Ultrafiltrationsmembranen (UF) sind in Branchen wie der Pharmaindustrie unverzichtbar, wo sie Moleküle nach Größe trennen. Die Trennung ähnlich großer Moleküle mit unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung – etwa Antikörper mit unterschiedlichen Strukturen – war jedoch schon immer eine Herausforderung. Jetzt haben Forscher der Cornell University eine bahnbrechende Methode entwickelt, die es UF-Membranen ermöglicht, Moleküle nicht nach Größe, sondern nach ihrer chemischen Zusammensetzung zu filtern.
Bei diesem innovativen Ansatz werden chemisch unterschiedliche Blockcopolymer-Mizellen in das Membranmaterial eingearbeitet. Mizellen sind winzige, selbstorganisierende Polymerkügelchen, denen spezifische chemische Eigenschaften angepasst werden können. Durch die strategische Mischung dieser Mizellen konnten die Forscher vielfältige Porenoberflächen innerhalb der Membran erzeugen.
„Stellen Sie sich Proteinkanäle in Zellen vor – sie können anhand der Chemie, die ihre Poren auskleidet, zwischen ähnlich großen Metallionen unterscheiden“, erklärt Ulrich Wiesner, leitender Autor der Studie und Professor an der Cornell University. „Wir haben dieses Konzept von der Natur übernommen, um UF-Membranen mit chemisch programmierbaren Poren zu entwickeln.“
Das Team unter der Leitung von Lilly Tsaur untersuchte sorgfältig, wie diese Mizellen in der obersten Schicht der Membran interagieren. Sie nutzten Rasterelektronenmikroskopie, um ihre Anordnung zu visualisieren, und kombinierten sie mit maschinellem Lernen, um anhand subtiler Porenmuster die spezifische Position jedes Mizellentyps zu identifizieren. Von Fernando Escobedo und Luis Nieves-Rosado durchgeführte molekulare Simulationen lieferten entscheidende Einblicke in die komplexen Selbstorganisationsregeln dieser Mizellen.
Diese Forschung baut auf früheren Arbeiten von Wiesners Gruppe auf, die bereits zur Entwicklung kostengünstiger UF-Membranen zur Abtrennung von Viren aus Biopharmazeutika geführt haben. Die neue Entdeckung könnte das Gebiet revolutionieren, indem sie es Herstellern ermöglicht, bestehende Produktionsprozesse einfach anzupassen, um Membranen zu entwickeln, die auf bestimmte chemische Trennungen zugeschnitten sind.
„Aktuell nutzen Unternehmen einen einheitlichen Prozess zur Herstellung dieser Membranen“, sagt Wiesner. „Unsere Methode bietet ihnen eine einfache Möglichkeit, den ‚Zauberstaub‘ – die Mizellenzusammensetzung – zu verändern und chemisch vielfältige Porenoberflächen zu erreichen.“
Dieser Paradigmenwechsel in der UF-Technologie eröffnet spannende neue Möglichkeiten über die Filtration hinaus, darunter intelligente Beschichtungen, die auf ihre Umgebung reagieren, und hochempfindliche Biosensoren, die bestimmte Moleküle erkennen sollen. Die Forscher tauchen nun tiefer in diese Materialien ein und erforschen, wie sich chemische Muster unter der Oberfläche der Membran ausbreiten.
