Химики СПбГУ создали безопасные для природы мембраны из «костного» минерала

Первый автор статьи, основной исполнитель исследования, студентка‑химик первого курса магистратуры СПбГУ Ксения Мешина. Фото предоставлено Дмитрием Ткаченко

Ученые Санкт‑Петербургского государственного университета предложили заменить неэкологичные добавки на гидроксиапатит — вещество, из которого состоят человеческие зубы и кости. Оно безопасно для окружающей среды и по своей природе безвредно для живых организмов. Но для реализации этой задумки необходимо создать условия для того, чтобы нанопорошок гидроксиапатита сформировал поры нужного размера.

Оказывается, маленькие частицы гидроксиапатита можно вынудить срастаться друг с другом — как детали конструктора, но это происходит хаотично. Химики СПбГУ разработали метод, который позволяет контролировать этот процесс, заставляя частицы соединяться так, как это необходимо. В раствор добавляются ионы, например, калия или аммония, которые закрывают некоторые грани наночастиц и не дают им соединяться. В результате частицы выстраиваются желаемым образом и получаются наностержни нужной длины и толщины.

«Эти сверхтонкие пленки используются для фильтрации, то есть отделения полезных элементов от вредных. Применяемые сегодня изделия часто засоряются, а химические вещества, которые добавляют для создания пор, пропускающих молекулы, могут быть вредны для окружающей среды. В процессе производства эти токсичные реагенты попадают в сточные воды, а после утилизации самих фильтрующих материалов — в почву, где накапливаются и нарушают природный баланс», — сказала доцент кафедры химической кинетики и термодинамики СПбГУ Александра Пулялина.

Как пояснила студентка‑химик первого курса магистратуры СПбГУ Ксения Мешина, полученные таким образом материалы исследователи смешали с полимером и сделали из этой массы пленки толщиной всего 50−100 микрометров — тоньше, чем человеческий волос. Эти новые перегородки проверили при очистке раствора бычьего сывороточного альбумина — модельного белка, который часто применяют в лабораториях, чтобы имитировать очистку молочной сыворотки или лекарств.

Созданные образцы задерживали более 99,9% белка, пропуская при этом жидкость в пять раз быстрее, чем пленки, полученные с добавлением промышленных порообразователей вместо гидроксиапатита. Получить такой результат удалось благодаря особенностям материала: молекулы белка не просто застревают в отверстиях, но и прилипают к наночастицам гидроксиапатита. Это временное связывание помогает удерживать ценный продукт, снижая потери при фильтрации.

«Обычно ученые и инженеры борются с засорением таких структур. Мы же решили использовать эту особенность себе во благо. В медицине или при производстве детского питания потери белка могут привести к серьезным экономическим издержкам. Наши пленки работают как умное сито, которое не только пропускает ненужные, но и эффективно задерживает полезные молекулы. Причем застрявшие молекулы белка можно потом собрать, очистив фильтр, и использовать, например, для анализа», — сказала руководитель проекта, доцент СПбГУ Ольга Осмоловская.

Вместе с этим технология не требует сложного оборудования и готова к масштабированию.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Microchemical Journal.