Computational investigations of bio-compatible metal organic frameworks (bio-MOFs) for adsorption-based uremic toxin separation

Polimer membranlar kronik böbrek hastalarının kanından üremik toksinleri ayırmak için diyaliz makinelerinde şu anda kullanılmaktadır. Fakat polimerik membranlar üre ve kreatinin gibi sadece suda çözünür küçük üremik toksinleri filtreleyebilir ve genellikle üremik toksinleri ayırmada düşük performans (<40 mg/g) göstermektedirler. Membranlara alternatif olarak, üremik toksinleri kandan uzaklaştırmak için adsorpsiyona dayalı ayırma yöntemleri de kullanılabilir. Bu tezde, atomik düzeyde detaylı simülasyonlar gerçekleştirilerek 315 biyolojik-uyumlu metal organik yapının (biyo-MOFların) adsorpsiyona dayalı üremik toksin ayırma performansları belirlenmiştir. Öncelikle hidrofobik biyo-MOFlar tayin edilmiş ve daha sonra 310 K ve 1 bar'da Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) simülasyonları kullanılarak bu hidrofobik biyo-MOFlar içerisinde tutunan üre, kreatinin ve su miktarları hesaplanmıştır. Sonuçlar birkaç biyo-MOF'un kreatinin ve üre alımı açısından zeolitler, aktif karbonlar ve polimerler gibi geleneksel adsorbanlardan daha iyi performans sağladığını göstermiştir. Üre/su, kreatinin/su ve kreatinin/üre ayrımları için adsorpsiyon seçicilikleri hem sonsuz seyreltmede hem de 1 bar, 310 K'de hesaplanmıştır. Çoğu biyo-MOF için üre/su ayrımı için 1 bar'da hesaplanan adsorpsiyon seçiciliği, sonsuz seyreltmede hesaplanan seçicilik değerlerinden çok daha yüksek bulunmuştur. Fakat biyo-MOFların gözenekleri içindeki kreatinin ve üre moleküllerinin etkileşim gücündeki farklılık nedeniyle 1 bar'da kreatinin/su ayrımı için hesaplanan adsorpsiyon seçiciliği sonsuz seyreltmede hesaplanan seçicilik değerlerinden çok daha düşük bulunmuştur. Ayrıca, hesaplama gücü gerektiren GCMC simülasyonları üremik toksinlerin ikili ve üçlü karışımları için gerçekleştirilmiştir ve sonuçlar biyo-MOFların kreatinin alımlarının su ortamında önemli ölçüde değişmediğini göstermiştir çünkü kreatinin, biyo-MOFların gözenekleri içinde güçlü bir şekilde tutulmuştur. Bununla birlikte, biyo-MOFlarda adsorplanan su miktarı, üremik toksinlerin ve su moleküllerinin arasında meydana gelen hidrojen bağları nedeniyle karışım durumunda biraz artmıştır. Genel olarak, adenin bazlı biyo-MOFların (biyo-MOF-11 (YUVSUE) ve biyo-MOF-12 (BEYSEF) gibi) ve disyanamit bazlı bir MOF olan KEXDIB'in hem üre/su hem de kreatinin/su ayrımları için umut verici adaylar olduğu bulunmuştur. Sonuçlarımız, üremik toksin ayrımı için yüksek performanslı biyo-MOF adsorbanların geliştirilmesi için oldukça faydalı olacaktır.