От производства лекарств до осветления сока: экологичные фильтрационные мембраны создали в СПбГУ

Экологически безопасные фильтрационные мембраны разработали химики из Санкт-Петербургского государственного университета. Ученые заменили токсичные порообразующие добавки в составе материала на безвредный минерал гидроксиапатит — один из важнейших компонентов костей и зубов человека. Исследователи научились «программировать» минеральные наночастицы таким образом, что те самостоятельно срастаются в микроскопические стержни и формируют поры в материале. Разработка пригодится в различных сферах: например, поможет фильтровать компоненты крови и сывороточные белки в медицине, получать лекарственные препараты в фармацевтике и даже осветлять соки в пищевой промышленности. С инновацией корреспондента «Научной России» познакомила доцент кафедры химической термодинамики и кинетики СПбГУ, кандидат химических наук Александра Юрьевна Пулялина.

«Разработка, о которой идет речь, была сделана на базе СПбГУ небольшим коллективом соавторов. Мы с коллегами занимаемся мембранной тематикой, а именно созданием “умных” фильтров — тончайших пленок, главное свойство которых — способность отделять большие молекулы от малых. Эти мембраны используются для ультрафильтрации — так называется метод, основанный на пропускании различных смесей через тончайший фильтр с микроскопическими порами, — рассказала А.Ю. Пулялина. — С точки зрения химии, наши мембраны пропускают очень низкомолекулярные субстанции — например, раствор, в котором содержится некое активное вещество — при этом удерживают и концентрируют сам активный компонент, состоящий из более крупных молекул.

В современном мире эта технология играет очень важную роль. Например, сегодня почти у всех дома стоит фильтр для очистки воды — либо угольный, либо очень популярная сейчас многоступенчатая система. Во втором случае один из уровней обработки воды часто как раз основан на ультрафильтрации. После прохождения финальной стадии очистки вода должна быть избавлена не только от вирусов и бактерий, но и от крупноразмерных взвесей. Именно это обеспечивают ультрафильтрационные мембраны: они пропускают маленькие молекулы воды, при этом задерживая более крупные структуры, ненужные для организма. Это один из примеров применения нашей разработки. Полученные фильтрационные материалы также могут использоваться в фармацевтике для очистки лекарственных средств. Помимо этого, наши мембраны будут очень эффективны в пищевой промышленности. В опубликованной работе в научном журнале Microchemical Journal мы как раз используем новую мембрану для концентрации белковых сред — это модельный процесс для осветления соков, получения концентратов сывороточного белка и многого другого. Варианты применения новых мембран можно перечислять бесконечно».

Серьезный недостаток существующих фильтрационных мембран — опасность для окружающей среды. Для формирования пор в эти материалы нередко добавляют токсичные химикаты, которые попадают в сточные воды в процессе производства и накапливаются в почве при утилизации самих изделий. Чтобы решить эту проблему, петербургские исследователи заменили неэкологичные реагенты на необычную добавку, безвредную для окружающей среды и живых организмов, — минерал гидроксиапатит, один из важнейших компонентов костей и зубов человека. Исследование объединило несколько научных направлений: неорганическое материаловедение, аналитическую химию и квантово‑химическое моделирование.

При определенных условиях наночастицы гидроксиапатита можно заставить срастаться друг с другом, однако обычно результат такой самосборки непредсказуем. В проведенном исследовании ученые нашли способ заставить частицы минерала контролируемо склеиваться в более крупные наноструктуры нужной формы.  Для этого они использовали различные ионы (например, аммония и калия), которые частично перекрывали поверхность наночастиц, не давая им срастаться нежелательными гранями. В результате из частиц гидроксиапатита удалось сформировать наностержни с нужной длиной и толщиной. Далее ученые смешали их с полимером и изготовили из этой смеси мембраны толщиной всего 50–100 нм — тоньше человеческого волоса.

«Получать мембраны с уникальными свойствами нам помогают особые нанонаполнители-порообразователи, которые мы вводим в наши системы. В частности, группой под руководством доцента СПбГУ Ольги Михайловны Осмоловской были разработаны особые наночастицы гидроксиапатита. К настоящему времени этот минерал очень плотно вошел в нашу жизнь. Помимо того, что он входит в состав зубов и костей, его, например, добавляют в зубные пасты, — пояснила А.Ю. Пулялина. — Чем гидроксиапатит помогает нам? Дело в том, что из него можно получать наночастицы определенных форм и размеров, которые позволяют образовывать в материале поры с нужными параметрами и требуемой ориентацией относительно друг друга.

Как выглядит процесс изготовления новых мембран? Простыми словами, мы берем полимер, хорошо зарекомендовавший себя в промышленности, — в нашем случае это полисульфон — и смешиваем его с растворителем. Получается своеобразный “сироп”. Далее мы добавляем в него наночастицы гидроксиапатита. Полученная смесь распределяется по тонкой пластине и погружается в так называемую осадительную ванну, наполненную обычной водой в качестве раствора. Вода проникает в полимерную матрицу, вымывая растворитель и образуя поры уникальной симметричной формы. В результате мы получаем готовую твердую пленку.

Важно отметить, что, варьируя морфологию наночастиц гидроксиапатита, можно формировать поры с совершенно разной структурой. От этого будут в значительной степени зависеть транспортные свойства получаемой мембраны, включая скорость и эффективность фильтрации». 

Новые пленки протестировали на растворе бычьего альбумина — сывороточного белка, нередко используемого в качестве экспериментальной модели при имитации очистки лекарственных препаратов или молочной сыворотки. Результаты испытаний впечатлили: экологичные мембраны пропускали жидкость в пять раз быстрее привычных аналогов, при этом удерживая более 99,9% белка. Минимизировать потери альбумина при фильтрации помогла особая структура материала: белковые молекулы не просто не проходили через поры, а связывались на поверхности мембраны с минеральными наночастицами. Примечательно, что связанные макромолекулы также можно извлечь и задействовать в работе.

Новаторская технология готова к масштабированию, причем процесс получения мембран не требует сложного оборудования.

Из-за способности выборочно удерживать ценные вещества исследователи сравнивают свою разработку с «умным ситом».

«Возможности мембран определяются множеством факторов — размерами и формой пор, их извилистостью, характером связанности, а также особенностями поверхности материала. Но, если опускать эти подробности, наши материалы действительно можно сопоставить с “умным ситом”, которое пропускает одни вещества и задерживает другие, — отметила А.Ю. Пулялина. — Какие примеры потенциального использования наших мембран можно привести? Например, классическая промышленная задача в области здравоохранения — концентрация различных белковых растворов, в частности, альбумина, на основе которого в том числе изготавливаются медицинские препараты. Другое направление, где наша мембрана может принести большую пользу, также связано с фармацевтикой — это концентрация и очистка различных фармацевтически активных субстанций на основе ферментов. Отдельный блок — разработка биологически активных веществ: в этой области ученые тоже активно применяют технологию ультрафильтрации. Еще одна задача, в решении которой могут помочь новые мембраны, — подготовка различных препаратов с радиоактивными компонентами, что также актуально в медицине и других сферах. Таким образом, перечень возможных применений нашей разработки очень широк».

Работа проводилась при поддержке СПбГУ (проект № 116653661) с использованием технологий нескольких ресурсных центров Научного парка университета.

Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ

Фото на превью: предоставлено Дмитрием Ткаченко / СПбГУ. 

Фото на странице: Ксения Мешина / СПбГУ, личный архив Александры Пулялиной. 

Фото на стоп-кадре видео: из личного архива Александры Пулялиной.