Иррегулярность пор и низкая скорость потока – используемые для стерильной фильтрации фильтры с пластмассовыми мембранами не всегда обеспечивают настоящую стерильность. Мембраны из оксида алюминия более надежны – размер нанопор может быть определен в них с большой точностью. Даже самые мелкие вирусы не могут пройти через такую мембрану.

Механически стабилизированная нанопористая
фильтрационная мембрана демонстрирует регулярную
структуру пор и очень плотное и ровное
распределение их размеров. (© Fraunhofer IWM)

Хорошее сохраняется, а плохое отфильтровывается – в этом, по сути, заключается принцип стерильной фильтрации: мембрана фильтра освобождает жидкости от нежелательных частиц и микробов. Ничего крупнее, чем поры, всего несколько десятитысячных долей миллиметра в диаметре, не может пройти через фильтр. Но обычные пластмассовые мембраны, как правило, имеют ограничения: их поры распределены неравномерно и иногда слишком широки – частицы, в конце концов, проскальзывают через них. Такие мембраны практически не могут задерживать вирусы, так как большинство вирусов меньше, чем поры.

Ученые из Института механики материалов Фраунгофера (Fraunhofer Institut fur Werkstoffmechanik – IWM), Германия, создали новое поколение фильтрационных мембран. Они разработали керамические мембраны с унифицированной структурой пор с очень плотным и ровным распределением их размеров.

«По сравнению с керамическими мембранами, которые мы видели раньше, они демонстрируют лучшую механическую стабильность и значительно более высокую скорость потока. Это первые мембраны, способные заменить полимерные», – описывает разработку менеджер проекта IWM Анника Торманн (Annika Thormann).

Новые мембраны гарантируют гораздо более надежную фильтрацию, чем полимерные. Их электронно-микроскопические фотографии доказывают регулярность расположения пор, напоминающего ячейки пчелиных сот, и их идентичность друг другу.

Для производства таких мембран, прежде всего, требуется хорошее сырье.

«Мы используем высокочистый алюминий, который формуем в нужную форму, используя экструзивное оборудование и термомеханическое структурирование», – говорит Торман.

Но как можно создать мельчайшие поры на алюминиевой пластине с такой точностью?

«Здесь за работу принимается химическая реакция». – объясняет она.

Формованный алюминий помещают в ванну с кислотой, где происходит анодное окисление. В процессе электролиза на поверхности алюминия образуется слой оксида толщиной всего в несколько микрон. Мельчайшие поры образуются в алюминии в процессе окисления.

Такие нанопоры имеют форму ячеек пчелиных сот, вертикальны по отношению к поверхности и расположены параллельными друг другу рядами.

«Чтобы сделать размер пор одинаковым, мы должны поддерживать на постоянном уровне напряжение и концентрацию кислоты», – подчеркивает Торманн.

Толщина пористого слоя – а, следовательно, и скорость потока через саму мембрану – также точно определяется продолжительностью процесса оксидации. В конце остается сделать только один шаг – открыть поры. Это достигается химическим травлением для удаления ненужного остаточного алюминия.

В результате получаются фильтрационные мембраны с высоким уровнем пористости и очень точным размером пор. Этот размер можно менять в интервале от 15 до 450 нанометров. При диаметре в 15 нанометров шанса «проскочить» не имеют даже самые мелкие вирусы.

Новые мембраны могут с успехом применяться и в области биотехнологии. Благодаря высокой степени пористости, помимо использования собственно фильтрационных свойств для получения стерильных сред, они также могут оказаться востребованными в тканевой инженерии – выращивании искусственных тканей.