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Dokumentenidentifikation DE10221569A1 21.11.2002
Titel Verfahren zur Verringerung einer Adsorptionsneigung von Molekülen oder biologischen Zellen an einer Materialoberfläche
Anmelder Poly-An Gesellschaft zur Herstellung von Polymeren für spezielle Anwendungen und Analytik mbH, 13086 Berlin, DE
Erfinder Thiele, Thomas, Dr., 13351 Berlin, DE;
Storm, Rüdiger, Dr., 10783 Berlin, DE;
Matuschewski, Heike, Dr., 13187 Berlin, DE;
Schedler, Uwe, Dr., 10119 Berlin, DE
Vertreter Anwaltskanzlei Gulde Hengelhaupt Ziebig & Schneider, 10117 Berlin
DE-Anmeldedatum 08.05.2002
DE-Aktenzeichen 10221569
Offenlegungstag 21.11.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.11.2002
IPC-Hauptklasse B01D 69/02
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung einer Adsorptionsneigung von Molekülen oder biologischen Zellen aus Lösungen oder Suspensionen an einer mit der Lösung oder Suspension in Kontakt stehenden Materialoberfläche sowie eine Verwendung des Verfahrens sowie ein Verfahren zur Herstellung eines zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Materials mit verringerter Adsorptionsneigung für Moleküle oder biologische Zellen aus Lösungen oder Suspensionen.
Es ist vorgesehen, dass als Material ein organisches oder anorganisches Trägermaterial mit einer modifizierten Oberfläche verwendet wird, wobei die Modifizierung der Oberfläche durch in-situ Polymerisation von in Abhängigkeit einer Beschaffenheit des Moleküls oder der Zelle ausgewählter Monomere an der Oberfläche erfolgt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verringerung einer Adsorptionsneigung von Molekülen oder biologischen Zellen aus Lösungen oder Suspensionen an einer mit der Lösung oder Suspension in Kontakt stehenden Materialoberfläche nach Anspruch 1, ein Verfahren zur Herstellung eines für das Verfahren geeigneten Materials nach Anspruch 13 sowie Verwendungen des Verfahrens nach den Ansprüchen 15 bis 19.

Die Kontamination von festen Oberflächen im Kontakt mit wässrigen Medien durch Biofilmbildung ist ein als "Fouling" bekanntes Problem. So kommt es zum Beispiel bei Schiffen zu einem Algenbewuchs der Schiffsrümpfe und bei medizinischen Implantaten zu unkontrollierten Ablagerungen an den mit Körperflüssigkeiten in Kontakt stehenden Implantatoberflächen (auch als Biofouling oder Biokorrosion bezeichnet). Auch bei technischen Filtrationsprozessen durch Membranen wird ein - häufig durch Ablagerungen von Proteinen verursachtes - Fouling der Membranoberfläche beobachtet (so genanntes Membranfouling), das zu Verstopfungen der Membranporen führen kann. Im Falle des Proteinfoulings von Membranen lassen sich die Ursachen der Biofilmbildung auf zwei wesentliche Prozesse reduzieren. Zum einen findet eine Proteinaggregation an der Grenzfläche Membranoberfläche/Lösung statt oder in der Lösung, gefolgt von einer Ablagerung der Aggregate an der Membranoberfläche. Auf der anderen Seite kommt es zu einer unspezifischen Proteinadsorption nicht aggregierter Proteine an der Oberfläche. Als Folge davon kann es längerfristig zur Ansiedlung von Mikroorganismen oder komplexeren Strukturen (wie etwa bei Schiffsrümpfen) kommen.

Es werden verschiedene Einflussfaktoren auf das Ausmaß an Proteinfouling diskutiert, etwa die Struktur des Proteins in Lösung, chemische und physikalische Beschaffenheit der Oberfläche oder Prozessbedingungen, und Strategien zur Verringerung von Proteinfouling entwickelt. Dennoch besteht ein ungenügendes Verständnis über die Natur der Wechselwirkungen, die zu Proteinfouling führen. Daher sind derzeit Ansätze zur Vermeidung von Fouling oft empirisch und beinhalten oft eine chemische, hydrophilisierende oder hydrophobisierende Modifizierung der Oberflächen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neues Verfahren zur Verringerung der Adsorptionsneigung unterschiedlicher Materialien gegenüber Molekülen und/oder biologischen Zellen zur Verfügung zu stellen. Es sollen somit Gegenstände mit einer dem Fouling entgegenwirkenden Materialoberfläche ausgestattet werden, wobei das Verfahren eine große Variationsbreite hinsichtlich der chemischen, physikalischen oder strukturellen Beschaffenheit des konkreten Moleküls oder der Zelle aufweisen soll, um für möglichst viele Anwendungsbereiche in Frage zu kommen. Insbesondere soll das Verfahren für den Einsatz in der Lebensmittelindustrie, der Medizin, der Biotechnologie, der Abwasseraufbereitung und/oder dem Schiffsbau geeignet sein.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen, ein Verfahren zur Herstellung eines zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Materials nach Anspruch 13, sowie durch seine Verwendungen gemäß den Ansprüchen 15 bis 19 gelöst.

