Funktionale Partikel und Partikeltechnologien

Mikro- und Nanopartikel fungieren als Trägersubstanzen in Biotechnik, Kosmetik und Medizin sowie in der Landwirtschaft. Ebenso lassen sie sich zur Anreicherung bzw. Abtrennung von gering konzentrierten Wertstoffen oder Stör-/Schadstoffen einsetzen, beispielsweise in Reinigungsprozessen.

Am Fraunhofer IGB stellen wir für die jeweilige Anwendung maßgeschneiderte Mikro- und Nanopartikel mit einem Durchmesser im Bereich von 50 Nanometern bis mehreren 100 Mikrometern aus organischen und anorganischen Materialien her, deren Kern zusätzlich funktionalisiert werden kann. Unser Augenmerk liegt dabei auf der Gestaltung der Oberfläche, etwa durch Anbindung biologischer Moleküle als Rezeptoren. Zusätzliche Funktionen des Kerns sind z. B. Farbstoffbeladung oder Magnetisierbarkeit.

Einsatzgebiete funktionaler Mikro- und Nanopartikel

Das Anwendungsspektrum von funktionalen Partikeln reicht von der Adsorption von Schadstoffen über den Schutz empfindlicher Substanzen bis hin zur pharmazeutischen Wirkstoffformulierung, wobei wir sowohl eine Langzeit-Medikation als auch ein kontrolliertes Drug Delivery einstellen können.

Die zu verkapselnden Stoffe reichen von kleinsten Molekülen im Größenbereich weniger Dalton bis zu großen biologischen Wirkstoffen wie Proteinen und speziell Antikörpern (~150 kDa).

Anwendungen

  • Abtrennung/Adsorption von Stör- und Schadstoffen
  • Anreicherung von gering konzentrierten Wertstoffen
  • Schutz empfindlicher Substanzen, z. B. von Enzymen, Vitaminen, Wirk- und Effektstoffen
    • durch Immobilisierung 
    • oder Verkapselung
  • Pharmazeutische Wirkstoffformulierung
  • Freisetzung von Wirkstoffen

Leistungsangebot und Zusammenarbeit

Unser Angebot umfasst die Herstellung, die Verarbeitung und die Charakterisierung funktionaler Partikel.

Materialien

Je nach Anforderung bzw. beabsichtigter Anwendung kommen bei der Herstellung der Partikel verschiedene Materialien zum Einsatz:

  • Biobasierte Partikel (Chitosan, Gelatine, Alginat, Inulin, Lignin)
  • Bioabbaubare Partikel (PLGA, PLA)
  • Anorganische Partikel (Silika, Gold)
     

Funktionale Oberflächen

Die Oberflächen von Nano- und Mikropartikeln statten wir zur Optimierung der gewünschten Materialeigenschaften zusätzlich mit funktionellen Eigenschaften und aktiven Gruppen aus:

  • Spezifische Adsorberpartikel
  • Biofunktionalisierung
  • Click-Chemie
  • Aktivester
     

Einstellung und Optimierung der Matrialeigenschaften

Um die spezifischen Eigenschaften gezielt einstellen zu können, werden weiterhin Blends mehrerer Materialien entwickelt, welche die Vorteile beider Materialien vereinen. Die chemische Modifikation der Materialien am Fraunhofer IGB ermöglicht außerdem komplett neue Eigenschaften der Materialien als Bulk und in partikulärer Form. Diese Modifikation entwickeln wir individuell in Zusammenarbeit mit unseren Kunden.

Zudem ist es möglich, die Freisetzung von Wirkstoffen gezielt zu verlangsamen oder zu reduzieren. Hierzu setzen wir neben der chemischen Modifikation auch biokompatible Vernetzungsreaktionen ein, welche auf elektrostatischen Wechselwirkungen basieren und dadurch zur Vermeidung von schädlichen Substanzen in der Umwelt und dem Körper beitragen.
 

Zusammenarbeit

Mit unserem umfassenden Know-how bezüglich Materialauswahl und Prozessführung entwickeln wir Lösungen für Fragestellungen aus verschiedensten Anwendungsfeldern und maßgeschneiderte Partikel für unsere Kunden. Kommen Sie mit Ihrem Bedarf oder Ihrer Idee gerne auf uns zu. Wir unterstützen Sie anschließend auch bei der industriellen Umsetzung.

Zum Einsatz kommende Materialien

Das Biopolymer Chitosan wird aus dem nachwachsenden Rohstoff Chitin, dem weltweit zweithäufigsten Biopolymer der Welt, gewonnen. Die Gewinnung erfolgt dabei vor allem aus Schalen von Krustentieren. Das Chitin wird im basisch-wässrigen Milieu deacetyliert.

