Polymere Mikrogelpartikel als Modellkolloide für Mykoplasmen und deren Abtrennung mit Filtrationsmembranen
Büning, Dominic - Universität Duisburg-Essen (2019)
Biologische Kontaminationen durch Bakterien und Viren gehören zu den zentralen Herausforderungen in der biopharmazeutischen Industrie. Besonders die Abtrennung von pleomorphen, deformierbaren und gesundheitsschädlichen Mykoplasmen stellt in diesem Zusammenhang kein triviales Trennproblem dar. So konnte gezeigt werden, dass einige Mykoplasmen unter bestimmten Filtrationsbedingungen sogar derzeitig kommerziell verwendete 0,1 μm klassifizierte Sterilfiltermembranen penetrieren können. Daher besteht ein hoher Bedarf speziell für dieses Trennproblem optimierte Hochleistungsmembranen zu entwickeln. Ein wesentliches Problem besteht in diesem Zusammenhang darin, dass die Verwendung von lebenden Mykoplasmen in Filtrationsstudien aufgrund der hierfür benötigten aufwendigen Kultivierung und Handhabung als kosten- und zeitintensiv zu bewerten ist, wodurch die Entwicklung solcher Membranen signifikant erschwert wird.
In dieser Arbeit wurde daher die Entwicklung von weichen synthetischen Modellkolloiden angestrebt, welche zu realen Mykoplasmen analoge Eigenschaften aufweisen. Diese Materialien sollen in Filtrationsstudien zur Analyse der wirkenden Trennmechanismen verwendet werden. Zudem wird perspektivisch angestrebt diese synthetischen Partikel als Modellsubstanz im Bereich der Qualitätssicherung der Membranproduktion zu verwenden. In dieser Forschungsarbeit wurden weiche Mikrogele mittels der inversen Miniemulsionspolymerisation von Acrylamid und Acrylat basierten funktionalen Comonomeren und N,N'- Methylenbis(acrylsäureamid) synthetisiert, wobei letzteres als Vernetzer verwendet wurde. Der Einbau von funktionalen Monomeren erlaubte die Einstellung der elektrokinetischen Eigenschaften, die Bildung von spezifischen Bindungsstellen (bspw. primäre Amine) und die direkte oder nachträgliche Markierung dieser Partikel mit Fluoreszenzfarbstoffen. Durch gezielte Variation des Vernetzeranteils konnten die Quellung dieser Materialien in Wasser beeinflusst und deren mechanische Eigenschaften justiert werden. Die Variation des polymeren Feststoffgehalts hatte hingegen einen direkten Einfluss auf die mittlere Größe der erzeugten Miniemulsionströpfchen und beeinflusste zusätzlich ebenfalls die späteren mechanischen Eigenschaften der hieraus synthetisierten Mikrogele.
Im Zuge dieser Arbeit wurde eine ganze Bibliothek von Mikrogelen mit verschiedenen Eigenschaften entwickelt, von denen bspw. zwei über eine gleiche Größe (180 nm) und gleichzeitig stark abweichende Deformierbarkeiten verfügten. Es konnte zudem gezeigt werden, dass diese Modellpartikel zu realen Mykoplasmen analoge Oberflächen- und mechanische Eigenschaften aufweisen. Ein wesentliches Problem bei der Verwendung dieser Modellpartikel in realen Filtrationsstudien besteht in der geringen realen Belastung solcher Sterilfiltermembranen in der biopharmazeutischen Industrie, wodurch sehr geringe Konzentrationen quantifiziert werden müssen. Klassische Markierungsoptionen (bspw. Fluoreszenzfarbstoffe) bieten in diesem Zusammenhang keine ausreichende Nachweisbarkeit. Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit eine neuartige Markierung der Mikrogele mit geeigneten DNA-Fragmenten entwickelt, welche anschließend mittels der quantitativen Polymerasekettenreaktion quantifiziert werden konnten.
Im letzten Teil dieser Arbeit wurden die erstellten Modellkolloide in dead-end Filtrationsstudien an einem Endfilter einer derzeit kommerziell verwendeten Sterilfiltermembran eingesetzt. Hierbei wurde der Einfluss des applizierten Transmembrandrucks, die Partikelbelastung, die Deformierbarkeit der Partikel und der Einfluss des Rührens auf die Filtration und das Fouling untersucht. Im Verlauf der Filtrationen führte die Ablagerung von Mikrogelen zunächst zur Blockierung von Poren und anschließend zur Bildung eines klassischen Filterkuchens, welcher gegen Ende der Filtration durch die Rückvermischung beeinflusst wurde. Es konnte gezeigt werden, dass die untersuchten Parameter den Verlauf der genannten Phasen beschleunigten oder verlangsamten. Es konnte bspw. gezeigt werden, dass sehr weiche Mikrogele die Membran bei sehr hohen Transmembrandrücken (2 bar) signifikant penetrierten und damit die Bildung eines Filterkuchens an der Oberseite der Membran verzögerten.
Obwohl diese Erkenntnisse für alternative Applikationen, wie die Mikrofiltration von hochkonzentrierten Mikrogeldispersionen, eine hohe Relevanz aufweisen, muss konstatiert werden, dass in dieser Studie keine neuen Erkenntnisse hinsichtlich der Abtrennung solcher weichen Kolloide bei zur Sterilfiltration vergleichbaren Konzentrationen gewonnen werden konnten. Jedoch liefert diese Arbeit einen signifikanten Beitrag zur Entwicklung geeigneter Modellpartikel und damit zur Erlangung eines umfassenden Verständnisses der Abtrennung von realen Mykoplasmen mit Sterilfiltermembranen.