Erfindungsgemäß sieht das Verfahren vor, dass als Material ein organisches oder anorganisches Trägermaterial mit einer modifizierten Oberfläche verwendet wird, wobei die Modifizierung der Oberfläche durch in-situ Polymerisation von in Abhängigkeit einer Beschaffenheit, insbesondere einer chemischen, physikalischen und/oder sterischen Eigenschaft des Moleküls oder der Zelle ausgewählter Monomere an der Oberfläche, erfolgt. Da die unmittelbar an der Materialoberfläche durchgeführte in-situ Polymerisation eine Oberflächenmodifizierung unter kovalenter Anbindung von Monomeren unterschiedlichster Eigenschaften erlaubt, wird erfindungsgemäß ein individuell auf die jeweilige Fouling-Problemstellung zugeschnittenes Antifouling-Material mit einer Oberfläche mit verringerter Adsorptionsneigung angeboten. Die chemisch kovalente Antifouling-Modifizierung hat zudem den Vorteil einer lang anhaltenden Stabilität. Somit eignet sich das Verfahren auch zur Anwendung für Langzeitanwendungen, etwa zur erfindungsgemäßen Modifizierung von Schiffsrümpfen. Hier ergibt sich eine stark retardierte Biofilmbildung und infolgedessen auch von Algenbewuchs. Für Membrananwendungen resultiert eine allgemein erhöhte Lebensdauer bei gleich bleibender Membranperformance.

Die verwendeten Monomere bestimmen die Antifouling-Eigenschaften des Materials. Die Auswahl des Monomers erfolgt dabei bevorzugt in Abhängigkeit einer elektrostatischen Ladung und/oder einer Polarität und/oder räumlichen Struktur des abzuweisenden Moleküls beziehungsweise der abzuweisenden Zelle, insbesondere ihrer äußeren Oberfläche, und zwar derart, dass die modifizierte Materialoberfläche eine möglichst geringe Affinität zu dem Molekül oder der Zelle aufweist. Insbesondere wird beispielsweise ein Monomer mit einer elektrostatischen Ladung gleichen Vorzeichens und/oder einer Polarität vergleichbarer Intensität wie das Molekül beziehungsweise die Zelle ausgewählt. Beispielsweise werden zur Unterbindung von Proteinadsorption hydrophilisierte Materialoberflächen angeboten, das heißt mit einem polaren Monomer modifizierte Oberflächen, an denen der primäre Schritt, die unspezifische Anlagerung wasserlöslicher und somit mit einer hydrophilen äußeren Moleküloberfläche ausgestatteter Proteine, weitestgehend unterbunden wird. Zur Erzielung der Hydrophilisierung gegen das Proteinfouling werden vorzugsweise anionische oder kationische oder auch mehrfunktionelle Oberflächen erzeugt und hierfür geeignete Monomere gewählt. Auch Tensid-Monomere werden verwendet.

Im Ergebnis lässt sich die Adsorptionsneigung von Materialoberflächen gegenüber einer Vielzahl bestimmter Moleküle (oder Stoffgruppen) und/oder Zellen gezielt herabsetzen, um den Fouling-Prozess zu unterbinden. Insbesondere kann die Auswahl des Monomers derart erfolgen, dass das Material eine verringerte Adsorptionsneigung für Proteine, Peptide, Peptoide, Peptidomimetika, Enzyme, Antikörper, Impfstoffe, Nukleinsäuren, insbesondere DNA, RNA oder Plasmide, Kohlenhydrate, Glucane, Huminstoffe und/oder Derivate von den vorgenannten Stoffen und/oder für andere organische Moleküle und/oder kleine Partikel erhält. Ebenso kann eine verringerte Adsorptionsneigung für mikrobielle Zellen, insbesondere für Bakterien, Pilze, Viren, Blutzellen, Gewebezellen und/oder dergleichen, durch geeignete Monomerenauswahl erzielt werden.

