PT Unknown
AU Alele, N
TI Membrane-based purification of nanoparticle dispersions
PD 07
PY 2016
LA en
AB 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.
ER