Molecular simulations of bio-mof membranes for uremic toxin separation
Başlık çevirisi mevcut değil.
- Tez No: 696689
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ İLKNUR ERUÇAR FINDIKÇI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Özyeğin Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 75
Özet
Metal organik yapılar (MOF), geniş yüzey alanları ve ayarlanabilir gözenek boyutları nedeniyle gaz ve sıvı ayrımları için son zamanlarda önem kazanmıştır. Küçük ve suda çözünür üremik toksinler olan üre ve kreatininin kanda birikmesi, hastalarda böbrek yetmezliğine neden olur. Bu üremik toksinlerin vücuttan etkin bir şekilde uzaklaştırılması, ölüm riskini azaltmak için önemlidir. Bu çalışmada, 60 biyolojik-uyumlu MOF'un (biyo-MOF) membran bazlı üremik toksin ayırma performansları, seyreltik koşulda ve 1 bar, 310 K'de hem Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) hem de denge moleküler dinamik (EMD) simülasyonları kullanılarak araştırılmıştır. Karboksilat bazlı bir MOF olan OREZES, üre/su ayrımı için en yüksek membran seçiciliğini (347.94) verirken, format bazlı bir MOF olan BAHLED, seyreltik koşulda ve 310 K'de en yüksek kreatinin/su seçiciliğini (1.2×105) vermiştir. 1 bar'da güçlü misafir-misafir etkileşimlerinden dolayı hesaplanan kreatinin, üre ve su difüzyon katsayılarının seyreltik koşulda hesaplanan değerlerden çok daha düşük olduğu bulunmuştur. EMD simülasyonları sırasında üremik toksinler için misafir-misafir MOF-misafir etkileşim enerjileri de hesaplanmıştır ve van der Waals etkileşimlerinin Coulomb etkileşimlerinden çok daha güçlü olduğu gözlenmiştir. Öte yandan, su molekülleri arasında oluşan güçlü hidrojen bağı nedeniyle, misafir-misafir molekülleri arasındaki elektrostatik enerji, su moleküllerinin difüzyonu sırasında toplam moleküller arası etkileşimde etkindir. 1 bar, 310 K'de 23 biyo-MOF için üre, su ve kreatinin için ikili ve üçlü karışım simülasyonları da gerçekleştirilmiştir. Karışım simülasyonlarından elde edilen membran seçicilikleri, üremik toksinler arasındaki rekabet nedeniyle tek bileşenli koşullarda hesaplananlardan çok daha düşük bulunmuştur. Bununla birlikte, difüzyon katsayılarındaki artış nedeniyle karışım koşullarında biyo-MOFların hem üre hem de kreatinin geçirgenlikleri artmıştır. Son olarak, MOF'un esnekliğinin öngörülen membran performansı üzerindeki etkisini incelemek için esnek EMD simülasyonları gerçekleştirilmiştir ve adsorpsiyon üzerinde ihmal edilebilir bir etkisinin olduğu gözlemlenmiştir. Sonuçlarımız, üremik toksin ayrımı için kullanılabilecek biyo-MOF membranlarının geliştirilmesinde gelecek deneysel ve hesaplamalı çalışmalar için bir rehber olacaktır.
Özet (Çeviri)
Metal organic frameworks (MOFs) have recently gained importance for gas and liquid separations due to their large surface areas and tuneable pore sizes. The accumulation of urea and creatinine which are small and water-soluble uremic toxins in blood causes renal failure in patients. Efficient removal of these toxins from the body is important to decrease the risk of mortality. In this study, membrane-based uremic toxin separation performances of 60 bio-compatible MOFs (bio-MOFs) have been investigated using both Grand canonical Monte Carlo (GCMC) and equilibrium molecular dynamics (EMD) simulations at infinite dilution and 1 bar, 310 K. OREZES, a carboxylate-based MOF exhibited the highest membrane selectivity (347.94) for urea/water separation whereas BAHLED, a formate-based MOF gave the highest creatinine/water selectivity (1.2×105) at infinite dilution and 310 K. Self-diffusivities of creatinine, urea, and water computed at 1 bar were found to be much lower than those of computed at infinite dilution which was attributed to strong guest-guest interactions occurred at 1 bar. Guest-guest and host-guest interaction energies for uremic toxins were also computed during EMD simulations and van der Waals interactions were found to be much stronger than the Coulombic interactions. On the other hand, the electrostatic energy between guest-guest molecules dominated the total intermolecular interaction during water diffusion due to the strong hydrogen bond occurred between water molecules. Simulations were also performed for 23 bio-MOFs considering binary and ternary mixtures of urea, water, and creatinine at 1 bar, 310 K. Membrane selectivities obtained from mixture simulations were found to be much lower than those calculated at single-component conditions due to the competition between uremic toxins. However, both urea and creatinine permeabilities of bio-MOFs enhanced at mixture conditions due to the increase in their diffusion coefficients. We finally performed flexible EMD simulations to examine the effect of MOF's flexibility on the predicted membrane performance and negligible effect on adsorption was observed. Our results will be a guide for further experimental and computational studies to develop bio-MOF membranes that can be used for uremic toxin separation.
Benzer Tezler
- Investigation of bio-MOFs for energetic and biomedical applications: From an atomic point of view
Biyo-MOFların enerji ve biyomedikal uygulamalarının atomik bakış açısıyla araştırılması
İLKNUR ERUÇAR FINDIKÇI
Doktora
İngilizce
2016
EnerjiKoç ÜniversitesiKimya ve Biyoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDA KESKİN AVCI
- Computational investigations of metal organic frameworks and covalent organic frameworks for gas storage and gas separation applications
Başlık çevirisi yok
EZGİ GÜLÇAY
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
KimyaÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İLKNUR ERUÇAR FINDIKÇI
- Molecular modeling of Bio-MOF's for anesthetic Xe recovery from exhale gas mixtures
Bio-MOF'lar kullanılarak ekshale gaz karışımlarından anestezik Xe geri kazanımının moleküler modellenmesi
BEHRA CANTÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
BiyomühendislikAdana Alparslan Türkeş Bilim Ve Teknoloji ÜniversitesiBiyomühendislik Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. YELİZ GÜRDAL DURĞUN
- Frequency-domain modeling and optimization of graphene FET-based molecular communication receivers
Grafen FET tabanlı moleküler haberleşme alıcılarının frekans-bölgesi modellemesi ve optimizasyonu
ALİ ABDALİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MURAT KUŞCU
- Molecular design of green plasticizers for plastics
Plastikler için moleküler yeşil plastifiyan dizaynı
HÜSAMETTİN DENİZ ÖZEREN
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET GÖKTUĞ AHUNBAY