Das nach den oben angegebenen Kriterien ausgewählte Monomer muss daneben noch mit einer mit dem Trägermaterial reaktionsfähigen polymerisationsfähigen Gruppe, beispielsweise einer Doppelbindung, ausgestattet sein, die eine kovalente Anbindung an die gegebenenfalls noch vorbehandelte Materialoberfläche erlaubt. Die Modifizierung kann etwa durch chemische oder photochemische Pfropfung, durch radikalische oder ionische Polymerisation oder Polymervernetzung erfolgen. Unter diesen Methoden ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die photoinduzierte Pfropfpolymerisation bevorzugt. Das Monomer kann insbesondere aus folgender Gruppe gewählt werden: Methylmethacrylat, Methylacrylat, Hydroxyethylmethacrylat, Polyethylenglycolmonomethacrylate verschiedener Kettenlänge (M = 200, 400, 526, 1000, . . .), N-isopropyfacrylamid, Diethylacrylamid, Methacrylsäure, Acrylsäure, Acrylamidopropansulfonsäure, Carbonsäurederivate mit polymerisationsfähiger Gruppe, Sulfonsäurederivate mit polymerisationsfähiger Gruppe, Phosphorsäurederivate mit polymerisationsfähiger Gruppe, Styrolsulfonsäure, Styrolphosphorsäure, polymerisationsfähige Ammonium-, Sulfonium-, Phosphoniumderivate, bi- und polyfunktionelle Monomere, polymerisationsfähige Derivate auf der Basis von Polyimiden, Heparin, fluorierte polymerisationsfähige Monomere, Monomere auf der Basis von Aminosäuren, Kohlenhydraten, Acrylamid, polymerisationsfähige Detergentien, Alkyle verschiedener Kettenlänge mit polymerisationsfähiger Gruppe, Hexylmethacrylat, tert-Butylmethacrylat. Selbstverständlich können auch weitere, hinsichtlich des Polymerträgermaterials sowie des von der Adsorption abzuhaltenden Stoffes optimierte Monomere zum Einsatz kommen. Auch ist die Verwendung von Monomerengemischen, bestehend aus zwei oder mehreren ausgewählten Monomeren, im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar.

Das Trägermaterial kann unterschiedlichste Materialien umfassen, vorzugsweise solche, die den üblichen, in der Industrie verwendeten Reinigungsprozeduren standhalten. Besonders gut geeignete Polymermaterialien stellen organische Polymermaterialien dar, insbesondere Polysulfon, Polyethersulfon, Polyolefin, etwa Polypropylen oder Polyethylen, Polyamid, Polyester, Polycarbonat, Polyacrylnitril, Polyvinylidenfluorid, Polytetrafluorethylen, Polyacrylat, Polyacrylamid, Cellulose, Amylose, Agarose, oder Derivate von diesen, mit unterschiedlichen Morphologien. Auf diesen Materialien lässt sich in der Regel die in-situ Polymerisation eines geeigneten Monomers ohne weitere Vorbehandlung der Materialoberfläche durchführen.

Als Trägermaterial eignen sich jedoch ebenfalls anorganische Polymere, insbesondere Metall, Glas, Silikat, Keramik oder dergleichen. Da solche Materialien häufig nicht ohne weiteres der Modifizierung mit dem Monomer zugänglich sind, können die Oberflächen vor der Modifizierung gegebenenfalls chemisch vorbehandelt werden oder mit einem organischen Polymermaterial beschichtetet werden, um eine mit dem Monomer reaktionsfähige funktionelle Gruppe auf der Materialoberfläche zu etablieren. Beispielsweise können Gläser oder Keramiken durch Silanisierung mit einem geeigneten Silan auf bekannte Weise vorbehandelt werden.

Das Material kann auch extern beziehungsweise intern durch einen zusätzlichen inerten Träger beziehungsweise Partikel, Fasern oder Netzwerke aus Polymer, Glas oder Metall verstärkt werden, wie es beispielsweise von trägerverstärkten Keramikmembranen bekannt ist. Je nach Zielstellung können aus diesem Spektrum oder anderen Materialien Basismaterialien für die Herstellung Antifouling-modifizierter Materialien gewählt werden. Für Antifouling-Membranen, beispielsweise für die Filtration von Bier, werden vorzugsweise Flachmembranen aus Polyethersulfon (PES) oder Polysulfon (PSU) als Material gewählt.

Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung kann vorteilhaft zur Herstellung beziehungsweise Modifizierung unterschiedlichster, mit der Lösung oder der Suspension in Kontakt stehender Gegenstände poröser oder nicht-poröser Struktur eingesetzt werden. Besonders vorteilhaft kann das Verfahren zur Unterdrückung des Foulings bei porösen, zur Filtration oder Dialyse der Lösung oder Suspension eingesetzten Membranen verwendet werden, die erfindungsgemäß entsprechend modifiziert werden. Besonders vorteilhaft handelt es sich hierbei um Ultra- oder Mikrofiltrationsmembranen, insbesondere aus einem organischen Polymermaterial, mit einer symmetrischen oder asymmetrischen Porenstruktur und einer Porengröße in einem Bereich von nm bis µm. Es können daneben auch poröse Materialien, insbesondere Sintermaterialien wie etwa Keramikmembranen, oder nicht-poröse Materialien, erfindungsgemäß modifiziert und verwendet werden, insbesondere Filme, Folien, Schläuche, Leitungen, Dialysematerialien, Behältnisse, Katheter, Infusionsnadeln, Drainagen, medizinische Implantate, Reaktoren oder dergleichen.

Die große Bandbreite von auf Materialoberflächen applizierbaren Monomeren erlaubt den Einsatz des erfindungsgemäßen Antifouling-Verfahrens in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen.

Das Verfahren, insbesondere unter Verwendung erfindungsgemäß oberflächen-modifizierter Membranen, kann besonders vorteilhaft in der Lebensmitteltechnologie bei Filtrationsprozessen eingesetzt werden, insbesondere bei Steril- oder Klarfiltration von flüssigen Nahrungsmitteln oder Getränken, insbesondere von Bier, Wein, Fruchtsäften oder Molkereiprodukten.

