dans la fabrication pharmaceutique, de nombreux processus impliquent des réactions chimiques dans lesquelles les réactifs et le produit chimique produit ont une taille moléculaire très similaire, donc être capable de séparer les deux efficacement pourrait être une avancée significative en permettant un traitement à grand débit au lieu de la production en petits lots comme cela se fait actuellement, dit Asatekin.

En plus des applications possibles dans la fabrication de médicaments, de telles membranes pourraient être importantes pour la détection de molécules biologiquement significatives. Par exemple, l'armée américaine, qui a financé cette recherche par le biais de l'Institute for Soldier Nanotechnology, s'intéresse à leur utilisation possible dans des détecteurs qui pourraient identifier un marqueur chimique produit par l'organisme lorsqu'une réponse inflammatoire est déclenchée, ce qui pourrait être un moyen de révéler rapidement que le corps avait été exposé à une toxine même sans savoir quelle était la toxine.

Comme prochaine étape, Asatekin et Gleason envisagent d'essayer la technique de séparation des biomolécules qui présentent un réel intérêt pour les processus biologiques, pour démontrer que cela fonctionne pour des matériaux qui seraient intéressants pour des applications réelles.

Professeur Mathias Ulbricht, chaire de chimie technique à l'Université de Duisburg-Essen en Allemagne, appelle cela une « démonstration expérimentale puissante » d'une nouvelle technique qui, selon lui, est très prometteuse pour des applications pratiques.

« Cette étude ouvre une nouvelle voie pour des membranes nanoporeuses vraiment ‘sur mesure’ avec des sélectivités différentes de celles des membranes traditionnelles, " dit-il. “More experimental work toward preparation of membranes with varied structure and other separation experiments are to be done. Cependant, I am optimistic that the promising prospects can be demonstrated practically in such follow-up studies.”