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

Abstract

Polymeric membranes in dialysis machines are currently used to separate uremic toxins from blood of chronic kidney patients. However, polymeric membranes can filter only small water-soluble uremic toxins such as urea and creatinine and generally show poor separation performance (<40 mg/g) for uremic toxins. As an alternative to membranes, adsorption-based separation methods can be used to remove uremic toxins from blood. In this thesis, we identify adsorption-based uremic toxin separation performances of 315 bio-compatible metal organic frameworks (bio-MOFs) by performing atomically-detailed simulations. We first identified hydrophobic bio-MOFs and then computed their urea, creatinine, and water uptakes by performing grand canonical Monte Carlo (GCMC) simulations at 310 K and 1 bar. Results showed that several bio-MOFs outperform traditional adsorbents such as zeolites, activated carbons, zeolite-polymer composite nanofibers and polymers in terms of creatinine and urea uptakes. Adsorption selectivities for urea/water, creatinine/water and creatinine/urea separations were calculated at both infinite dilution and 1 bar, 310 K. Adsorption selectivities of most bio-MOFs for urea/water separation calculated at 1 bar were found to be much higher than those computed at infinite dilution. However, adsorption selectivities for creatinine/water separation calculated at 1 bar were much lower than those computed at infinite dilution for most bio-MOFs due to the difference in interaction strength of creatinine and urea molecules within the frameworks. We also performed computationally demanding GCMC simulations for binary and ternary mixtures of uremic toxins and results showed that creatinine uptakes of bio-MOFs do not change significantly in the presence of water since creatinine is strongly adsorbed within the pores of bio-MOFs. However, water adsorption in bio-MOFs slightly increased at mixture condition due to the hydrogen bonds occurred between uremic toxins and water molecules. Overall, adenine-based bio-MOFs including bio-MOF-11 (YUVSUE) and bio-MOF-12 (BEYSEF) and a dicyanamide based MOF, KEXDIB were found to be promising candidates for both urea/water and creatinine water separations. Our results will be highly useful for development of high-performance bio-MOF adsorbents for 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.