Am Beispiel der Bierfiltration soll der Vorteil der vorliegenden Erfindung näher erläutert werden. Bier wird zur Erzielung eines einwandfreien Geschmacks und eines feinen Glanzes üblicherweise einer Filtration (Klärung) unterzogen. Dabei werden in mehreren Filtrationsstufen Trübungsbildner, wie Eiweißgerbstoffverbindungen, Hopfenharze, Hefezellen und auch noch vorhandene bierschädliche Bakterien, entfernt. Neben der Optik und Sensorik wird die Haltbarkeit des Bieres verbessert. Während des gesamten Filtrationsprozesses müssen Druck- und Temperaturunterschiede vermieden werden, damit das im Bier gelöste Kohlendioxid nicht aufschäumt. Die Bierfiltration wird in drei Abschnitte unterteilt, Vorklärung,

Bierstabilisation und Blank- beziehungsweise Entkeimungsfiltration. Im letztgenannten Filtrationsabschnitt werden in der Regel vorzugsweise Ultrafiltrationsmembranen aus Polyethersulfon (PES) mit einer Porenweite von 0,45 µm eingesetzt. Diese Filtrationsstufe ist herkömmlich besonders von Fouling-Prozessen betroffen, wobei das Fouling in Form einer unspezifischen Verblockung von Filterhilfsstoffen, wie zum Beispiel von Kieselgur, Polyvinylpolypyrrolidon (PVPP) und β-Glucanen, auf der Membranoberfläche auftritt. In der Hauptsache wird die insbesondere durch hohe Scherkräfte verstärkte Gelbildungsneigung der β-Glucane für das Auftreten von Filtrationsproblemen und die Bildung von Trübungen während der Lagerung verantwortlich gemacht. Die Folgen sind niedrige Standzeiten der eingesetzten Membranen, niedrige Durchflussraten und geringere Filterleistungen. Gemäß dem Stand der Technik treten daher bei einer großen tangentialen Anströmung von Bier auf das Filtermedium in verhältnismäßig kurzer Zeit Verstopfungen auf. Nur mit einer geringen Anströmung von etwa 1 bis 3 hl/qm h werden derzeit brauchbare Ergebnisse mit akzeptablen Filterstandzeiten erzielt.

Eine erfindungsgemäße oberflächenmodifizierte Ultrafiltrationsmembran ist demgegenüber in der Lage, den Foulingprozess bei der Bierfiltration bei höherer tangentialer Anströmung auf der Membranoberfläche zu vermindern. Das führt dazu, dass der Reinigungszyklus reduziert werden kann und die Lebensdauer der Membran erhöht wird. Die Gelbildung der β-Glucane kann zwar nicht vollständig verhindert werden, jedoch können durch das geringere Affinitäts- und Adsorptionsverhalten der funktionalisierten Membran durch die Gelschichten verursachte Ablagerungen an der Membranoberfläche minimiert werden. Ein Vorteil der Verwendung einer erfindungsgemäß modifizierten Membran liegt darin, dass eine Lebensdauererhöhung (Standzeit) der Membran von mindestens 30% erreicht werden kann. Ferner erlaubt das Verfahren gegenüber derzeitiger Anlagen um etwa 50% höhere Filterleistungen. Schließlich wird durch eine wesentliche Reduzierung der Reinigungszyklen zirka 20% weniger Prozesswasser für die Rückspülung benötigt und kann somit eingespart werden. Darüber hinaus können Personal-, Wartungs-, Energie- und Entsorgungskosten minimiert werden.

Eine weitere bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Antifouling-Verfahrens besteht in der Medizintechnik, wobei das oberflächen-modifizierte Material für Gegenstände verwendet wird, die sich in Langzeit-Kontakt mit Patienten, insbesondere mit Geweben oder Körperflüssigkeiten jeglicher Art, befinden. Dabei kommt insbesondere der Einsatz für lnfusionsnadeln, Kanülen, Kathetern, Implantaten und dergleichen in Frage.

Ferner können entsprechend modifizierte Antifouling-Materialien in der Biotechnologie oder Pharmaindustrie Anwendung finden, wobei das Material insbesondere für Gegenstände zur Filtration von Flüssigkeiten, zum Anreichern von Substanzen aus Flüssigkeiten, zum Entsalzen, zur dead-end-Filtartion, in cross-flow-Anwendungen oder dergleichen verwendet werden kann.

Schließlich können die erfindungsgemäßen Antifouling-Materialien für mit Gewässern in Kontakt stehende Gegenstände eingesetzt werden. Insbesondere können (Kunststoffbeschichtete) Metallrümpfe von Schiffen mit einer Antifouling-Modifizierung versehen werden, die einer Ansiedelung von Mikroorganismen und komplexen Strukturen entgegenwirkt. Ebenso kann das Verfahren in der Abwasserreinigung, insbesondere zur Reinigung kommunaler Abwässer, technischer Prozessabwässer der Industrie oder Abwässer medizinischer Einrichtungen eingesetzt werden, wobei das Material mit erfindungsgemäß modifizierter Oberfläche auch hier für Gegenstände in Langzeitkontakt mit dem Gewässer verwendet wird, insbesondere für Filter oder Behältnissen.

