DuEPublico 2

Dies ist unser neues Repositorium, derzeit für E-Dissertationen und ausgewählte weitere Publikationen. Weitere Informationen...

Membrane-based purification of nanoparticle dispersions

Alele, Nkem

Membran-basierte Trennungen von Nanopartikel-Dispersionen (d.h. Gemischen aus Proteinen und Metalloxid-Nanopartikeln) wurde bisher nur geringe Aufmerksamkeit gewidmet. Konventionelle Trennmethoden (z.B. Zentrifugation) beinträchtigen häufig die Produkteigenschaften und die Ausbeute. In dieser Arbeit wird zunächst eine Modellstudie beschrieben, in der Proteine (Rinderserumalbumin (BSA) oder Lysozym (LYS)) aus den dispersen Gemischen mit Siliziumdioxid-Nanopartikeln (nominale Größe: 20 nm) entfernt wurden, indem man die größenselektiven Eigenschaften der Ultrafiltration (UF) nutzt. Membranbasierte Trennverfahren weise eine Reihe von Vorteilen auf; sie sind leicht skalierbar, weniger aufwendig und besitzen eine hohe Durchsatzleistung. In dieser Studie wurden Membranen aus regenerierter Cellulose (RC) und Polyethersulfon (PES) mit einer nominalen Molekulargewichts-Ausschlussgrenze (NMWCO) von 100 kDa, sowie eine funktionalisierte PES-UF-Membran (NMWCO 300 kDa) untersucht. Die Funktionalisierung bestand aus einer amphoteren Polymer-Hydrogelschicht hergestellt durch UV induzierte Pfropfcopolymerisation von N [3 (dimethylamino)¬propyl]¬¬-acrylamid (DMAPAA) und 2-Acrylamido-2-methyl-1-propan¬sulfonsäure (AMPS). Dadurch wurde ein experimentell bestimmter NMWCO von 180 kDa erhalten, der identisch mit dem experimentellen Wert für PES 100 kDa ist. Die relevanten Membrancharakterisierungen wie beispielsweise Messungen des Kontaktwinkels, des Zeta-Potentials sowie Rasterelektronenmikroskopie wurden durchgeführt, um die Fraktionierungsleistung, die Anti-Fouling-Eigenschaften und die Wechselwirkungen zwischen Membranen und gelösten Stoffen zu erklären. Membraneigenschaften und Filtrationsbedingungen, insbesondere pH-Wert und Fluss, wurden auf der Grundlage von Daten zur Einzelkomponentenfiltration ausgewählt oder angepasst, um maximale Proteintransmission und vollständigen Siliziumdioxid-Rückhalt, und dementsprechend maximale Siliziumdioxid-/Proteinselektivität, zu erreichen. Dead-End-Filtration und kontinuierliche Diafiltration wurden zur Fraktionierung und Aufreinigung verwendet. Insgesamt war die Leistung der PES-UF-Membranen im Vergleich zu der der anderen Membranen aufgrund von zu starkem Fouling unterlegen. Bei der RC-Membran wurden Transmissionsraten von LYS bzw. BSA aus der Mischung mit Siliziumdioxid von 80% bzw. 30% gemessen. Bei der Hydrogel-funktionalisierten PES-Membran waren die jeweiligen Transmissionsraten aus dem Gemisch 35 % bzw. 15 % für LYS bzw. BSA. In beiden Fällen konnte ein quantitativer Rückhalt von Siliziumdioxid-Partikeln erreicht werden. Unter Verwendung von kontinuierlicher Diafiltration zeigte die RC-Membran die beste Filtrationsleistung; es wurden insgesamt 91 % LYS unter Benutzung von 6 Diavolumen (DV) in 2,4 Stunden entfernt, für BSA waren es 84 % bei 10 DV in 5,5 Stunden. Mit der Hydrogel-funktionalisierten PES-Membran wurden 82 % LYS bzw. 74 % BSA bei 6 bzw. 10 DV in einer längeren Zeitspanne entfernt, d.h. innerhalb von 4 bzw. 6,8 Stunden. Wichtig ist dabei zu bemerken, dass die zurückgehaltenen Siliziumdioxid-Nanopartikel in der Dispersion stabil blieben, ohne Anzeichen von Aggregation. Das Ergebnis der Modellstudie wurde genutzt, um einen möglichen Nutzen in biotechnologischen und medizinischen Forschungsfeldern aufzuzeigen. In diesen Bereichen ist eine Voraussetzung für die Kombination von Nanopartikeln mit Biomolekülen zur Bildung funktionaler Hybridsysteme, dass eine hohe Reinheit erreicht wird. Dafür ist die Abtrennung von ungebundenen, überschüssigen Komponenten notwendig. Die RC-Membran wurde verwendet, um ungebundene überschüssige Peptide aus Dispersionen von Gold-Nanopartikel-Peptid-Biokonjugaten (hydrodynamischer Durchmesser 8,5 nm mit dynamischer Lichtstreuung bestimmt) in einer druckbetriebenen Diafiltration abzutrennen. Dies ist relevant, da ungebundene Bioliganden die Genauigkeit der biologischen Charakterisierung (Bioassay) beeinträchtigen können und da eine multivalente Biokonjugation ohne die vollständige Entfernung von freien Bioliganden nicht verhindert werden kann. Die RC-Membran mit NMWCO von 30 kDa zeigte quantitativen Rückhalt für biokonjugierte Gold-Nanopartikel (AuNP). Unter Verwendung dieser Membran war die Ausbeute an AuNP-Peptid-Biokonjugat im Retentat größer 87 %, bezogen auf die Ausgangsmenge in der Mischung. Die letztgenannten Ergebnisse wurden zusätzlich mit der Zentrifugal-Membran-Filtration verglichen, bei der die Leistung bezüglich der Entfernung von Peptide und Aufreinigung des Au-Peptid-Konjugats bedeutend hinter der der Membranfiltration zurückblieb. Alle Ergebnisse zeigen auf, dass RC-Membranen für die Reinigung von biokonjugierten Nanopartikel-Dispersionen sehr gut geeignet sind und dass der Diafiltrationsbetrieb sich deutlich besser zum Hochskalieren eignet. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Arbeit die Erkenntnisse über die Verwendung von Membran-basierten Trennungsmethoden zur Nanopartikelfraktionierung bzw. -aufreinigung sowie zur Entfernung von Reaktionsrückständen deutlich erweitert hat.

