Was wäre, wenn Rettungskräfte einen schwerkranken Patienten, der Sauerstoff benötigt, mit einer einfachen Injektion behandeln könnten, anstatt sich auf eine mechanische Beatmung verlassen zu müssen oder ihn in Eile an eine Herz-Lungen-Bypass-Maschine zu bringen?
Ein neuer Ansatz zum Transport von Gasen unter Verwendung einer Klasse von Materialien, die als poröse Flüssigkeiten bezeichnet werden, stellt einen großen Schritt in Richtung künstlicher Sauerstoffträger dar und demonstriert das immense biomedizinische Potenzial dieser ungewöhnlichen Flüssigkeiten.
In einer Studie, die letzten Monat in veröffentlicht wurde Natur, ein Team von Wissenschaftlern in Harvards Department of Chemistry and Chemical Biology, detailliert einen neuen Ansatz zum Transport von Gasen in wässrigen Umgebungen unter Verwendung poröser Flüssigkeiten. Die Autoren identifizierten und maßschneiderten mehrere poröse Gerüste, die viel höhere Konzentrationen von Gasen speichern können, einschließlich Sauerstoff (O2) und Kohlendioxid (CO2), als normale wässrige Lösungen. Dieser Durchbruch könnte der Schlüssel zur Schaffung injizierbarer Sauerstoffquellen als Überbrückungstherapie bei Herzstillstand, zur Schaffung künstlicher Blutersatzstoffe und zur Überwindung langjähriger Herausforderungen bei der Konservierung von Organen für Transplantationen sein.
„Wir haben erkannt, dass die Verwendung von Flüssigkeiten mit permanenter Mikroporosität viele Vorteile bieten würde, um die Herausforderungen des Gastransports in Wasser und anderen wässrigen Umgebungen anzugehen“, sagte Jarad Mason, Seniorautor der Veröffentlichung und Assistenzprofessor für Chemie und chemische Biologie. „Wir haben Flüssigkeiten entwickelt, die O2 in Dichten transportieren können, die die von Blut übersteigen, was aufregende neue Möglichkeiten für den Transport von Gasen für eine Vielzahl von biomedizinischen und Energieanwendungen eröffnet.“
Flüssigkeiten mit permanenter Mikroporosität sind eine neue Klasse von Materialien, die aus mikroskopisch kleinen porösen Partikeln bestehen, die in einem flüssigen Medium dispergiert sind. Stellen Sie sich winzige, recycelbare, schwammartige Teile vor, die Gase in ihren Löchern aufsaugen und freisetzen können. Bisher bestanden alle porösen Flüssigkeiten aus mikroporösen Nanokristallen oder organischen Käfigmolekülen, die in organischen Lösungsmitteln oder ionischen Flüssigkeiten dispergiert sind, die zu groß sind, um durch die Poreneingänge zu diffundieren. Die Forscher entwickelten eine neue Strategie zur Herstellung wässriger poröser Flüssigkeiten – als „mikroporöses Wasser“ bezeichnet – mit hohen Gaskapazitäten basierend auf Thermodynamik.
Die Arbeit wurde von Mitgliedern des Mason-Labors geleitet, darunter die Doktoranden Daniel P. Erdosy, Malia Wenny, Joy Cho, Miranda V. Walter, der Postdoktorand Christopher DelRe und der Student Ricardo Sanchez. Computersimulationen und biologische Experimente wurden auch in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern des Boston Children’s Hospital und der Northwestern University durchgeführt, darunter Felipe Jiminez-Angeles, Baofu Oiao und Monica Olvera de la Cruz.
Wasser ist ein polares Molekül, was es zu einem großartigen Lösungsmittel für andere polare Moleküle wie Ethanol und Zucker macht, aber es ist viel schlechter darin, unpolare Moleküle wie O2-Gas aufzulösen. Daher kann reines Wasser 30-mal weniger Sauerstoff transportieren als rote Blutkörperchen. Die extrem geringe Löslichkeit von Gasen in Wasser hat vielen biomedizinischen und energiebezogenen Technologien, die den Transport von Gasmolekülen durch wässrige Flüssigkeiten erfordern, eine harte Grenze auferlegt. Dieser neue Mechanismus für den Gastransport überwindet die geringe Löslichkeit von Gasen in Wasser und ermöglicht einen schnellen Gastransport.
Inspiriert von Poren in bestimmten Proteinen, die für Wassermoleküle zugänglich sind, aber in wässrigen Lösungen insgesamt trocken bleiben, schlug das Team vor, dass mikroporöse Nanokristalle mit hydrophoben Innenflächen und hydrophilen Außenflächen so gestaltet werden könnten, dass das mikroporöse Gerüst in Wasser dauerhaft trocken und für die Absorption verfügbar bleibt Gasmoleküle.
„Wir mussten zwei scheinbar widersprüchliche Eigenschaften in Einklang bringen“, sagte Erdösy. „Wir haben die innere Oberfläche hydrophob und wasserabweisend und die äußere Oberfläche hydrophil und wasserliebend gestaltet, weil sich sonst die Flüssigkeit wie Öl und Wasser in Phasen trennen würde.“
Das Team synthetisierte die Materialien in ihrem Labor und testete ihre Fähigkeit, Gase zu absorbieren und freizusetzen. Sie fanden heraus, dass mikroporöses Wasser extrem hohe Gasdichten reversibel durch wasserbasierte Umgebungen transportieren kann. Mit dieser Strategie entwickelte das Team eine poröse Flüssigkeit, die eine höhere O2-Dichte tragen kann, als sie sogar im reinen Gas vorhanden ist. Diese wässrigen porösen Flüssigkeiten weisen eine bemerkenswerte Lagerstabilität auf, wodurch sie vor der Verwendung monatelang bei Raumtemperatur gelagert werden können.
„Mit etwas mehr Entwicklung könnte man sich vorstellen, Sauerstoff in einer mikroporösen Flüssigkeit in einem Krankenwagen zu speichern, um ihn einer Person jederzeit injizieren zu können“, sagte Wenny.
Das Labor plant, weitere Experimente mit mikroporösem Wasser durchzuführen, um seine biomedizinischen Anwendungen zu testen und gleichzeitig andere potenzielle Verwendungen für die Materialien zu erforschen.
„Wir wollen mehr Materialien und Tiermodelle entwickeln, um einen Sauerstoffträger in vivo herzustellen und zu testen“, sagte Erdosy. „Wir haben auch ein stärker auf Energie ausgerichtetes Projekt geplant, bei dem mikroporöses Wasser verwendet wird, um die Herausforderungen des Gastransports in der Elektrokatalyse anzugehen.“
Daniel P. Erdosy et al, Mikroporöses Wasser mit hohen Gaslöslichkeiten, Natur (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-05029-w
Zur Verfügung gestellt von der Harvard Gazette
Diese Geschichte wird mit freundlicher Genehmigung von veröffentlicht Harvard Gazette, die offizielle Zeitung der Harvard University. Weitere Universitätsnachrichten finden Sie unter Harvard.edu.