Ultrafiltration von Nanopartikeln
- Nanopartikelaufreinigung und -herstellung
- Ultrafiltrationsverfahren zur Trennung, Aufreinigung und Konzentration von Nanopartikeln
- Membranauswahl für Nanopartikelanwendungen
- Schlussfolgerungen
- Zugehörige Produkte
- Literatur
Nanopartikelaufreinigung und -herstellung
Nanopartikel (NP) haben sich zu einem wichtigen Faktor in den Bereichen Bio-Imaging, Biosensorik, gezielter Wirkstofftransport und kontrollierte Freisetzung von Arzneistoffen entwickelt. Die effiziente Sammlung und Vorbereitung von Nanopartikeln ist bei der Herstellung von Nanomaterialien von entscheidender Bedeutung. Die Ultrafiltration (UF) wurde in der Vergangenheit häufig bei der Vorbereitung und Aufreinigung von Nanopartikeln nach der Synthese genutzt (Abbildung 1).1 Dabei wurde die Filtration traditionell mithilfe von Einheiten zur druckgesteuerten Ultrafiltration (pUF; pressurized UltraFiltration) durchgeführt. Erst mit Einführung der Zentrifugenultrafiltration (cUF, centrifugal UltraFiltration) konnte bei der Nanopartikelvorbereitung und -aufreinigung mit kleinen Volumen gearbeitet werden.
Abbildung 1.Ultrafiltrationsanwendungen bei der Nanopartikelvorbereitung und -aufreinigung.
Nanopartikel können mittels organischer oder anorganischer Materialien, Polymeren und Metallen hergestellt werden. Solch eine Oberflächenfunktionalisierung vermittelt spezifische Biofunktionen und verbessert die Biokompatibilität bei biologischen Anwendungen.2 Magnetische Nanopartikel, Quantenpunkte, Metallnanopartikel, Silica-Nanopartikel und polymere Nanopartikel sind zudem von biomedizinischer Bedeutung.3 Viele Nanopartikel können jedoch nicht direkt nach der Herstellung verwendet werden. Wässrige Matrixformulierungen wiederum können ungebundene Wirkstoffe enthalten, die entfernt werden müssen. Biomoleküle, chemische Stoffe und andere Verunreinigungen von Lysaten, Körperflüssigkeiten, Serum, Puffern, Medien und sonstigen Reagenzien müssen möglicherweise weiter getrennt werden. Einige wirken dabei schädigend auf ihr biologisches Umfeld.3 Deshalb bedarf es verlässlicher Methoden zur Konzentration, Anreicherung, Waschung und Aufreinigung von Nanopartikeln.
Ultrafiltrationsverfahren zur Trennung, Aufreinigung und Konzentration von Nanopartikeln
Zentrifugeneinheiten für die Ultrafiltration können zur größenbasierten Reinigung, Waschung und Konzentration von Nanopartikeln verwendet werden. Amicon®-Ultra- und Centricon®-Plus-Zentrifugeneinheiten für die Ultrafiltration sowie das Amicon®-Pro-Aufbereitungssystem für das gleichzeitige Waschen und Konzentrieren, können für folgende Zwecke verwendet werden:
- Nanopartikeltrennung und -aufreinigung
- Nanopartikelkonzentration
- Nanopartikelanreicherung
- Entsalzung
- Pufferaustausch
- Reinigung nach der Funktionalisierung
- Abreicherung von in hoher Zahl vorhandenen Proteinen
Für die druckgesteuerte Ultrafiltration (pUF) von größeren Probenvolumen können Amicon®-Rührzellen in Kombination mit einer geeigneten Ultracel®-Filtrationsscheibenmembran verwendet werden. Amicon®-Rührzellen stellen eine schonende Ultrafiltrationsmethode dar.
Nach der ersten Filtration können Nanopartikel für das Waschen und den Pufferaustausch weiterzentrifugiert oder erneut konzentriert werden. Zurückgehaltene und passierende gelöste Stoffe können aufgefangen und analysiert werden, um die Reinheit, Verkapselungseffizienz und Bindung von Nanopartikeln sowie die Wirkstoffkonzentration zu ermitteln.
