《雅努斯膜:已成为具有潜在工业用途的新材料》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2018-07-23
  • 在较高的曝光剂量、更大的放大倍数下,可以观察到更快成核和伴随保形生长的一般趋势。该电子显微镜图像是由芝加哥大学的Carl Zeiss Merlin SEM所拍摄。 雅努斯膜取名来源于神话中拥有两张面孔的神——雅努斯。它是一种双面膜,作为两种物质之间的“守门人”,现已成为具有潜在工业用途的材料。然而,在这些脆弱表面上创造两个截然不同的“面孔”却是一个充满挑战的过程。 来自美国能源部阿贡国家实验室的研究人员,以一种不同寻常的方式利用了一种常见的高科技制造技术。他们发现了一种新方法——可利用化学方法沉积第二张面孔,从而产生比以前更为坚固、结构更为精确的雅努斯膜。最近发表于“Advanced Materials Interfaces”(先进材料界面)的一篇文章中介绍,该专利申请技术有助于优化或实现一系列的工业制造工艺,比如从处理废水到制造生物燃料等复杂工艺。 根据阿贡实验室Seth Darling的说法,雅努斯也是罗马的通道之神。这使得“通道之神”这个名字更适用于那些标记物质边界的薄膜,例如,将气泡输送到液体中或者分离油和水的薄膜。Darling是阿贡实验室纳米材料中心的一名科学家,也是该实验室分子工程研究所(IME)的主任。IME是芝加哥大学分子工程研究所驻阿贡国家实验室的合作伙伴。

    根据Darling的说法,关于雅努斯膜的研究是阿贡国家实验室为向社会推进“新型水循环”更多努力的一部分。其中,水在被释放回环境之前将被尽可能多地处理和再利用。Darling指出,有一整套材料可用于制造新的雅努斯膜,每种材料都有不同的特性,可为无数新应用提供帮助。 一般来说,乳状液膜在膜的一边进行化学处理,而不是在另一边进行化学处理。这使膜具有两面性。但在涂层稳定性和穿透深度上,利用目前的方法来控制涂层的添加是十分困难的。 阿贡实验室的研究人员转向了原子层沉积技术(ALD),一种常用于微电子学和半导体制造的技术。他们试图利用该技术改进这一工艺。利用ALD技术,他们在防水的聚丙烯膜上沉积了一层具有吸水性的氧化铝层,形成了一种稳定的双面膜,例如可用于水的小气泡曝气。 通常,ALD的作用是将物体完全均匀地包裹起来,而不是将其部分包裹起来,这也是使用雅努斯膜的目的。 Darling说:“这一策略不起作用。我们采用的方法是使用一种微孔薄膜。” 这些微小的气孔会将形成第一层氧化铝的蒸汽封闭起来,然后才有机会完全穿透薄膜。通过改变氧化铝应用的持续时间和压力,研究小组能够在膜的一侧制造出一种强粘结涂层,其控制能力比其他任何技术都强。 使雅努斯膜具有这种精度和稳定性的能力可在各种工业过程中引入新的效率水平。例如,在废水处理厂,使用曝气来帮助分解污染物,优化鼓泡过程可以减少能源消耗。经改进后的雅努斯膜还可以加速油-水混合物的乳化或破乳,这在各种制造工艺中都很重要。阿贡国家实验室正在投资开发先进的制造技术,例如具有先进性能的材料和更为节能的制造工艺。 这项技术最初似乎是由芝加哥大学分子工程学院的研究生Ruben Waldman所做的一项不成功的实验。Darling正在为Waldma的博士学位出谋划策。 Waldman正在调查ALD是如何影响雅努斯膜的。同时,他注意到:氧化铝并没有完全覆盖膜的底部。在咨询了雅努斯膜方面的专家Hao-Cheng Yang和与 Darling在CNM工作的博士后之后,Waldman决定看看这种单侧沉积能否得到优化,以实现雅努斯膜所需的部分分层。

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    • 编译者:yanyf@mail.las.ac.cn
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    • 2019年8月26日讯/生物谷BIOON/---CRISPR-Cas系统已成为科学家们在不断增加的有机体中研究基因的首选工具,并且正被用于开发潜在地校正基因组中单个核苷酸位点上的缺陷的新型基因疗法。它也被用于正在进行的诊断方法中,用于检测患者体内的病原体和致病突变。 如今,在一项新的研究中,来自美国哈佛大学威斯生物启发工程研究所和麻省理工学院的研究人员展示了将CRISPR用作新型刺激反应性“智能(smart)”材料的控制元件。一旦被特定的天然的或用户定义的DNA刺激物激活,一种CRISPR-Cas酶就能够让多种智能材料释放出自身结合的货物,比如染料和活性酶,改变它们的结构来部署包埋的纳米颗粒和活细胞,或者调节电路从而将生物信号转化为电信号。