Modifizierte Biopolymere

Funktionelle, biobasierte Materialien gewinnen in vielen Anwendungen zunehmend an Bedeutung – etwa als Filmbildner für funktionelle Schichten, als Trägersysteme für Wirk- und Effektstoffe oder als nachhaltige Alternative zu synthetischen Polymeren. 

Gleichzeitig stellt die natürliche Variabilität vieler Biopolymere eine Herausforderung für reproduzierbare Formulierungen dar. Für viele Anwendungen müssen die Eigenschaften der Biopolymere zudem gezielt angepasst werden. 

Forschung und Industrie benötigen darüber hinaus größere Mustermengen modifizierter Biopolymere für eigene Anwendungstests. Hierzu ist es erforderlich, dass Modifikationen nicht nur im Labormaßstab, sondern auch in größeren Mengen reproduzierbar und mit konsistenter Qualität umgesetzt werden können. 

Am Fraunhofer IGB passen wir Biopolymere, beispielsweise Proteine wie Gelatine und Kollagen, aber auch Chitosan oder Inulin, durch chemische Modifizierung gezielt an die je nach Einsatzgebiet unterschiedlichen Bedürfnisse an. Durch das Anbringen verschiedenster chemischer Funktionen (z. B. Methacrylgruppen, Thiogruppen und Benzophenone) können wir Eigenschaften wie die Viskosität, die Löslichkeit oder auch die Ladung des Biopolymers zielführend verändern. 

Skalierung der Modifizierung bis in den Kilogramm-Maßstab

Unsere hierzu entwickelten Prozesse ermöglichen die standardisierte und reproduzierbare Funktionalisierung von Biopolymeren. Durch schrittweise Skalierung unter definierten Bedingungen schaffen wir eine belastbare Grundlage für vergleichbare Materialeigenschaften und zuverlässige Produktentwicklung. Mit der Herstellung auch größerer Mustermengen funktionalisierter Biopolymere adressieren wir gezielt die Lücke zwischen Laborforschung und Anwendung.

Beispiel: Modifizierungsreaktionen bei Gelatine

Aufreinigung der modifizierten Biopolymere

Verschiedene Aufreinigungsmöglichkeiten, wie die Dialyse oder die Tangentialflussfiltration, garantieren des Weiteren eine zügige Eliminierung unerwünschter Verunreinigungen im Produkt.

Trocknung

Temperaturarme Trocknungsverfahren wie die Gefriertrocknung oder die Sprühtrocknung sorgen dabei für eine schonende Trocknung der modifizierten Biopolymere und ermöglichen den Erhalt des Produkts in verschiedenen Formen, z. B. als Pulver.

Die Modifizierungen können in verschiedenen Maßstäben durchgeführt werden, von wenigen Gramm bis zu 100 Gramm, abhängig vom jeweiligen Biopolymer.

Funktionalisierte Gelatine: Automatisierte Herstellung und Bemusterung bis in den Kilogramm-Maßstab

Speziell zur skalierbaren Herstellung modifizierter Gelatine steht an unserem Institut ein automatisiertes Reaktorsystem mit Volumina von 1, 5 und 10 Litern zur Verfügung, mit dem chemische Modifizierungen bis in den Kilogramm-Maßstab skaliert werden können.

Automatisierte Prozesse für konsistente Materialeigenschaften

Abhängig vom jeweiligen Prozess können pro Batch bis zu einem Kilogramm funktionalisierte Gelatine hergestellt werden. Eine standardisierte und automatisierte Prozessführung stellt sicher, dass die Materialeigenschaften über verschiedene Maßstäbe hinweg reproduzierbar bleiben und Skalierungseffekte nachvollziehbar bewertet werden können.

Vergleichbare Funktionalisierungen unter definierten Prozessbedingungen

Unterschiedliche chemische Funktionalisierungen werden am Fraunhofer IGB unter vergleichbaren, standardisierten Prozessbedingungen umgesetzt. Dadurch lassen sich die Auswirkungen verschiedener Modifikationen gezielt untersuchen und direkt miteinander vergleichen. Unterschiede in den resultierenden Materialeigenschaften können so eindeutig der jeweiligen chemischen Modifikation zugeordnet werden und sind nicht auf variierende Herstellungsbedingungen zurückzuführen.

Herstellung von Mustermengen im 100-Gramm- bis Kilogramm-Maßstab

Die hergestellten Materialien stehen als Bemusterungen zur Verfügung und ermöglichen es Unternehmen und Forschungspartnern, Materialeigenschaften zu testen, Anwendungen zu evaluieren oder Machbarkeitsstudien durchzuführen. Auf dieser Basis lassen sich frühzeitig belastbare Aussagen zu Material‑ und Prozessverhalten treffen, ohne dass eigene Entwicklungs‑ oder Skalierungsprozesse aufgebaut werden müssen.

Belastbare Datenbasis für Bewertung und Transfer

Alle relevanten Prozessparameter werden systematisch erfasst und dokumentiert. Durch diese strukturierte Datengrundlage entsteht eine belastbare und vergleichbare Basis für die Bewertung der hergestellten Materialien. Dies erhöht die Transparenz und Nachvollziehbarkeit der Prozesse und unterstützt fundierte Entscheidungen im weiteren Entwicklungs‑ und Transferprozess.

Übertragbarkeit auf weitere biobasierte Polymere

Die eingesetzten Prozesskonzepte sind nicht auf Gelatine beschränkt, sondern grundsätzlich auch auf weitere biobasierte Polymere übertragbar. Damit unterstreicht das Fraunhofer IGB seine Kompetenz in der skalierbaren Prozess‑ und Syntheseentwicklung für biobasierte Materialien und schafft eine robuste Grundlage für die Entwicklung maßgeschneiderter Werkstoffe für unterschiedliche Anwendungsfelder.

Drug Delivery und Verkapselung

Durch das Anbringen vernetzbarer oder hydrophober Gruppen beispielweise können stabilere und unlöslichere Systeme erzeugt werden, etwa für Drug-Delivery-Systeme wie der Verkapselung von Wirkstoffen mit modifiziertem Inulin oder auch für funktionelle Beschichtungen wie wasserabweisenden Schichten auf Textilien mit modifiziertem Chitosan.

3D-Druckverfahren

Auch für Druck bzw. 3D-Druckverfahren ist das Modifizieren von Biopolymeren interessant, da hierdurch unter anderem die Viskosität temperaturunabhängig angepasst werden kann.

Anwendungsbereiche im Überblick

• Wirkstofffreisetzung
• Verkapselung von Wirkstoffen
• Beschichtungen für Medizinprodukte
• Beschichtungen für Textilien
• Tinten und Formulierungen für das Bioprinting
• Biosensorik
• Diagnostik
• Beauty und Kosmetik