《Science》:海水淡化OR人造器官

中國的研究人員開發出了一種過濾器,將鹽從水中去除的速度是傳統過濾器的三倍。該膜具有獨特的管狀納米結構,受啟發于電碼譯員Alan Turing的數學生物學工作。研究人員說,這個過濾器是迄今為止最精細的數學家的“圖靈結構”的例子,也是他們的第一個實際應用。這些3D結構非常特別,過濾器的直徑只有幾十納米的管狀絲束不可能通過其他方法生產,如3D打印。該成果于5月在《Science》上發表。

 

英國數學家Alan Turing以其在二戰期間為英國政府所做的密碼破譯而聞名,他是計算機科學和人工智能之父。1952年,在他去世前兩年,他還在當時新興的數學生物學領域產生了一項開創性的工作。其中,他提出了一個數學模型,該模型是胚胎細胞開始形成四肢、骨骼和器官的過程。在這個過程中,兩種物質不斷地相互反應,但是以不同的速率通過它們的容器擴散??焖贁U散的反應物被稱為抑制劑,它會對較慢的一種叫做激活劑的物質進行反擊,將產生的產物有效地集結變成斑點或條紋的圖案。(這個術語是由生物學家Hans Meinhardt和Alfred Gierer創造的,他們在1972年獨立制定了等效理論。)

 

Stephen Kettle的石板雕塑

(Alan Turing,在Stephen Kettle的石板雕塑中,被稱為計算機科學家和密碼破解者,但他也涉足數學生物學。)

 

這樣一個過程是否真的發生在細胞水平上一直在激烈的爭論中。但是這種反應擴散行為已經被用來解釋自然界和社會中的模式,包括斑馬條紋,沙波紋和金融市場的運動。然而到目前為止,在實驗室中合成這種結構的嘗試主要限于2D模式。

 

中國浙江大學化學工程與生物工程學院張林教授領導的一個研究小組著手用聚酰胺(一種類似于尼龍的材料)制成3D 圖靈結構,該材料由化學品哌嗪和均苯三甲酰氯反應而成。在常規方法中,均苯三甲酰氯的擴散速度比哌嗪快,但差異不足以產生圖靈結構。張林教授團隊的訣竅是將聚乙烯醇添加到哌嗪中,進一步降低其擴散速率并使其作為均苯三甲酰氯抑制劑的活化劑。其結果是一個粗糙的多孔網狀結構,其納米結構類似于電子顯微鏡下可見的圖靈圖案。該團隊能夠生成顯示為點狀和管狀的變體——圖靈模型預測的兩種自組織結構。

 

圖靈型膜

(在掃描電子顯微鏡下觀察到的點狀和管狀結構的圖靈型膜。)

 

張林教授說,研究人員興高采烈地生產圖靈結構。但是當他們發現他們的膜能夠作為有效的水過濾器,甚至在某些方面超過傳統的尼龍類過濾器時,他們更加驚訝。與傳統的過濾器相比,過濾器的管狀結構使其具有更大的表面積,從而增加了通過膜的水流量。這是對傳統膜結構的改進,類似于一系列的山脊和山谷。

 

在研究小組進行的測試中,一次通過管狀圖靈過濾器將鹽溶液的鹽含量減少了一半。它還過濾掉了其他鹽類:含量超過90%氯化鎂和超過99%硫酸鎂或瀉鹽。1平方米的濾水器每小時可以處理125升的水,而且是在相對較低的壓力下,壓力大約是大氣壓的5倍。這比典型的商業過濾器快了三倍。圖靈過濾器可用于凈化咸水和工業廢水。

 

水過濾器

 

張林教授團隊的重大發明為水過濾器研究的推動奠定了基礎。但是,仍有一些困難需要克服。有科學家認為,雖然這種膜能有效去除一些雜質,但消除食鹽的效果相對較低,可能會使海水淡化不切實際。研究團隊同樣指出,可以用于海水淡化廠的海水預處理,通過常規方法如反滲透去除食鹽。也有科學家認為,如果這項技術可以推廣,這種管狀結構也可以用于再生醫學。例如,生產人造靜脈或骨骼。因為一旦你知道如何制造腎小管,也許你可以把這些東西安排到更高級的結構中,甚至可能是器官。這將對人類醫學的發展產生更加深遠的影響。

 

 

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