Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGBEine Schlüsselaufgabe bei vielen Prozessen in Chemie, Pharmazie und Biotechnologie ist die spezifische Abtrennung von Molekülen aus Gemischen, entweder zur Gewinnung oder Aufreinigung von Stoffen oder zur Entfernung störender Begleitstoffe. Molekular geprägte Polymernanopartikel (Nanoscopic Molecularly Imprinted Polymers, NanoMIPs) wirken als künstliche Rezeptoren und sind als Adsorber für die Lösung dieser Fragestellungen hervorragend geeignet. Nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip erkennen die Nanopartikel spezifisch jeweils Biomoleküle und Wirkstoffe wie beispielsweise Aminosäuren, Peptide und Proteine, aber auch niedermolekulare Verbindungen oder Störstoffe wie Toxine und Substanzen mit endokriner Wirkung.
Vorteile der NANOCYTES®-Technologie
Molekulare Erkennungsfunktion nach dem Vorbild der Natur
In der Natur werden Informationen durch stofflichen Kontakt übertragen: Hormone docken an spezifische Rezeptoren an und lösen exakte Signale aus. Oder schädliche Stoffe werden in einem Organismus von Antikörpern erkannt, maskiert und dann beseitigt.
Diese Moleküle verhalten sich wie Schlüssel und Schloss, allerdings aus elastischen Bausteinen (induced fit): Räumlich definiert angeordnete chemische Strukturen passen wie Positiv- und Negativabdruck desselben chemischen Musters zusammen. Die Natur hat dieses Prinzip zu faszinierender Anwendungsbreite ausgebaut. Aufgrund der begrenzten Haltbarkeit natürlicher Rezeptoren müssen diese fortwährend neu produziert werden – für technische Anwendungen ein massives Hindernis.
Trenntechnik
Aufbau und Funktionsweise einer stoffselektiven Kompositmembran mit molekular geprägten Polymernanopartikeln als Selektoren.
Kompositmembran mit molekular geprägten Polymernanopartikeln.
Werden die NanoMIPs als Polymerpartikelsuspension eingesetzt, können sie zur leichteren Abtrennung mit einem magnetisierbaren Kern aus Magnetit ausgestattet werden. Dies ermöglicht eine schnelle und einfache Abtrennung mittels eines Magnetabscheiders.
Eine weitere Möglichkeit NanoMIPs als Separationswerkzeug einzusetzen, besteht darin, die NanoMIPs als selektives Element zwischen zwei Membranen einzubinden. Hierdurch entsteht eine sogenannte Sandwich-Kompositmembran, welche aus einer Auflage- und einer Deckmembran und dem selektiven Herzstück, der Schicht aus molekular geprägten Polymernanopartikeln, besteht. NanoMIPs können auch direkt in Polymermembranen als selektives Element eingebunden werden. In diesem Fall werden sie direkt während der Membranherstellung mittels Phaseninversionstechnik zur Polymerlösung hinzugegeben. Die Polymerlösung, welche die spätere Membranstruktur bildet und die molekular geprägten Partikel enthält, wird anschließend in die gewünschte Form gegossen.
Fazit
Rasterkraftmikroskopische Aufnahme geprägter Nanopartikel.
Die patentierte proprietäre Fraunhofer-Technologie ermöglicht, bisherige Schwachpunkte des molekularen Prägens wie mangelnde Kontrolle über Morphologie und chemische Zusammensetzung des erzeugten Materials zu beheben. Durch das angewandte Verfahren wird der Prägeprozess an der Polymeroberfläche deutlich besser kontrolliert. Zudem wird das molekulare Prägen in wässrigen Systemen ermöglicht, welches die Voraussetzung für das Prägen von biologischen Makromolekülen ist.
Mit der NANOCYTES®-Technologie werden künstliche, nanostrukturierte Rezeptoren erzeugt, die für Anwendungen in Diagnostik, Sensorik und Downstream Processing prädestiniert sind. Die molekular geprägten Polymernanomonolithe können, beispielsweise mit magnetisierbaren Kernen oder Farbstoffen, je nach kundenspezifischer Anforderung modifiziert werden.
Vorteile der NanoMIPs
- Hohe Bindekapazität
- Hohe Selektivität
- Hohe chemische und thermische Stabilität
- Regenerierbarkeit und Wiederverwertbarkeit
- Kosteneffizientes Herstellungsverfahren