Approaching Ideal Selectivity with Bioinspired and Biomimetic Membranes
Source abstract
Abstract
The applications of polymeric membranes have grown rapidly compared to traditional separation technologies due to their energy efficiency and smaller footprint. However, their potential is not fully realized due, in part, to their heterogeneity, which results in a "permeability-selectivity" trade-off for most membrane applications. Inspired by the intricate architecture and excellent homogeneity of biological membranes, bioinspired and biomimetic membranes (BBMs) aim to emulate biological membranes for practical applications. This Review highlights the potential of BBMs to overcome the limitations of polymeric membranes by utilizing the "division of labor" between well-defined permeable pores and impermeable matrix molecules seen in biological membranes. We explore the exceptional performance of membranes in biological organisms, focusing on their two major components: membrane proteins (biological channels) and lipid matrix molecules. We then discuss how these natural materials can be replaced with artificial mimics for enhanced properties and how macro-scale BBMs are developed. We highlight key demonstrations in the field of BBMs that draw upon the factors responsible for transport through biological membranes. Additionally, current state-of-the-art methods for fabrication of BBMs are reviewed with potential challenges and prospects for future applications. Finally, we provide considerations for future research that could enable BBMs to progress toward scale-up and enhanced applicability.
Source: openalex_inverted_index · Quality: baseline
Research context
OpenAlex topics: Nanopore and Nanochannel Transport Studies · Membrane Separation Technologies · Membrane-based Ion Separation Techniques
SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.
Affiliations
McKetta Department of Chemical Engineering
University of Texas at Austin
Department of Civil and Environmental Engineering
Stanford University
Maseeh Department of Civil, Architectural and Environmental Engineering
Institute of Biophysics, Johannes Kepler University Linz, Gruberstraße 40, 4020 Linz, Austria
Funding
Defense Threat Reduction Agency
References (100+)
Show source-provided references
1. 10.1038/532435a10.1038/532435a ↗
2. 10.1080/01496395.2022.214522210.1080/01496395.2022.2145222 ↗
3. 10.1126/science.aab053010.1126/science.aab0530 ↗
4. 10.1016/j.memsci.2010.12.03610.1016/j.memsci.2010.12.036 ↗
5. 10.1021/acs.macromol.7b0171810.1021/acs.macromol.7b01718 ↗
6. 10.1016/j.desal.2011.05.05510.1016/j.desal.2011.05.055 ↗
7. 10.1002/bit.2230810.1002/bit.22308 ↗
8. 10.1016/j.memsci.2007.02.04510.1016/j.memsci.2007.02.045 ↗
9. 10.1126/science.114674410.1126/science.1146744 ↗
10. 10.1002/marc.20210023510.1002/marc.202100235 ↗
11. 10.1021/mz500606h10.1021/mz500606h ↗
12. 10.1016/j.memsci.2004.09.04010.1016/j.memsci.2004.09.040 ↗
13. 10.1016/j.memsci.2008.04.03010.1016/j.memsci.2008.04.030 ↗
14. 10.1016/j.memsci.2010.11.05410.1016/j.memsci.2010.11.054 ↗
15. 10.1016/j.memsci.2020.11896810.1016/j.memsci.2020.118968 ↗
16. 10.1126/science.abb851810.1126/science.abb8518 ↗
17. 10.1016/j.memsci.2020.11896810.1016/j.memsci.2020.118968 ↗
18. 10.1021/acs.langmuir.8b0365510.1021/acs.langmuir.8b03655 ↗
19. 10.1021/acs.macromol.0c0111110.1021/acs.macromol.0c01111 ↗
20. 10.1016/0376-7388(93)85186-Z10.1016/0376-7388(93)85186-Z ↗
21. 10.1021/acsnano.9b0365910.1021/acsnano.9b03659 ↗
22. 10.1016/j.memsci.2013.12.01910.1016/j.memsci.2013.12.019 ↗
23. 10.1002/adbi.20170005310.1002/adbi.201700053 ↗
24. 10.1021/acs.chemrev.8b0056010.1021/acs.chemrev.8b00560 ↗
25. 10.1074/jbc.R10002120010.1074/jbc.R100021200 ↗
26. 10.1038/s41563-019-0577-z10.1038/s41563-019-0577-z ↗
27. 10.1016/j.scitotenv.2020.14177710.1016/j.scitotenv.2020.141777 ↗
28. 10.1016/j.cej.2023.14746810.1016/j.cej.2023.147468 ↗
29. 10.1016/j.memsci.2023.12225310.1016/j.memsci.2023.122253 ↗
