Dialyse, au sens le plus général, est le processus par lequel les molécules filtrent d'une solution, en diffusant à travers une membrane, dans une solution plus diluée. En dehors de l'hémodialyse, qui élimine les déchets du sang, les scientifiques utilisent la dialyse pour purifier les médicaments, éliminer les résidus des solutions chimiques, et isoler des molécules pour le diagnostic médical, typiquement en permettant aux matériaux de passer à travers une membrane poreuse.

Les membranes de dialyse commerciales d'aujourd'hui séparent lentement les molécules, en partie à cause de leur constitution :ils sont relativement épais, et les pores qui creusent des tunnels à travers ces membranes denses le font dans des chemins sinueux, rendant difficile le passage rapide des molécules cibles.

Maintenant, les ingénieurs du MIT ont fabriqué une membrane de dialyse fonctionnelle à partir d'une feuille de graphène - une seule couche d'atomes de carbone, reliés bout à bout en configuration hexagonale comme celle du grillage. La membrane de graphène, environ la taille d'un ongle, est inférieure à 1 nanomètre d'épaisseur. (Les membranes existantes les plus minces ont une épaisseur d'environ 20 nanomètres.) La membrane de l'équipe est capable de filtrer des molécules de taille nanométrique à partir de solutions aqueuses jusqu'à 10 fois plus rapidement que les membranes de pointe, le graphène lui-même étant jusqu'à 100 fois plus rapide.

Alors que le graphène a été largement exploré pour des applications en électronique, Piran Kidambi, un post-doctorat au département de génie mécanique du MIT, affirme que les découvertes de l'équipe démontrent que le graphène peut améliorer la technologie des membranes, en particulier pour les processus de séparation à l'échelle du laboratoire et potentiellement pour l'hémodialyse.

"Parce que le graphène est si fin, la diffusion à travers elle sera extrêmement rapide, " dit Kidambi. " Une molécule n'a pas à faire ce travail fastidieux de traverser tous ces pores tortueux dans une membrane épaisse avant de sortir de l'autre côté. Faire entrer le graphène dans ce régime de séparation biologique est très excitant."

Kidambi est l'un des principaux auteurs d'une étude faisant état de la technologie, publié aujourd'hui dans Matériaux avancés . Six co-auteurs sont du MIT, dont Rohit Karnik, professeur agrégé de génie mécanique, et Jing-Kong, professeur agrégé de génie électrique.

Brancher du graphène

Pour fabriquer la membrane de graphène, les chercheurs ont d'abord utilisé une technique courante appelée dépôt chimique en phase vapeur pour faire pousser du graphène sur une feuille de cuivre. Ils ont ensuite soigneusement gravé le cuivre et transféré le graphène sur une feuille de support en polycarbonate, parsemé de pores suffisamment grands pour laisser passer toutes les molécules qui ont traversé le graphène. Le polycarbonate agit comme un échafaudage, empêcher le graphène ultrafin de se recroqueviller sur lui-même.

Les chercheurs ont cherché à transformer le graphène en un tamis moléculairement sélectif, ne laissant passer que des molécules d'une certaine taille. Faire cela, ils ont créé de minuscules pores dans le matériau en exposant la structure à un plasma d'oxygène, un processus par lequel l'oxygène, pompé dans une chambre à plasma, peut graver les matériaux.

"En réglant les conditions du plasma d'oxygène, nous pouvons contrôler la densité et la taille des pores que nous fabriquons, dans les zones où le graphène est vierge, " dit Kidambi. " Ce qui se passe, c'est un radical oxygène arrive à un atome de carbone [dans le graphène] et réagit rapidement, et ils s'envolent tous les deux sous forme de dioxyde de carbone."

Ce qui reste est un petit trou dans le graphène, où se trouvait autrefois un atome de carbone. Kidambi et ses collègues ont découvert que le graphène le plus long est exposé au plasma d'oxygène, plus les pores seront gros et denses. Temps d'exposition relativement courts, d'environ 45 à 60 secondes, générer de très petits pores.

Défauts souhaitables

Les chercheurs ont testé plusieurs membranes de graphène avec des pores de tailles et de distributions variables, placer chaque membrane au milieu d'une chambre de diffusion. Ils ont rempli le côté alimentation de la chambre d'une solution contenant divers mélanges de molécules de différentes tailles, allant du chlorure de potassium (0,66 nanomètres de large) à la vitamine B12 (1 à 1,5 nanomètres) et au lysozyme (4 nanomètres), une protéine présente dans le blanc d'œuf. L'autre côté de la chambre était rempli d'une solution diluée.

L'équipe a ensuite mesuré le flux de molécules lors de leur diffusion à travers chaque membrane de graphène.

Les membranes avec de très petits pores laissent passer le chlorure de potassium mais pas les molécules plus grosses telles que le L-tryptophane, qui ne mesure que 0,2 nanomètres plus large. Les membranes avec des pores plus larges laissent passer des molécules proportionnellement plus grosses.

L'équipe a mené des expériences similaires avec des membranes de dialyse commerciales et a constaté que, en comparaison, les membranes de graphène ont fonctionné avec une "perméance" plus élevée, " en filtrant les molécules souhaitées jusqu'à 10 fois plus rapidement.

Kidambi souligne que le support en polycarbonate est gravé de pores qui n'occupent que 10 pour cent de sa surface, ce qui limite la quantité de molécules souhaitées qui passent finalement à travers les deux couches.

« Seul 10 % de la surface de la membrane est accessible, mais même avec ces 10 pour cent, nous sommes capables de faire mieux que l'état de l'art, " dit Kidambi.

Pour rendre la membrane de graphène encore meilleure, l'équipe prévoit d'améliorer le support en polycarbonate en gravant plus de pores dans le matériau pour augmenter la perméance globale de la membrane. Ils travaillent également à augmenter davantage les dimensions de la membrane, qui mesure actuellement 1 centimètre carré. Un réglage plus poussé du processus de plasma d'oxygène pour créer des pores sur mesure améliorera également les performances d'une membrane, ce qui, selon Kidambi, aurait des conséquences très différentes pour le graphène dans les applications électroniques.

"Ce qui est excitant, c'est ce qui n'est pas génial pour le domaine de l'électronique est en fait parfait dans ce domaine [dialyse membranaire], " dit Kidambi. " En électronique, vous voulez minimiser les défauts. Ici, vous voulez faire des défauts de la bonne taille. Cela montre que l'utilisation finale de la technologie dicte ce que vous voulez dans la technologie. C'est la clé."

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.