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3D-Druck von stationären Phasen für die Anwendung in der Flüssigchromatographie

Omralinov, Daria (2024)
3D-Druck von stationären Phasen für die Anwendung in der Flüssigchromatographie.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00027324
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: 3D-Druck von stationären Phasen für die Anwendung in der Flüssigchromatographie
Language: German
Referees: Etzold, Prof. Dr. Bastian J. M. ; Rose, Prof. Dr. Marcus
Date: 17 May 2024
Place of Publication: Darmstadt
Collation: x, 101, A-11 Seiten
Date of oral examination: 17 April 2024
DOI: 10.26083/tuprints-00027324
Abstract:

Die zunehmende Bedeutung von gentechnisch produzierten Medikamenten, sogenannten Pharmazeutika, im Kampf gegen bislang unheilbare Krankheiten, wie Krebs und Diabates, efordert neue Chromatographiematerialien und deren Herstellungsmethoden zur Reinigung der Arzneimittel. Der Stand der Technik in der Chromatographie sind sphärische Kugeln, die beispielsweise durch Emulsionspolymerisation hergestellt und als zufällig angeordnete chromatographische Betten verwendet werden. Diese sind jedoch nicht an die komplexen Strukturen der Biopharmazeutika angepasst, was in geringen Bindekapazitäten resultiert. Computersimulationen haben gezeigt, dass die Leistung chromatographischer Verfahren zur Auftrennung und Reinigung solcher Biomoleküle durch die Verwendung geordneter Strukturen verbessert werden kann. Der 3D-Druck von chromatographischen Materialien würde daher eine neue und vorteilhafte Möglichkeit zur Herstellung präzise geordneter und maßgeschneiderter chromatographischer stationärer Phasen bieten. Darüber hinaus ist es mit dem 3D-Druck möglich, eine komplette Chromatographiesäule als einteilige Einheit einschließlich Packung, internen Strömungsverteilern und externen Flüssigkeitsanschlüssen zu drucken und bei jedem Druck reproduzierbare Säulen herzustellen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die derzeitigen Einschränkungen der unzureichenden Druckauflösung sowie der geringen Auswahl an hochauflösenden Materialien im 3D-Druck durch Photopolymerisationsansätze zu überwinden und neuartige stationäre Phasen als Ionen-tauscher für die Bindung von Proteinen herzustellen. Mit einer Photoharzformulierung bestehend aus den Quervernetzern Pentaerythrittetraacrylat und Triethylenglykoldimethacrylat, dem Monomer zur Einbringung funktioneller, modifizierbarer Hydroxylgruppen Hydroxyethylmethacrylat, dem Initiator Diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphinoxid und dem Photoabsorber 2,5-Bis(5-tert-butyl-benzoxazol-2-yl)thiophen konnten offene 150 μm Gitter- sowie 180 μm Gyroidstrukturen mit dem DLP-3D-Drucker realisiert werden. An 100 mm langen Gittersäulen mit 200 μm Strukturen und einer Strukturporosität von 50% konnte eine erfolgreiche sowie reproduzierbare TEMPO-Oxidation der Hydroxylgruppen erfolgen. Die Chromatographiesäulen zeigten als Anionentauscher eine maximale Bindekapazität des Lysozyms von 5,42 mg g⁻¹ mit Wiederfindungsraten ~100%. Mit dem Porogen Polypropylenglykol 1200 wurden zusätzlich bis zu 500 nm große Poren in die Struktur eingeführt, wodurch die Bindekapazität auf 33,1 mg g⁻¹ bzw. 2,5 mg m⁻² erhöht wurde.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

The increasing importance of genetically engineered drugs, known as pharmaceuticals, in the fight against previously incurable diseases such as cancer and diabetes requires new chromatography materials and their production methods for the purification of the drugs. The current state of the art material in chromatography are spherical beads, e.g. produced by emulsion polymerisation and applied as randomly arranged chromatographic beds, which are not adapted to the complex structures of biopharmaceuticals, resulting in low binding capacities. Computer simulations have shown that the performance of chromatographic methods for the separation and purification of such biomolecules can be improved by the use of ordered structures. 3D printing of chromatographic materials would therefore provide a new and advantageous way to produce precisely ordered and custom tailored chromatographic stationary phases. In addition, 3D printing makes it possible to print a complete chromatography column as a one-piece device, including packing, internal flow distributors and external fluid ports, and to produce reproducible columns each time they are printed. The aim of this work is to overcome the current limitations of insufficient printing resolution and the limited choice of high-resolution 3D printing materials by photopolymerization approaches and to fabricate novel stationary phases as ion exchangers for protein binding. Using a photoresin formulation consisting of the crosslinkers pentaerythritol tetracrylate and triethylene glycol dimethacrylate, the monomer for introducing functional, modifiable hydroxyl groups hydroxyethyl methacrylate, the initiator diphenyl(2,4,6-trimethylbenzoyl)phosphine oxide and the photoabsorber 2,5-bis(5-tert-butyl-benzoxazol-2-yl)thiophene, open 150 μm grid structures as well as 180 μm gyroid structures could be realized with the DLP-3D printer. Successful and reproducible TEMPO oxidation of the hydroxyl groups could be performed on 100 mm long lattice columns with 200 μm structures and a structural porosity of 50%. As anion exchangers, the chromatography columns showed a maximum lysozyme binding capacity of 5.42 mg g⁻¹ with recoveries of ~100%. The porogen polypropylene glycol 1200 was used to introduce additional pores of up to 500 nm into the structure, increasing the binding capacity to 33.1 mg g⁻¹ or 2.5 mg m⁻².

English
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-273243
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 540 Chemistry
600 Technology, medicine, applied sciences > 660 Chemical engineering
Divisions: 07 Department of Chemistry > Ernst-Berl-Institut
07 Department of Chemistry > Ernst-Berl-Institut > Fachgebiet Technische Chemie
Date Deposited: 17 May 2024 10:04
Last Modified: 21 May 2024 07:17
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/27324
PPN: 518398447
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