@PhdThesis{duepublico_mods_00041570,
  author = 	{Alele, Nkem},
  title = 	{Membrane-based purification of nanoparticle dispersions},
  year = 	{2016},
  month = 	{Jul},
  day = 	{06},
  abstract = 	{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) beintr{\"a}chtigen h{\"a}ufig die Produkteigenschaften und die Ausbeute. In dieser Arbeit wird zun{\"a}chst eine Modellstudie beschrieben, in der Proteine (Rinderserumalbumin (BSA) oder Lysozym (LYS)) aus den dispersen Gemischen mit Siliziumdioxid-Nanopartikeln (nominale Gr{\"o}{\ss}e: 20 nm) entfernt wurden, indem man die gr{\"o}{\ss}enselektiven 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){\textlnot}propyl]{\textlnot}{\textlnot}-acrylamid (DMAPAA) und 2-Acrylamido-2-methyl-1-propan{\textlnot}sulfons{\"a}ure (AMPS). Dadurch wurde ein experimentell bestimmter NMWCO von 180 kDa erhalten, der identisch mit dem experimentellen Wert f{\"u}r PES 100 kDa ist. Die relevanten Membrancharakterisierungen wie beispielsweise Messungen des Kontaktwinkels, des Zeta-Potentials sowie Rasterelektronenmikroskopie wurden durchgef{\"u}hrt, um die Fraktionierungsleistung, die Anti-Fouling-Eigenschaften und die Wechselwirkungen zwischen Membranen und gel{\"o}sten Stoffen zu erkl{\"a}ren. Membraneigenschaften und Filtrationsbedingungen, insbesondere pH-Wert und Fluss, wurden auf der Grundlage von Daten zur Einzelkomponentenfiltration ausgew{\"a}hlt oder angepasst, um maximale Proteintransmission und vollst{\"a}ndigen Siliziumdioxid-R{\"u}ckhalt, und dementsprechend maximale Siliziumdioxid-/Proteinselektivit{\"a}t, 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 {\%} f{\"u}r LYS bzw. BSA. In beiden F{\"a}llen konnte ein quantitativer R{\"u}ckhalt 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, f{\"u}r 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 l{\"a}ngeren Zeitspanne entfernt, d.h. innerhalb von 4 bzw. 6,8 Stunden. Wichtig ist dabei zu bemerken, dass die zur{\"u}ckgehaltenen Siliziumdioxid-Nanopartikel in der Dispersion stabil blieben, ohne Anzeichen von Aggregation. 
Das Ergebnis der Modellstudie wurde genutzt, um einen m{\"o}glichen Nutzen in biotechnologischen und medizinischen Forschungsfeldern aufzuzeigen. In diesen Bereichen ist eine Voraussetzung f{\"u}r die Kombination von Nanopartikeln mit Biomolek{\"u}len zur Bildung funktionaler Hybridsysteme, dass eine hohe Reinheit erreicht wird. Daf{\"u}r ist die Abtrennung von ungebundenen, {\"u}bersch{\"u}ssigen Komponenten notwendig. Die RC-Membran wurde verwendet, um ungebundene {\"u}bersch{\"u}ssige 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) beeintr{\"a}chtigen k{\"o}nnen und da eine multivalente Biokonjugation ohne die vollst{\"a}ndige Entfernung von freien Bioliganden nicht verhindert werden kann. Die RC-Membran mit NMWCO von 30 kDa zeigte quantitativen R{\"u}ckhalt f{\"u}r biokonjugierte Gold-Nanopartikel (AuNP). Unter Verwendung dieser Membran war die Ausbeute an AuNP-Peptid-Biokonjugat im Retentat gr{\"o}{\ss}er 87 {\%},  bezogen auf die Ausgangsmenge in der Mischung. Die letztgenannten Ergebnisse wurden zus{\"a}tzlich mit der Zentrifugal-Membran-Filtration verglichen, bei der die Leistung bez{\"u}glich der Entfernung von Peptide und Aufreinigung des Au-Peptid-Konjugats bedeutend hinter der  der Membranfiltration zur{\"u}ckblieb. Alle Ergebnisse zeigen auf, dass RC-Membranen f{\"u}r die Reinigung von biokonjugierten Nanopartikel-Dispersionen sehr gut geeignet sind und dass der Diafiltrationsbetrieb sich deutlich besser zum Hochskalieren eignet. Zusammenfassend l{\"a}sst sich sagen, dass diese Arbeit die Erkenntnisse {\"u}ber die Verwendung von Membran-basierten Trennungsmethoden zur Nanopartikelfraktionierung bzw. -aufreinigung sowie zur Entfernung von Reaktionsr{\"u}ckst{\"a}nden deutlich erweitert hat.},
  note = 	{2012 - 2016},
  url = 	{https://duepublico2.uni-due.de/receive/duepublico_mods_00041570},
  url = 	{https://www.uni-due.de/tech2chem/index.html},
  file = 	{:https://duepublico2.uni-due.de/servlets/MCRFileNodeServlet/duepublico_derivate_00041660/DissAlele.pdf:PDF},
  language = 	{en}
}