Das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Material mit verringerter Adsorptionsneigung für Moleküle oder biologischen Zellen aus Lösungen oder Suspensionen wird durch Oberflächenmodifizierung des Trägermaterials durch in-situ Polymerisation ausgewählter Monomere an der Oberfläche hergestellt, vorzugsweise durch photoinitiierte heterogene Pfropfpolymerisation unter Erzeugung von kovalent auf der Materialoberfläche gebundener Pfropfpolymeren aus geeigneten Monomeren. Das Verfahren wird besonders vorteilhaft streng oberflächenselektiv bezüglich des Trägermaterials durchgeführt, das heißt unter Radikalbildung, die streng auf die Materialoberfläche begrenzt bleibt und eine Materialbeeinträchtigung ausschließt. Das Verfahren zeichnet sich ferner durch eine sehr gleichmäßige, über die gesamte Oberfläche verteilte Schichtdicke aus. Die Antifouling- Materialien können dabei nach einem Verfahren erhalten werden, das im Wesentlichen aus folgenden Schritten besteht:

  • a) Das Trägermaterial wird zunächst mit einem geeigneten Photoinitiator oberflächenbeschichtet, der nach Lichtanregung an der Trägeroberfläche Radikale erzeugen kann, vorzugsweise durch Wasserstoffabstraktion und damit ohne Matrixpolymerdegradation des Trägermaterials.
  • b) Das beschichtete Trägermaterial wird anschließend in Gegenwart eines ausgewählten funktionellen Monomers oder Monomerengemisches mit Licht geeigneter Wellenlänge (zum Beispiel des UV-Bereichs) belichtet, wobei eine funktionelle Schicht, die aus am Trägermaterial kovalent verankerten, untereinander unvernetzten funktionellen Pfropfpolymeren besteht, gebildet wird. Die Belichtung erfolgt vorzugsweise selektiv, so dass nur der Photoinitiator angeregt wird.
  • c) Nicht umgesetzte Monomere, Photoinitiator sowie lösliche Homo- oder Copolymere beziehungsweise Photoinitiatorfolgeprodukte werden schließlich von dem Trägermaterial extrahiert.

Auch eine sequentielle Aktivierung/Initiierung der Pfropfpolymerisation ist möglich, indem zunächst die Belichtung des gemäß Stufe i) mit dem Photoinitiator beschichteten Trägermaterials in Gegenwart von Sauerstoff oder mit nachträglicher Exposition in Sauerstoff unter Bildung von Peroxiden des Trägermaterials erfolgt und danach die Reaktion mit dem Monomer thermisch initiiert wird. Auch andere heterogen chemisch initiierte Reaktionen zur Initiierung einer Pfropfpolymerisation sind anwendbar.

Als Photoinitiator eignen sich besonders Benzophenon und strukturell verwandte Ketonderivate. Die Beschichtung mit dem Photoinitiator in Stufe i) kann aus einer Lösung in einem Nichtlösungsmittel für das Matrixpolymer durch Dip-Coating oder Imprägnieren vorgenommen werden; sie kann aber gegebenenfalls auch ohne zusätzlichen Verfahrensschritt direkt von der in Stufe ii) beschriebenen Pfropfcopolymerisation erfolgen, indem der Photoinitiator aus einer Mischung aus Initiator, Monomer beziehungsweise Monomergemisch und gegebenenfalls Lösungsmittel an der Trägeroberfläche adsorbiert wird.

Bei vorgegebenem Trägermaterial mit entsprechender homogener oder poröser Struktur und damit geringer oder größerer spezifischer Oberfläche, lassen sich über die Pforpfpolymerisationsbedingungen (Photoinitiatorbeschichtung, Monomerkonzentration, Belichtungsdauer) der Funktionalisierungsgrad und damit die Beladung pro Fläche in weiten Bereichen einstellen. Bei Wahl geeigneter Bedingungen (Lichtabsorption von Photoinitiator und Trägermaterial) sind gleichmäßige Funktionalisierungen dicker poröser Schichten möglich.

Die vorzugsweise angewandte Photomodifizierung gestattet in einem schnellen und effektiven Verfahren die reproduzierbare und gleichmäßige Funktionalisierung großer kontinuierlicher organischer oder anorganischer Polymermaterialien.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert, welche zeigen:

Fig. 1 Adsorption von BSA an HEMA-modifizierten PES-Membranen in Abhängigkeit von dem Pfropfgrad;

Fig. 2 relativer Fluss durch PEG400-modifizierte und nicht-modifizierte PES- Membranen in Abhängigkeit vom durchgesetzten Volumen;

Fig. 3 Vergleich der Filterleistung von BSA an PEG400 MA-modifizierten und unmodifizierten PES-Membranen unterschiedlicher Porengröße und

Fig. 4 Vergleich der Filterleistung von anionisch und kationisch modifizierten und nicht-modifizierten Keramikmembranen in Abhängigkeit von der Filtrationsdauer.

