Bio-Rasterkraftmikroskop
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Rasterkraftmikroskop wurde zum einen im biologischen Bereich zur Untersuchung der mechanischen Eigenschaften von Mikroorganismen in wässriger Umgebung eingesetzt. Bei den untersuchten Organismen handelte es sich um Aspergillus niger, Saccharomyces cerevisiae, sowie Bacillus megaterium. Sie werden in der Industrie für die Herstellung von biotechnologischen Produkten eingesetzt. Die Untersuchungen dienten dem Verständnis des Verhaltens der Zellen im Bioreaktor sowie beim Zellaufschluss. Sie ermöglichen die schonende Freisetzung der intrazellulären Wertstoffe und somit eine Steigerung der Produktivität. Im Rahmen des SPP 1934 „Dispersitäts-, Struktur- und Phasenänderungen von Proteinen und biologischen Agglomeraten in biotechnologischen Prozessen“ wurden zum einen im Zentralprojekt Kristalle von Lysozym untersucht, weitere Proteine werden folgen. Zum anderen wurden in einem Teilprojekt quervernetzte Proteinkristalle charakterisiert, die als immobilisierte Biokatalysatoren eingesetzt werden. Mit dem Rasterkraftmikroskop, ausgestattet mit einem Cantilever mit kugelförmiger Spitze, wurden Eindrücke zur Bestimmung von Härte und E-Modul bei unterschiedlichen Quervernetzungsparametern durchgeführt. Diese Versuche wurden mit gentechnischen Methoden kombiniert, um den Einfluss des Austausches einzelner Aminosäuren auf die verarbeitungs- und anwendungstechnischen Eigenschaften der Kristalle zu bestimmen. Im Bereich nanostrukturierter Kompositmaterialien diente das AFM zur Charakterisierung der Adhäsionskräfte zwischen einem hydrophoben Cantilever und einer nanopartikulären Kunstharzbeschichtung. Bei den Messungen wurde die mittlere Adhäsionskraft sowie die Adhäsionskraftverteilung auf der Kompositoberfläche ermittelt. Über diese Messungen konnten so erfolgreich Zusammenhänge zwischen den Formulierungsparametern und den Eigenschaftsverteilungen der Beschichtungen identifiziert werden. Auch bei nanopartikulären Beschichtungen wurde das Rasterkraftmikroskop erfolgreich eingesetzt. Mit ihm konnte der Zusammenhang zwischen der Rauheit der Beschichtungen und den Formulierungs- und Beschichtungsparametern ermittelt werden. Zur Untersuchung des Einflusses von Oberflächenmodifikationen mit verschiedenen Silanen auf die Mikrostrukturen von Schüttgütern wurden Haftkraftmessungen zwischen etwa 30 µm großen Glaspartikeln gemessen. Das veränderte Haufwerksverhalten wurde anschließend mit µ-Computertomographie sowie Diskrete Elemente Simulationen untersucht. Die nanomechanischen Eigenschaften von drei schwerlöslichen Wirkstoffen wurden an Mikro- und Nanopartikeln mit dem AFM vermessen. Die für die Mikro- und Nanopartikel gemessenen E-Module weisen dabei ähnlich hohe E-Module auf, wobei die gemessenen Werte der Wirkstoffnanopartikel homogener verteilt waren. Die mit dem AFM gemessenen Werte wurden mit Werten verglichen, die an Mikropartikeln mit dem Nanoindenter gemessen wurden. Zudem wurden die mechanischen Eigenschaften mit den Zerkleinerungseigenschaften der drei Wirkstoffe korreliert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- „Röntgenmikrotomographische Analyse der Verdichtung und Scherung feiner und kohäsiver Pulver“ Dissertation TU Braunschweig, 2014 Sierke Verlag, ISBN 978-3868446647
S. Strege
- (2015). Process chain and characterisation of nanoparticle enhanced composite coatings. Advanced Powder Technology, 26(6), 1624-1632
Hesselbach, J., Barth, N., Lippe, K., Schilde, C., & Kwade, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.apt.2015.09.006) - „Nanozerkleinerung pharmazeutischer Wirkstoffe in Mahlkörpermühlen“ Dissertation TU Braunschweig, 2015 Sierke Verlag, ISBN 978-3-868447927
A. Bitterlich
- (2017). Enhancement of the mechanical properties of nanoparticulate thin coatings via surface modification and cross‐linking additive. Chemical Engineering & Technology, 40(9), 1561-1568
Hesselbach, J., Kockmann, A., Lüke, S., Overbeck, A., Garnweitner, G., Schilde, C., & Kwade, A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/ceat.201600528) - (2018). Micromechanics of anisotropic cross-linked enzyme crystals. Crystal Growth & Design, 18(10), 5885-5895
Kubiak, M., Solarczek, J., Kampen, I., Schallmey, A., Kwade, A., & Schilde, C.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.cgd.8b00637)
