Biomimetic membranes for sensor and separation applications

این کتاب به احتمالات و چالش‌های تقلید از غشاهای بیولوژیکی و ایجاد حسگرها و دستگاه‌های جداسازی مبتنی بر غشاء می‌پردازد. پیشرفت‌های اخیر در توسعه غشاهای بیومیمتیک برای کاربردهای تکنولوژیکی با تمرکز بر استفاده از انتقال پروتئین غشایی یکپارچه برای سنجش و جداسازی ارائه خواهد شد. این مبانی سنجش زیستی و همچنین جداسازی را تشریح می‌کند و نشان می‌دهد که چگونه این دو فرآیند به روشی مشترک در سیستم‌های بیولوژیکی کار می‌کنند. بیومیمتیک یک رویکرد واقعاً بین رشته‌ای است و این با استفاده از فرآیند اسمز رو به جلو به عنوان مثالی ارائه می‌شود که چگونه پیشرفت‌ها در فناوری غشاء ممکن است مستقیماً با افزایش درک انتقال غشاء بیولوژیکی تحریک شود. در توسعه فن آوری حسگر/جداسازی بیومیمتیک، هم کانال ها (کانال های یونی و آب) و هم حامل ها (حمل کننده ها) مهم هستند. یک حسگر/دستگاه جداسازی ایده آل نیاز دارد که ماتریس بیومیمتیک پشتیبان عملاً نسبت به هر چیزی غیر از املاح مورد نظر غیر قابل نفوذ باشد. با این حال، در عمل، یک ماتریس پشتیبانی بیومیمتیک معمولاً دارای نفوذپذیری محدودی نسبت به آب، الکترولیت ها و غیرالکترولیت ها خواهد بود. این مشارکت‌های انتقال غشاء با واسطه غیر پروتئینی ارائه خواهد شد و مفاهیم ساخت دستگاه بیومیمتیک مورد بحث قرار خواهند گرفت. پیشرفت‌های جدید در درک ما از جفت شدن متقابل بین خواص مواد ماتریس بیومیمتیک و پروتئین‌های تعبیه‌شده ارائه خواهد شد و استراتژی‌هایی برای القای پایداری ماتریس بیومیمتیک مورد بحث قرار خواهد گرفت.
هنگامی که در ماتریس بیومیمتیک میزبان نهایی خود بازسازی شد، پایداری پروتئین نیز باید حفظ و کنترل شود. پروتئین‌های بشکه‌ای بتا که به‌وسیله کانال‌های غشای بیرونی E. Coli یا پپتیدهای کوچک نمونه‌سازی شده‌اند، ذاتاً پایدارتر از پروتئین‌های بسته‌بندی آلفا-مارپیچ هستند که ممکن است به تغییرات تثبیت‌کننده اضافی نیاز داشته باشند. چالش‌های مرتبط با وارد کردن و تثبیت پروتئین‌های بسته‌بندی آلفا-مارپیچ شامل بسیاری از حامل‌ها و لیگاندها و کانال‌های یونی دردار ولتاژی (و آب) با استفاده از پروتئین آکواپورین مورد بحث و بررسی قرار خواهند گرفت. بسیاری از کاربردهای غشای بیومیمتیکی نیاز دارند که دستگاه نهایی را بتوان در قلمرو ماکروسکوپی استفاده کرد. بنابراین یک دستگاه جداسازی بیومیمتیک باید توانایی پردازش صدها لیتر تراوا را در ساعت داشته باشد - غشاهایی به اندازه متر مربع به طور موثری نیاز دارند. مقیاس پذیری یک موضوع کلی برای همه پیشرفت های فناوری الهام گرفته از نانو است و در اینجا در ساخت آرایه غشایی بیومیمتیک زمینه مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در نهایت یک دستگاه بیومیمتیک کار قوی مبتنی بر حمل و نقل غشایی باید محصور شده و محافظت شود و در عین حال امکان حمل و نقل عظیم از طریق مواد کپسوله را فراهم کند. این چالش با استفاده از استراتژی‌های طراحی میکروسیال به عنوان نمونه‌هایی از نحوه استفاده از سیستم‌های میکروسیال برای ایجاد و محصور کردن غشاهای بیومیمتیک مورد بحث قرار خواهد گرفت. این کتاب یک نمای کلی از آنچه در این زمینه شناخته شده است، که در آن تحقیقات بیشتری مورد نیاز است و به کجا می رود، ارائه می دهد.

This book addresses the possibilities and challenges in mimicking biological membranes and creating membrane-based sensor and separation devices. Recent advances in developing biomimetic membranes for technological applications will be presented with focus on the use of integral membrane protein mediated transport for sensing and separation. It describes the fundamentals of biosensing as well as separation and shows how the two processes are working in a cooperative manner in biological systems. Biomimetics is a truly cross-disciplinary approach and this is exemplified using the process of forward osmosis will be presented as an illustration of how advances in membrane technology may be directly stimulated by an increased understanding of biological membrane transport. In the development of a biomimetic sensor/separation technology, both channels (ion and water channels) and carriers (transporters) are important. An ideal sensor/separation device requires the supporting biomimetic matrix to be virtually impermeable to anything but the solute in question. In practice, however, a biomimetic support matrix will generally have finite permeabilities to water, electrolytes, and non-electrolytes. These non-protein mediated membrane transport contributions will be presented and the implications for biomimetic device construction will be discussed. New developments in our understanding of the reciprocal coupling between the material properties of the biomimetic matrix and the embedded proteins will be presented and strategies for inducing biomimetic matrix stability will be discussed.
Once reconstituted in its final host biomimetic matrix the protein stability also needs to be maintained and controlled. Beta-barrel proteins exemplified by the E. Coli outer membrane channels or small peptides are inherently more stable than alpha-helical bundle proteins which may require additional stabilizing modifications. The challenges associated with insertion and stabilization of alpha-helical bundle proteins including many carriers and ligand and voltage gated ion (and water) channels will be discussed and exemplified using the aquaporin protein. Many biomimetic membrane applications require that the final device can be used in the macroscopic realm. Thus a biomimetic separation device must have the ability to process hundred of liters of permeate in hours – effectively demanding square-meter size membranes. Scalability is a general issue for all nano-inspired technology developments and will be addressed here in the context biomimetic membrane array fabrication. Finally a robust working biomimetic device based on membrane transport must be encapsulated and protected yet allowing massive transport though the encapsulation material. This challenge will be discussed using microfluidic design strategies as examples of how to use microfluidic systems to create and encapsulate biomimetic membranes. The book provides an overview of what is known in the field, where additional research is needed, and where the field is heading.