Beispiel 1 Modifizierung von PESIPSU-Membranen mit Photopfropfung Vorbereitung und Vorextraktion der PES/PSU-Materialien

Zugeschnittene Membranen (zum Beispiel DIN A4) aus Polyethersulfon (PES) oder Polysulfon (PSU) werden etwa 1 Stunde in Methanol bei 40°C vorsichtig extrahiert. Nach Trocknung der Membranen werden die Membranen gewogen.

Beladung mit Photoinitiator

Eine definierte Konzentration einer Photoinitiatorlösung (zum Beispiel 0,15 M Benzophenon (BP) in Methanol) wird zunächst beispielsweise photometrisch überprüft und gegebenenfalls korrigiert. Vor der Beladung wird die Lösung filtriert. Die Membran wird für 10 Minuten in einem geeigneten Gefäß mit der Initiatorlösung gegeben. Nach Entnahme wird die Membran getrocknet und die adsorbierte Menge an Photoinitiator gravimetrisch durch Differenzwägung bestimmt. Anschließend wird die Membran in eine vorbereitete, entgaste Lösung des Monomers gelegt. Die Standzeit beträgt 30 Minuten, wobei ein leichter Stickstoffstrom eingeleitet wird.

Photopfropfung

Das Reaktionsgefäß mit der mit der Monomerlösung bedeckten Membran wird mit einem je nach Photoinitiator geeigneten Filter nach Vorgabe (abhängig vom gewünschten Pfropfgrad) der benötigten Strahlungsdosis ausgesetzt. Nach beendeter Bestrahlung erfolgt eine Nachreaktionszeit von 15 Minuten mit anschließender Überführung zur Nachextraktion.

Nachextraktion

Die nach oben genanntem Verfahren photochemisch modifizierten Membranen werden zuerst mit deionisiertem Wasser bei 50°C extrahiert. Danach werden die Membranen in ausreichend Methanol bei 40°C extrahiert. Die Extraktion wird so lange wiederholt, bis keine weiteren Reste des Photoinitiators mehr in der Membran enthalten sind.

Die gemäß diesem allgemeinen Verfahren erhaltenen Membranen sind insbesondere für die Bierfiltration geeignet, wie aus den folgenden Beispielen anhand von Affinitätsuntersuchungen unterschiedlich oberflächen-modifizierter PES-Membranen verschiedener Porengröße gegenüber der Anlagerung von Rinderserumalbumin (BSA) deutlich wird.

Beispiel 2 Adsorptionsneigung von BSA an HEMA-modifizierten PES-Membranen

PES-Membranen werden nach der allgemeinen Vorschrift gemäß Beispiel 1 mit dem Monomer Hydroxyethylmethacrylat (HEMA) modifiziert. Dabei wer den unterschiedliche Pfropfgrade im Bereich von 0 bis 0,8 mg/cm2 durch Variation der Strahlungsdosis während der Photopfropfung eingestellt. Anschließend werden die HEMA-modifizierten Membranen zur Bestimmung der unspezifischen Adsorption für zwei Stunden mit einer 1%igen wässrigen Lösung von Rinderserumalbumin (BSA) in Kontakt gebracht. Die Ermittlung des Beladungsgrades der Membranen mit BSA erfolgt anschließend durch Differenzwägung der getrockneten Membranen vor und nach der BSA-Inkubation. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, nimmt die BSA-Beladung der Membranen mit zunehmenden HEMA-Pfropfgrad näherungsweise linear ab. Dabei wird bei einem Pfropfgrad von 0,7 mg/cm2 eine Reduzierung der BSA-Beladung um etwa 60 bis 70% gegenüber nicht modifizierter Membranen erzielt.

Beispiel 3 Adsorptionsneigung von BSA an PEG400-modifizierten PES-Membranen

PES-Membranen (3 × 3 cm) unterschiedlicher Porengröße, [0.45 µm (PES 4F), 0.50 µm (PES 5F), 0.55 µm (PES 6F)J werden nach der allgemeinen Vorschrift gemäß Beispiel 1 mit dem Monomer Polyethylenglykol 400 (PEG400) unter Erhalt eines Pfropfgrades im Bereich von 35 bis 46 mg/g modifiziert.

Die Durchflussrate der PEG400-modifizierten Membranen wird dann nach Durchsatz unterschiedlicher Volumina einer Lösung von 1% BSA in Puffer im Vergleich zur einer nichtmodifizierten PES-Membran ermittelt. Die Membranen werden jeweils in eine Druckfiltrationszelle (Amicon 8010) eingespannt und die benötigte Durchlaufzeit für jeweils 1 ml Lösung bei 1.5 bar Überdruck mit Hilfe einer Mensur bestimmt. Wie aus Fig. 2 deutlich wird, nimmt die Flussrate der modifizierten Membran gegenüber der nicht-modifizierten mit kumuliertem Durchsatz der Proteinlösung signifikant langsamer ab.