Das Fraunhofer IGB verwendet hochwertige und besonders reine Chitosane mit gleichbleibender Produktqualität, auf Wunsch auch in GMP-Qualität. Weiterhin stellt eine Arbeitsgruppe unseres Institutes selbst individuell modifiziertes Chitosan ganz nach Ihren Wünschen her. Darüber hinaus entwickeln und produzieren wir Partikel im Nanometer- oder Mikrometermaßstab mittels verschiedener Partikeltechnologien.

Materialeigenschaften

Einstellbar durch den

Acetylierungsgrad

  • Quellbarkeit
  • Elastizität
  • Steifigkeit
  • Flexibilität
  • Reißfestigkeit

Einstellbar durch das

Molekulargewicht

  • Viskosität
  • Quellbarkeit
  • Reißfestigkeit

Einstellbar durch

chemische Modifizierung

  • Wasserlöslichkeit
  • Quellbarkeit
  • Viskosität
  • Ladung

Das nachwachsende Biopolymer Alginat – auch als Alginsäure bekannt – wird hauptsächlich aus Braunalgen gewonnen. Es ist wasserlöslich und bildet mit Wasser ein Hydrogel.

Es ist für innovative Wirkstoffformulierungen besonders gut geeignet, da es bereits von der amerikanischen Arzneimittelbehörde (FDA) für Medikamente und Medizinprodukte zugelassen wurde. Besonders vorteilhaft für verschiedene Anwendungen im Umwelt-, Pharma- und Lebensmittelsektor ist die hohe Wasseraufnahmekapazität und die Mukoadhäsion dieses Materials.

Das Fraunhofer IGB verwendet hochwertige und besonders reine Alginate mit gleichbleibender Produktqualität, auf Wunsch auch in GMP-Qualität. Zudem entwickeln und produzieren wir für Sie Partikel im Nanometer- oder Mikrometermaßstab mittels verschiedener Partikeltechnologien.

Materialeigenschaften

Einstellbar durch das

Molekulargewicht

  • Viskosität
  • Quellbarkeit
  • Reißfestigkeit

Einstellbar durch

chemische Modifizierung

  • Wasserlöslichkeit
  • Quellbarkeit
  • Viskosität
  • Ladung

Partikeltechnologie: Herstellung funktionaler Partikel

Nano- und Mikropartikel mit einem Durchmesser im Bereich von 50 Nanometern bis mehreren 100 Mikrometern werden am Fraunhofer IGB aus organischen und anorganischen Materialien hergestellt.

Am Fraunhofer IGB steht eine Reihe verschiedener Partikeltechnologien zur Herstellung der Partikel zur Verfügung:

 

Sprühtrocknung

 

Emulsionstechniken

 

Polymerisation

 

Verkapselung

Sol-Gel-Chemie

Gold/Silber-Partikel durch Reduktion

Ausstattung: Erprobung von partikelbasierten Trennungsprozessen

Versuchsanlage zur Abtrennung von Minorkomponenten aus Pflanzenöl.

Für FuE-Projekte steht eine Testanlage zur Verfügung, die auf die Trennung von verschiedenen Minorkomponenten von Kern- oder Pflanzenöl, Pflanzenextrakten und Biodiesel spezialisiert ist. Die Pflanzen oder Samen können direkt am Standort der Ölmühle, in der Pflanzen verarbeitenden Industrie oder von Biokraftstoffproduzenten genutzt werden. Die für die Trennung von Wert- und Störstoffen bei Pflanzenölen entwickelte Testanlage kann durch Anpassung des polymeren Adsorbermaterials auf weitere Trennaufgaben für biobasierte Öle oder Pflanzenextrakten übertragen werden. Zur Erhöhung der Adsorptionsoberfläche können zukünftig auch Füllkörper mit geringeren Packungsdichten und einem damit verbundenen geringerem freien Volumen verwendet werden.

Anwendungen und Referenzen

 

Adsorptive Abtrennung und Aufreinigung

Adsorberpartikel eignen sich zur selektiven Abtrennung werthaltiger oder störender Stoffe. Das für α-Tocopherol entwickelte Adsorptionsverfahren ist im Technikumsmaßstab anwendbar.

 

 

Immobilisierung von Enzymen

Enzyme sind vielseitige Biokatalysatoren; ihre technische Anwendung ist aber oft durch mangelhafte Langzeitstabilität Schwierigkeiten beim Recycling eingeschränkt. Diese Schwachstellen können wir durch eine Immobilisierung der Enzyme an funktionale Partikel umgehen.