Utforme en måte å gjøre oksygen injiserbar

Hva om akuttmedisinsk personell kunne behandle en desperat syk pasient som trenger oksygen med en enkel injeksjon i stedet for å måtte stole på mekanisk ventilasjon eller skynde seg å få dem inn på en hjerte-lunge-bypass-maskin?

En ny tilnærming til transport gasser bruk av en klasse materialer kalt porøse væsker representerer et stort skritt mot kunstige oksygenbærere og demonstrerer det enorme biomedisinske potensialet til disse uvanlige væskene.

I en studie publisert forrige måned i Naturet team av forskere ved Harvards avdeling for kjemi og kjemisk biologi beskriver en ny tilnærming til transport av gasser i vannholdige miljøer ved bruk av porøse væsker. Forfatterne identifiserte og skreddersydde flere porøse rammeverk som kan lagre mye høyere konsentrasjoner av gasser, inkludert oksygen (O₂) og karbondioksid (CO₂), enn normale vandige løsninger. Dette gjennombruddet kan inneholde nøkkelen til å skape injiserbare oksygenkilder som en broterapi for hjertestans, skape kunstige bloderstatninger og overvinne langvarige utfordringer med å bevare organer for transplantasjoner.

“Vi innså at det ville være mange fordeler ved å bruke væsker med permanent mikroporøsitet for å møte gasstransportutfordringer i vann og andre vannholdige miljøer,” sa Jarad Mason, avisens seniorforfatter og assisterende professor i kjemi og kjemisk biologi. “Vi har designet væsker som kan transportere O₂ med tettheter som overstiger blodets, noe som åpner for spennende nye muligheter for transport av gasser for en rekke biomedisinske og energiapplikasjoner.”

Væsker med permanent mikroporøsitet er en ny klasse materialer som er sammensatt av mikroskopiske porøse partikler dispergert i et flytende medium. Se for deg bittesmå, resirkulerbare, svamplignende biter som er i stand til å suge opp gasser i hullene og frigjøre dem. Til nå har alle porøse væsker bestått av mikroporøse nanokrystaller eller organiske burmolekyler spredt i organiske løsemidler eller ioniske væsker som er for store til å diffundere gjennom poreinngangene. Forskerne utviklet en ny strategi for å lage vandige porøse væsker – kalt “mikroporøst vann” – med høy gasskapasitet basert på termodynamikk.

Arbeidet ble ledet av medlemmer av Masons laboratorium, inkludert doktorgradsstudenter Daniel P. Erdosy, Malia Wenny, Joy Cho, Miranda V. Walter, postdoktor Christopher DelRe og undergraduate Ricardo Sanchez. Beregningssimuleringer og biologiske eksperimenter ble også utført i samarbeid med forskere ved Boston Children’s Hospital og Northwestern University, inkludert Felipe Jiminez-Angeles, Baofu Oiao og Monica Olvera de la Cruz.

Vann er et polart molekyl, noe som gjør det til et flott løsningsmiddel for andre polare molekyler som etanol og sukker, men det er mye dårligere til å løse opp ikke-polare molekyler som O₂ gass. Som sådan kan rent vann bære 30 ganger mindre oksygen enn røde blodlegemer. Den ekstremt lave løseligheten til gasser i vann har satt en hard grense for mange biomedisinske og energirelaterte teknologier som krever transport av gassmolekyler gjennom vandige væsker. Denne nye mekanismen for gasstransport overvinner den lave løseligheten til gasser i vann og muliggjør rask gasstransport.

Inspirert av porer i visse proteiner som er tilgjengelige for vannmolekyler, men som generelt forblir tørre i vandige løsninger, foreslo teamet at mikroporøse nanokrystaller med hydrofobe indre overflater og hydrofile ytre overflater kunne utformes for å la det mikroporøse rammeverket være permanent tørt i vann og tilgjengelig for å absorbere gassmolekyler.

“Vi måtte forene to tilsynelatende motstridende egenskaper,” sa Erdosy. “Vi designet den indre overflaten til å være hydrofob og vannavvisende, og den ytre overflaten til å være hydrofil og vannelskende, fordi ellers ville væsken faseseparere som olje og vann.”

Teamet syntetiserte materialene i laboratoriet deres og testet deres evne til å absorbere og frigjøre gasser. De fant at mikroporøst vann reversibelt kan transportere ekstremt høye tettheter av gasser gjennom vannbaserte miljøer. Ved å bruke denne strategien utviklet teamet en porøs væske som kan bære en høyere tetthet av O₂ enn det som til og med er tilstede i den rene gassen. Disse vandige porøse væskene viser bemerkelsesverdig lagringsstabilitet, slik at de kan oppbevares ved romtemperatur i måneder før bruk.

“Med litt mer utvikling kan du tenke deg å lagre oksygen i en mikroporøs væske på en ambulanse for å ha den klar til å injisere i en person når det trengs,” sa Wenny.

Laboratoriet planlegger å utføre flere eksperimenter på mikroporøst vann for å teste dets biomedisinske anvendelser, mens de fortsetter å utforske andre potensielle bruksområder for materialene.

“Vi ønsker å utvikle flere materialer og dyremodeller for å lage og teste en oksygenbærer in vivo,” sa Erdosy. “Vi har også planlagt et mer energifokusert prosjekt om bruk av mikroporøst vann for å møte gasstransportutfordringer i elektrokatalyse.”

---

---

Denne historien er publisert med tillatelse av Harvard Gazette, Harvard Universitys offisielle avis. For flere universitetsnyheter, besøk Harvard.edu.