Die PEG400-modifizierten Membranen unterschiedlicher Porengröße werden anlog Beispiel 2 für eine definierte Dauer mit einer wässrigen Lösung von Rinderserumalbumin (BSA) in Kontakt gebracht und anschließend die Adsorption von BSA an die Membranen im Vergleich zu nicht-modifizierten PES-Membranen bestimmt. Die Ergebnisse sind in Fig. 3 gezeigt, wo die BSA-Beladung der modifizierten Membranen jeweils in Relation zu den nichtmodifizierten Membranen (100%) dargestellt sind. Es wird deutlich, dass die PEG400-Modifizierung das Protein-Fouling um mindestens 80% reduziert.

Beispiel 4 Modifizierung von Keramikmembranen mit Photopfropfung Hydrophobisierung

Keramikmembranen mit Edelstahl-Stützgewebe und einer Porengröße von 30 nm werden ohne weitere Vorbehandlung für 24 Stunden am Siedepunkt unter Rückflusskühlung in einer Lösung aus 5% Trimethoxypropylsilan in Toluol silanisiert. Anschließend erfolgt eine Extraktion der Keramikmembranen mit Toluol und nachfolgender Trocknung.

Beschichtung mit Photoinitiator

Die Keramikmembranen werden für eine Stunde in einer Lösung aus 80 mmolar Benzophenon in Methanol getaucht.

Pfropfung

Keramikmembranen werden aus der BP-Lösung in eine Monomerlösung definierter Konzentration überführt und für 15 min stehen gelassen. Dabei werden als Monomere Styrolsulfonsäure-Na (anionisch) oder Pleximon 760 (2-Trimethylammoniumethylmethacrylat-chlorid; kationisch) eingesetzt wird. Anschließend erfolgt UV-Bestrahlung mit einer definierten Dosis.

Extraktion

Nach erfolgter Photopfropfung erfolgt eine Extraktion zunächst für eine Stunde in H2O, dann für eine Stunde in Methanol.

Die so modifizierten Keramikmembranen eignen sich insbesondere für die Aufreinigung von kommunalen Abwässern oder industriellen Prozesswässern. Durch die kleinen Poren eignet sich dieses Material auch zur Trinkwasseraufbereitung oder zur Abwasserbehandlung medizinischer Einrichtungen, da es auch in der Lage ist, Viren und Bakterien aus dem Wasser zu entfernen.

Beispiel 5 Adsorptionsneigung von BSA an anionisch oder kationisch modifizierten Keramikmembranen

Die gemäß Beispiel 4 hergestellten anionisch beziehungsweise kationisch modifizierten Keramikmembranen werden Flussmessungen mit einer BSA-Lösung in Acetatpuffer (pH 4,75) unterzogen. Hierfür wurden die Membranen zunächst mit Methanol angefeuchtet und anschließend eine 1%ige BSA-Lösung Lösung in Acetatpuffer (pH 4,75) über die Membranen filtriert.

In Fig. 4 sind die Flusskurven einer unmodifizierten im Vergleich zu den beiden modifizierten Varianten dargestellt. Eine zunehmende Verblockung der Membran wird in dieser Art der Auftragung durch eine zunehmende Abflachung der Kurve deutlich. Dementsprechend ist eine vollständig verstopfte Membran durch eine horizontale Linie charakterisiert. Es ist deutlich zu sehen, dass die Membranen anfangs noch sehr ähnliche Flussleistungen haben, mit fortschreitender Filtrationsdauer aber deutliche Unterschiede auftreten. Dabei zeigen die erfindungsgemäß modifizierten Proben jeweils verbesserte Flussleistungen im Vergleich zur unmodifizierten Membran. Die Unterschiede zwischen den modifizierten Proben lassen sich durch das verwendete Meßsystem erklären. ABKÜRZUNGEN BP Benzophenon

BSA Rinderserumalbumin

DG Pfropfgrad (degree of grafting)