30. 10.1016/j.memsci.2023.12181410.1016/j.memsci.2023.121814 ↗
31. 10.1002/adfm.20220019910.1002/adfm.202200199 ↗
32. 10.1016/j.memlet.2023.10004910.1016/j.memlet.2023.100049 ↗
33. 10.1016/j.memsci.2023.12204710.1016/j.memsci.2023.122047 ↗
34. 10.1016/j.memsci.2024.12257810.1016/j.memsci.2024.122578 ↗
35. 10.1039/D1TA06205K10.1039/D1TA06205K ↗
36. 10.1021/acsnano.3c1082710.1021/acsnano.3c10827 ↗
37. 10.1016/j.memsci.2023.12191410.1016/j.memsci.2023.121914 ↗
38. 10.1007/s12274-023-6009-z10.1007/s12274-023-6009-z ↗
39. 10.1038/s41467-023-40742-810.1038/s41467-023-40742-8 ↗
40. 10.1016/j.memsci.2022.12121110.1016/j.memsci.2022.121211 ↗
41. 10.1021/bi00148a00210.1021/bi00148a002 ↗
42. 10.1073/pnas.070876210410.1073/pnas.0708762104 ↗
43. 10.1002/smll.20220205610.1002/smll.202202056 ↗
44. 10.1038/s41565-021-00915-210.1038/s41565-021-00915-2 ↗
45. 10.1002/anie.20230562310.1002/anie.202305623 ↗
46. 10.1021/jacs.6b0181110.1021/jacs.6b01811 ↗
47. 10.1073/pnas.150857511210.1073/pnas.1508575112 ↗
48. 10.1016/j.coche.2019.06.00710.1016/j.coche.2019.06.007 ↗
49. 10.1038/s41565-019-0586-810.1038/s41565-019-0586-8 ↗
50. 10.1016/j.joi.2017.08.00710.1016/j.joi.2017.08.007 ↗
51. 10.1016/S1383-8121(06)80018-710.1016/S1383-8121(06)80018-7 ↗
52. 10.1126/science.777076910.1126/science.7770769 ↗
53. 10.1126/science.175.4023.72010.1126/science.175.4023.720 ↗
54. Cooper G. M. · 202210.1093/hesc/9780197583746.001.0001 ↗
55. 10.1016/j.ceb.2009.04.00210.1016/j.ceb.2009.04.002 ↗
56. 10.1038/s41589-020-0529-610.1038/s41589-020-0529-6 ↗
57. 10.1038/nrm.2017.1610.1038/nrm.2017.16 ↗
58. 10.1007/BF0077024510.1007/BF00770245 ↗
59. 10.1128/mr.49.1.1-32.198510.1128/mr.49.1.1-32.1985 ↗
60. 10.1016/j.bpj.2010.08.03310.1016/j.bpj.2010.08.033 ↗
61. 10.1086/physzool.23.3.3015207510.1086/physzool.23.3.30152075 ↗
62. Hille B. · 2001
63. 10.1186/s12915-020-00936-810.1186/s12915-020-00936-8 ↗
64. 10.1002/9781118522318.emst05110.1002/9781118522318.emst051 ↗
65. 10.1016/j.sbi.2006.06.00910.1016/j.sbi.2006.06.009 ↗
66. 10.1105/tpc.10.3.45110.1105/tpc.10.3.451 ↗
67. 10.1006/jmbi.1998.235910.1006/jmbi.1998.2359 ↗
68. 10.1126/science.280.5360.6910.1126/science.280.5360.69 ↗
69. 10.3389/fphar.2014.0020710.3389/fphar.2014.00207 ↗
70. Lodish H. F. · 2008
71. 10.1016/S0021-9258(17)43123-110.1016/S0021-9258(17)43123-1 ↗
72. 10.1038/nrm.2017.13810.1038/nrm.2017.138 ↗
73. 10.1016/0968-0004(85)90021-010.1016/0968-0004(85)90021-0 ↗
74. Israelachvili J. N. · 2011
75. 10.1101/cshperspect.a00474710.1101/cshperspect.a004747 ↗
76. 10.1016/j.bbamem.2007.06.02410.1016/j.bbamem.2007.06.024 ↗
77. 10.1016/S0006-3495(89)82877-210.1016/S0006-3495(89)82877-2 ↗
78. 10.1016/0005-2736(80)90469-110.1016/0005-2736(80)90469-1 ↗
79. 10.1007/s00216-009-2960-010.1007/s00216-009-2960-0 ↗
80. 10.1038/216717a010.1038/216717a0 ↗
81. 10.1085/jgp.27.1.3710.1085/jgp.27.1.37 ↗
82. 10.1016/0376-7388(95)00102-I10.1016/0376-7388(95)00102-I ↗
83. 10.1002/cphc.20090027010.1002/cphc.200900270 ↗
84. Freedman J. C. · 2012 · 6110.1016/B978-0-12-387738-3.00004-4 ↗
85. 10.1126/science.256.5055.38510.1126/science.256.5055.385 ↗
86. 10.1007/s00232-015-9784-y10.1007/s00232-015-9784-y ↗
87. 10.1016/0304-4165(74)90204-910.1016/0304-4165(74)90204-9 ↗
88. 10.1085/jgp.106.1.6710.1085/jgp.106.1.67 ↗
89. 10.1016/0005-2736(78)90106-210.1016/0005-2736(78)90106-2 ↗
90. 10.1016/S0006-3495(97)78118-910.1016/S0006-3495(97)78118-9 ↗
91. 10.1016/S0006-3495(00)76294-110.1016/S0006-3495(00)76294-1 ↗
92. 10.1152/physrev.1980.60.2.51010.1152/physrev.1980.60.2.510 ↗
93. 10.1016/S0006-3495(95)80275-410.1016/S0006-3495(95)80275-4 ↗
94. 10.1039/D0NA00427H10.1039/D0NA00427H ↗
95. 10.1126/sciadv.140008310.1126/sciadv.1400083 ↗
96. 10.1073/pnas.130471411010.1073/pnas.1304714110 ↗
97. 10.1073/pnas.030830910110.1073/pnas.0308309101 ↗
98. 10.1074/jbc.M115.70698610.1074/jbc.M115.706986 ↗
99. 10.1126/science.110195210.1126/science.1101952 ↗
100. 10.1038/nature0855810.1038/nature08558 ↗