Membranauswahl für Nanopartikelanwendungen
Die Trennung und Konzentration von Molekülen während der Ultrafiltration basiert auf einem Größenausschluss. Bei den meisten Biomolekülen beträgt das Molekulargewicht weniger als 500.000 Da, weshalb Nanopartikel sehr gut in diese Kategorie passen. Amicon®-Ultra-Zentrifugeneinheiten für die Ultrafiltration, Centricon®-Plus-Zentrifugeneinheiten für die Ultrafiltration bei größeren Volumen und Amicon®-Pro-Aufbereitungssysteme für das gleichzeitige Waschen und Konzentrieren weisen feste nominale Molekulargewichtsgrenzen (NMWLs, Nominal Molecular Weight Limits) auf, die sich aus ihrer jeweiligen Filtermembran ergeben. Sie liefern einen Partikelgrößengrenzwert, bei dem > 90 % der Partikel zurückgehalten werden. Diese Filtersysteme werden mit Membran-NMWLs von 3.000, 10.000, 30.000, 50.000 und 100.000 Da angeboten. Die Auswahl der geeigneten Membranporen-Größe für die jeweilige Nanopartikelgröße und -anwendung kann schwierig sein, wie eine Überprüfung der veröffentlichten Literatur ergeben hat (Abbildung 2).
Abbildung 2.Vergleich von veröffentlichten Membrangrößen nach Nanopartikel-Typ. Die Membranporen-Größe sollte auf Grundlage sowohl der Nanopartikelgröße als auch der Nanopartikelanwendung (z. B. Aufreinigung aus einer komplexen Probe, Konzentration, Pufferaustausch, Entsalzung) ausgewählt werden.
Zu berücksichtigende Faktoren für die Auswahl der Ultrafiltrationsmethode sowie der Membranporen-Größe:
- Nanopartikelgröße: Die Größe kann auf Grundlage von veröffentlichten Quellen oder anhand von Messtechniken wie Mikroskopie, Laserbeugung oder dynamischer Lichtstreuung geschätzt werden.
- Größe der wichtigsten Trennungsziele in der Lösung: Die Größe der Proteine, Antikörper, Wirkstoffe, chemischen Stoffe und sonstigen Partikel, die getrennt werden müssen, beeinflusst die Auswahl der Membrangröße.
- Probenvolumen: Verarbeitungsmengen von ≤ 0,5 ml bis 70 ml sind mit Zentrifugeneinheiten für die Ultrafiltration (cUF; centrifugal UltraFiltration) kompatibel. Bei größeren Volumen kann die Anwendung von Einheiten zur druckgesteuerten Ultrafiltration (pUF) von Vorteil sein.
Um Nanopartikel zurückzuhalten, muss der Molekulargewichtsgrenzwert der Filtermembran kleiner sein als der Nanopartikel (etwa halb so groß wie das Molekulargewicht des Nanopartikels), jedoch groß genug, dass kleinere Komponenten herausgefiltert werden können.
Schlussfolgerungen
Die Zentrifugenultrafiltration (cUF) und die druckgesteuerte Ultrafiltration (pUF) spielen eine wichtige Rolle bei der Aufreinigung und Vorbereitung von Nanopartikeln. Anwendungen der Ultrafiltration von Nanopartikeln umfassen Trennung, Konzentration, Pufferaustausch, Kontrolle der Wirkstoffkonzentration und Entfernung von Farbstoffen, Enzymen und ungebundenen Komponenten aus Nanopartikel-Präparaten. Viele Veröffentlichungen verweisen auf den Nutzen der Amicon®- und Centricon®-Zentrifugeneinheiten für die Ultrafiltration sowie der Amicon®-Rührzellen für die druckgesteuerte Ultrafiltration im Bereich der Aufreinigung und Konzentration von Nanopartikeln und Makromolekülen. Da Verunreinigungen ionisch, molekular oder partikelförmig sein können, kann die optimale Filterauswahl einen wesentlichen Unterschied in Bezug auf Erträge, reproduzierbare Ergebnisse und Filtratqualität machen. Amicon®-und Centricon®-Filtereinheiten enthalten eine Ultracel®-Filtermembran aus regenerierter Zellulose. Deren komplexe Struktur entfernt Verunreinigungen, die sich auf essenzielle biologische und chemische Bestimmungen, nachgeschaltete Analysen und die Assay-Leistung auswirken können. Ultrafiltrationsverfahren werden zur Trennung, Aufreinigung und Anreicherung von Nanopartikelpräparaten im Labormaßstab eingesetzt. Sowohl die Prozesse der Zentrifugenultrafiltration (cUF) als auch der druckgesteuerten Ultrafiltration (pUF) bieten eine schnelle, einfache und effiziente Möglichkeit zur Trennung des Nanomaterials von kleineren Bestandteilen und in das Filtrat übergehenden Flüssigkeiten. Die physikalischen Zusammensetzung, die Größe und die Form sind wichtige Attribute, die bei der Filterauswahl berücksichtigt werden müssen. Das Amicon®-Portfolio bietet eine Reihe von Ultrafiltrationsmembraneinheiten für die Aufreinigung und Herstellung von Nanopartikeln.
Literatur
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