HEMA Hydroxyethylmethacrylat

HHL halbe Halblast

PES Polyethersulfon

PEG Polyethylenglycol


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Verringerung einer Adsorptionsneigung von Molekülen oder biologischen Zellen aus Lösungen oder Suspensionen an einer mit der Lösung oder Suspension in Kontakt stehenden Materialoberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass als Material, ein organisches oder anorganisches Trägermaterial mit einer modifizierten Oberfläche verwendet wird, wobei die Modifizierung der Oberfläche durch in-situ Polymerisation von in Abhängigkeit einer Beschaffenheit des Moleküls oder der Zelle ausgewählter Monomere an der Oberfläche erfolgt.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in-situ Polymerisation durch chemische oder photochemische Pfropfung, radikalische oder ionische Polymerisation oder Polymervernetzung erfolgt.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl des Monomers derart erfolgt, dass das Material eine verringerte Adsorptionsneigung für Proteine, Peptide, Peptoide, Peptidomimetika, Enzyme, Antikörper, Impfstoffe, Nukleinsäuren, insbesondere DNA, RNA oder Plasmide, Kohlenhydrate, Glucane, Huminstoffe und/oder Derivate von diesen und/oder für andere organische Moleküle und/oder oder kleine Partikel erhält.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl des Monomers derart erfolgt, dass das Material eine verringerte Adsorptionsneigung für mikrobielle Zellen, insbesondere für Bakterien, Pilze, Viren, Blutzellen, Gewebezellen und/oder dergleichen erhält.
  5. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl des Monomers in Abhängigkeit einer elektrostatischen Ladung und/oder einer Polarität und/oder räumlichen Struktur des Monomers erfolgt.
  6. 6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Monomer insbesondere aus der Gruppe umfassend Methylmethacrylat, Methylacrylat, Hydroxyethylmethacrylat, Polyethylenglycolmonomethacrylate verschiedener Kettenlänge, N-Isopropylacrylamid, Diethylacrylamid, Methacrylsäure, Acrylsäure, Acrylamidopropansulfonsäure, Carbonsäurederivate mit polymerisationsfähiger Gruppe, Sulfonsäurederivate mit polymerisationsfähiger Gruppe, Phosphorsäurederivate mit polymerisationsfähiger Gruppe, Styrolsulfonsäure, Styrolphosphorsäure, polymerisationsfähige Ammonium-, Sulfonium-, Phosphoniumderivate, bi- und polyfunktionelle Monomere, polymerisationsfähige Derivate auf der Basis von Polyimiden, Heparin, fluorierte polymerisationsfähige Monomere, Monomere auf der Basis von Aminosäuren, Kohlenhydraten, Acrylamid, polymerisationsfähige Detergentien, Alkyle verschiedener Kettenlänge mit polymerisationsfähiger Gruppe, Hexylmethacrylat, tert-Butylmethacrylat ausgewählt wird.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägermaterial ein organisches Polymermaterial verwendet wird, insbesondere Polysulfon, Polyethersulfon, Polyolefin wie Polypropylen oder Polyethylen, Polyamid, Polyester, Polycarbonat, Polyacrylnitril, Polyvinylidenfluorid, Polytetrafluorethylen, Polyacrylat, Polyacrylamid, Cellulose, Amylose, Agarose oder ein Derivat von diesen.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägermaterial ein anorganisches Polymer, insbesondere Metall, Glas, Silikat, Keramik oder dergleichen, verwendet wird.
  9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial vor der Modifizierung der Oberfläche durch in-situ Polymerisation des Monomers chemisch vorbehandelt wird oder mit einem organischen Polymermaterial beschichtetet wird.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Material für poröse, zur Filtration oder Dialyse der Lösung oder Suspension eingesetzte Membranen verwendet wird.
  11. 11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran eine Ultra- oder Mikrofiltrationsmembran, insbesondere aus einem organischen Polymermaterial, mit einer symmetrischen oder asymmetrischen Porenstruktur und einer Porengrößen in einem Bereich von nm bis µm ist.
  12. 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Material für mit der Lösung oder der Suspension in Kontakt stehende porösen Materialien, insbesondere Sintermaterialien wie Keramikmembranen, oder nicht-porösen Materialien verwendet wird, insbesondere für Filme, Folien, Schläuche, Leitungen, Dialysematerialien, Behältnisse, Katheter, lnfusionsnadeln, Drainagen, medizinische Implantate, Reaktoren oder dergleichen.
  13. 13. Verfahren zur Herstellung eines zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 geeigneten Materials mit verringerter Adsorptionsneigung für Moleküle oder biologischen Zellen aus Lösungen oder Suspensionen, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche eines Trägermaterials durch in-situ Polymerisation von in Abhängigkeit einer Beschaffenheit des Moleküls oder der Zelle ausgewählter Monomere an der Oberfläche modifiziert wird.
  14. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die in-situ Polymerisation durch chemische oder photochemische Pfropfung, radikalische oder ionische Polymerisation oder Polymervernetzung durchgeführt wird.
  15. 15. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in der Lebensmitteltechnologie für Materialien zur Filtration, insbesondere Steril- oder Klarfiltration von flüssigen Nahrungsmitteln oder Getränken, insbesondere von Bier, Wein, Fruchtsäften oder Molkereiprodukten.
  16. 16. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in der Medizintechnik, wobei das Material für Gegenstände in Kontakt mit Patienten verwendet wird, insbesondere mit Geweben oder Körperflüssigkeiten jeder Art.
  17. 17. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in der Biotechnologie oder Pharmaindustrie, wobei das Material insbesondere für Gegenstände zur Filtration von Flüssigkeiten, zum Anreichern von Substanzen aus Flüssigkeiten, zum Entsalzen, zur dead-end-Filtartion, in cross-flow-Anwendungen oder dergleichen.
  18. 18. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in der Abwasserreinigung, insbesondere zur Reinigung kommunaler Abwässer, technischer Prozessabwässer der Industrie oder Abwässer medizinischer Einrichtungen.
  19. 19. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 für mit Gewässern in Kontakt stehenden Gegenständen, insbesondere Schiffsrümpfen.






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