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Un filtre au silicium ultrarapide
Une membrane de silicium poreux de quelques nanomètres d'épaisseur peut rapidement filtrer des liquides et séparer des molécules de taille très proche, rapportent des chercheurs de l'Université de Rochester dans le rapport de cette semaine. La nature . La nouvelle membrane pourrait conduire à une purification efficace des protéines pour une utilisation dans la recherche et la découverte de médicaments. Il pourrait également agir environ 10 fois plus rapidement que les membranes actuelles utilisées pour la dialyse sanguine, la purification artificielle du sang. En outre, la membrane pourrait être utilisée comme filtre pour séparer les molécules dans les dispositifs microfluidiques utilisés pour étudier l'ADN et les protéines et comme substrat pour la croissance de cellules souches neurologiques.
Une plaquette de silicium avec 160 membranes de silicium nanoporeux. Chaque membrane de 15 nanomètres d'épaisseur et de 200 x 200 micromètres carrés se trouve au centre des 160 carrés modelés dans la plaquette.
Les membranes à base de polymère actuellement utilisées pour filtrer les protéines ont généralement une épaisseur de plusieurs micromètres et ont une structure de pores élaborée un peu comme une éponge. [La filtration] prend plus de temps car la distance à parcourir est beaucoup plus longue et les pores sont alambiqués, dit Philippe Fauchet , le professeur de génie électrique et informatique à l'Université de Rochester qui a dirigé la recherche. Et une bonne partie de ce qui doit passer reste coincé à jamais dans la membrane. Les chercheurs finissent par perdre les plus petites molécules de protéines qui se logent à l'intérieur, dit James McGrath , professeur de génie biomédical à Rochester et co-auteur du La nature papier.
La nouvelle membrane a une épaisseur de 15 nanomètres, elle filtre donc plus rapidement sans piéger les molécules qui la traversent, ce qui est important si les chercheurs souhaitent conserver à la fois les protéines les plus grosses et les plus petites. Une fois qu'une molécule atteint la membrane, elle fait un pas, et c'est à l'arrière, dit McGrath.
Pour fabriquer les membranes, les chercheurs utilisent des outils qui sont utilisés pour créer des puces de circuits intégrés. Cela devrait faciliter l'intégration des filtres dans les dispositifs microfluidiques à base de silicium utilisés pour la recherche sur les protéines, où ils seraient utiles si les scientifiques voulaient séparer une protéine d'intérêt particulière d'un échantillon de fluide biologique. Les chercheurs ont fabriqué les membranes en déposant d'abord un empilement de trois couches minces - une couche de silicium amorphe prise en sandwich entre deux couches de dioxyde de silicium - sur une plaquette de silicium. L'exposition de la plaquette à des températures supérieures à 700 ºC cristallise le silicium amorphe et forme des pores. Ensuite, les chercheurs gravent la plaquette et les couches de dioxyde de silicium pour exposer de petits carrés de la membrane nanoporeuse de 200 micromètres de côté. La température contrôle le diamètre des pores, permettant aux chercheurs d'affiner les membranes : à 715 °C, la membrane a une taille de pores moyenne de 7 nanomètres, tandis qu'à 729 °C, la moyenne est d'environ 14 nanomètres.
McGrath dit que la membrane ferait un bon substrat pour cultiver des cellules souches neurologiques. Certaines cellules auxiliaires nourrissent les cellules souches et les poussent à se transformer en neurones. Pour obtenir une culture pure des neurones, les chercheurs cherchent des moyens de séparer physiquement les cellules auxiliaires des cellules souches tout en leur permettant d'échanger des produits chimiques. [Avec la nouvelle membrane,] la distance dont ils seront séparés sera à peu près de la même taille que leur propre membrane plasmique, dit McGrath. Les pores vont permettre à une molécule de signalisation de diffuser très rapidement.
Les chercheurs pensent qu'en raison d'une gamme plus étroite de diamètres de pores, les membranes de silicium pourraient séparer des protéines beaucoup plus petites que ce qui est possible avec les filtres actuels en forme d'éponge. Il existe des milliers de protéines différentes qui remplissent des fonctions cruciales dans le corps humain, et la séparation d'une protéine individuelle est essentielle pour comprendre sa structure et sa fonction. Fauchet dit qu'en concevant une gamme plus étroite de diamètres de pores, les chercheurs pourraient obtenir une séparation à 100 % des protéines, même celles qui sont de taille proche.
Dans les tests de laboratoire, des molécules de colorant d'un nanomètre de large dans une solution traversent la membrane nanoporeuse 10 fois plus rapidement qu'à travers une membrane de dialyse sanguine commerciale. Les chercheurs prévoient de renforcer la membrane - elle peut supporter des pressions de 15 livres par pouce carré - afin qu'ils puissent pousser plus de molécules à travers, améliorant potentiellement la vitesse de dialyse d'un facteur 100 par rapport aux membranes commerciales.
Certains experts estiment cependant qu'il est trop tôt pour dire si la membrane sera utile pour des applications à grande échelle telles que la purification des protéines et la dialyse sanguine. L'inconvénient de la membrane ultrafine est qu'il est difficile de fabriquer des membranes de grande surface en utilisant la technique, dit Andrew Zydney , professeur de génie chimique à la Penn State University. Les systèmes actuels de purification de protéines dans l'industrie de la biotechnologie utilisent efficacement 100 mètres carrés de membrane, dit-il. Même si la nouvelle membrane filtre 10 fois plus vite, ce qui signifie qu'elle peut filtrer la même quantité de fluide avec une surface 10 fois plus petite, vous parlez toujours de 10 mètres carrés de membranes en silicone, dit Zydney. Je ne suis pas convaincu que cela puisse être fait de manière rentable.