Membrane-based separations of nanoparticles dispersion (i.e. mixtures of proteins and metal oxide nanoparticles) have received little or no attention. The conventional separation methods (e.g. centrifugation) often compromise the product’s properties and recovery. In this work, a model study has been carried out by removing proteins (bovine serum albumin (BSA) or lysozyme (LYS)) from the dispersion mixtures with silica nanoparticles (nominal size 20 nm) by employing the sieving properties of ultrafiltration (UF) membranes. Membrane-based methods are easily scalable, less tedious and high throughput among other advantages. In this study, regenerated cellulose (RC) and polyethersulfone (PES) membranes with nominal molecular weight cut-off (NMWCO) of 100 kDa, and a PES UF membrane (NMWCO 300 kDa) functionalized with UV-grafted amphoteric polymer hydrogel layer consisting of N-[3-(dimethylamino)propyl]-acrylamide (DMAPAA) and 2-acrylamido-2-methyl-1-propanesulfonic acid (AMPS) and having an experimentally determined cut-off of 180 kDa (identical with the experimental data for PES 100 kDa) were studied. Some relevant membrane characterization such as contact angle, zeta potential as well SEM measurements were done to elucidate fractionation performance, anti-fouling properties and membrane- solute interactions. Membrane properties and filtration conditions, in particular pH value and flux, were selected or adapted based on data for single component feeds to achieve maximum protein transmission, complete silica retention and, hence, maximum silica/protein selectivity. Batch dead-end and continuous diafiltration processes were used for fractionation and purification. Overall, the performance of PES UF membranes was inferior compared to the other membranes because of too strong fouling. With membrane RC 100, the transmission data of LYS and BSA from the mixture with silica were 80 % and 30 %, respectively. With the hydrogel-functionalized or modified PES membrane, the respective transmissions from the mixture were ~35 % and ~15 % for LYS and BSA, respectively. In both cases, quantitative rejection of silica could be achieved. Using continuous diafiltration, membrane RC 100 had better purification efficiency, removing a total of 91 % of LYS using 6 diavolumes (DV) in 2.4 h and 84 % of BSA using 10 DV in 5.5 h. With the hydrogel-functionalized PES membrane, 82 % of LYS and 74 % of BSA were removed using 6 and 10 DV within larger time, i.e. 4.0 and 6.8 h, respectively. Importantly, the retained silica nanoparticles remained stable in the dispersion, without any indication of aggregation. The result of the model study was applied to show feasible benefits in biotechnological and medical fields were combination of nanoparticles with biomolecules to form functional hybrid systems demands high purity and separation of excess or unbound solutes. The RC membranes were used to separate unbound excessive ligands from the mixtures of gold nanoparticles-peptide bioconjugates (8.5 nm with dynamic light scattering) in a pressure driven diafiltration. This is pertinent because unbound ligands can compromise the specificity of bioassays and multivalent bioconjugation cannot be controlled without proper ligand removal. The RC membrane with NMWCO of 30 kDa showed absolute rejection of the bioconjugated AuNP. Using RC 30 kDa membrane, the recovery of AuNP-peptide bioconjugate in the retentate was > 87 % relative to the initial amount in the mixture. The latter results were additionally compared to the centrifugal membrane filtration method, where the efficiency of ligand removal and Au-peptide conjugate purity were found to be significantly lower than the ultrafiltration membrane method. All results indicate that RC membranes can be very well suited for the purification of bioconjugated nanoparticle dispersions and the diafiltration mode is much better suited for scale-up. Overall, this work has significantly expanded the knowledge about the use of membrane based separation methods for nanoparticle fractionation/purification as well as removal of residual reactants.

Vorschau

Teilen und Zitieren

Zitierform:

Alele, Nkem: Membrane-based purification of nanoparticle dispersions. 2016.

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export