相关研究结果发表在2019年8月23日的Science期刊上,论文标题为“Programmable CRISPR-responsive smart materials”。 论文通讯作者、哈佛大学威斯生物启发工程研究所创始核心学院成员James Collins博士说,“我们的研究表明CRISPR的力量可以在实验室之外用于控制DNA反应性材料的行为。我们开发了一系列具有不同能力的材料,这就突显了可编程的CRISPR反应性智能材料(CRISPR-responsive smart material)所支持的应用范围。这些应用包括新型治疗诊断策略、即时诊断以及对流行病爆发和环境危害进行的区域监测。” CRISPR-Cas系统因其能够利用短的互补性向导RNA(gRNA)在基因组中找到几乎任何靶序列并且能够以手术精确度切割和修复DNA双链而获得了巨大的声誉。在这项新的研究中,这些研究人员使用了一种来自毛螺菌(Lachnospiraceae)的称为Cas12a的Cas酶变体,这种酶变体具有识别和切割特定DNA序列的能力,但是,重要的是,经这种切割事件激活后,它接着以每秒大约1250次的周转速率非特异性地切割特定DNA序列附近的单链DNA。 论文共同第一作者、麻省理工学院研究生Max English说,“我们将单链靶DNA序列整合到聚合物材料中,要么作为悬垂货物的锚点,要么作为维持材料基本完整性的结构元件,并且能够通过提供Cas12a和一种作为刺激物的特定gRNA来控制不同的材料行为。” CRISPR反应性材料用于小型货物递送 这些研究人员通过双链DNA锚定序列将不同的有效载荷附着到一种所谓的聚(乙二醇)水凝胶材料上。论文共同第一作者、Collins团队博士后研究员Helena de Puig博士说,“在互补的gRNA存在下,附近的Cas12a酶靶向这些锚定序列,随后让它们遭受降解。因此,我们可以释放有效负载,比如荧光分子和酶,这种释放速率取决于gRNA/靶DNA的相对亲和力,以及硬编码到水凝胶中的特性,比如它们的孔径和与水凝胶材料交联在一起的靶向锚定序列的密度。”他们认为,这种方法可用于开发具有诊断能力的材料,也可用于环境监测。 刺激后释放包埋的纳米颗粒和细胞 这些研究人员在在更大的范围内研究了他们的方法,以促使包埋纳米颗粒和活细胞的聚丙烯酰胺(polyacrylamide, PA)水凝胶发生结构变化。论文共同第一作者、Collins团队的研究生Raphael Gayet说,“在这项新的研究中,我们利用Cas12a靶序列将PA链彼此交联在一起,从而起到结构元件的作用。通过触发Cas12a活性移除交联剂可促进整个水凝胶基质发生机械变化,从而允许金纳米颗粒和人原代细胞释放出来。论文共同第一作者、Collins团队的研究生Raphael Gayet说,“这种方法可用于将细胞释放到组织支架中。” 生物材料作为保险丝和可控阀 在另一种不同的方向上,Collins和他的团队设计了CRISPR反应性智能材料,可以作为保险丝和调节流体通过的可控阀。这些研究人员利用炭黑(一种良好的电导体)和随机单链DNA片段制成的纳米颗粒混合物覆盖电极,并用含有Cas12a和特定双链靶DNA的溶液包围这些电极。论文共同作者、Collins 团队成员Nicolaas Angenent-Mari 说,“这种材料本身就能够让电流在电极之间流动。然而,当我们触发Cas12a依赖性的嵌入DNA降解时,这种材料受到破坏,从而导致电流中断。” 在纸基微流体装置中,这些研究人员组装了一叠折叠的微型垫,每个微型垫都具有特定的功能。在Cas12a特异性双链DNA触发剂不存在或存在的情况下,他们让与DNA交联在一起的PA水凝胶与Cas12a发生预反应,并用它覆盖中间垫。然而,这种水凝胶仅在没有Cas12a触发的DNA的情况下形成,并且当添加到中间垫上时,这会堵塞它的孔。这接着阻断了携带电解质的缓冲液从这叠微型垫的顶部流动到电极所在的底部。 相反之下,Cas12a触发的DNA的存在阻止了这种水凝胶发生的交联,从而使得这种缓冲液流动并在电极上产生电流,因而基本上发挥着电阻器的作用。论文共同第一作者Luis Soenksen说,“通过这种方法,我们将对应于埃博拉病毒特异性RNA的DNA检测与电信号相结合在一起,甚至可以利用偶联RFID天线实时传输信号。” 哈佛大学威斯生物启发工程研究所创始主任Donald Ingber博士说,“Collins及其团队在威斯生物启发工程研究所的活细胞平台上开展的这项突破性研究展示了CRISPR技术在全新领域(从诊断、治疗到生物电子学)的价值,这标志着这种生物启发技术为生物医学发展带来的又一个鼓舞人心的转折点。”