Nanoporen machen die Sterilfiltration sicherer
Unregelmäßige Poren, geringe Durchflussraten: Für die Sterilfiltration verwendete Membranfilter aus Kunststoff garantieren nicht immer Keimfreiheit. Filtrationsmembranen aus Aluminiumoxid sind zuverlässiger - die Größe der Nanoporen lässt sich präzise einstellen. Sogar kleinste Viren können die Membran nicht passieren.
Diese mechanisch-stabilisierte nanoporöse Filtermembran weist eine regelmäßige Porenstruktur auf. Zugleich ist die Porengrößenverteilung sehr eng und gleichmäßig.
© Fraunhofer IWM
Die Guten gehören ins Töpfchen, die Schlechten ins Kröpfchen - auf diesem Prinzip basiert die Sterilfiltration: Dabei befreit eine Filtrationsmembran Flüssigkeiten von unerwünschten Partikeln und Keimen. Durch die Poren des Filters, die einen Durchmesser von meist wenigen Zehntausendstel Millimeter haben, gelangt nichts, was größer ist. Herkömmliche Membranen, meist aus Kunststoffen, stoßen dabei an Grenzen: Ihre Poren sind nicht gleichmäßig verteilt, hin und wieder fallen sie auch zu groß aus - und Partikel flutschen doch durch. Zudem können gewöhnliche Filtrationsmembranen gegen Viren kaum etwas ausrichten: Die meisten Viren sind kleiner als die Poren und lassen sich somit nicht herausfiltern.
Forscher am Fraunhofer-Institut für Werkstoffmechanik IWM in Halle haben jetzt eine neue Generation von Filtrationsmembranen geschaffen: Sie entwickelten keramische Membranen mit einer regelmäßigen Porenstruktur sowie einer sehr engen und gleichmäßigen Porengrößenverteilung. »Im Vergleich zu bisherigen keramischen Membranen besitzen sie eine bessere mechanische Stabilität sowie wesentlich höhere Durchflussraten und können damit erstmals Polymermembranen ersetzen«, sagt Annika Thormann, Projektleiterin am IWM. Diese Membranen garantieren deutlich zuverlässigere Filtrationsergebnisse als es bei Polymermembranen der Fall ist. Elektronenmikroskopische Aufnahmen der Membranen beweisen: Wie Waben eines Bienenstocks sitzen die Poren regelmäßig aneinander, eine gleicht der anderen.
»Um solche Filtrationsmembranen herstellen zu können, verwenden wir als Ausgangsmaterial hochreines Aluminium, das wir durch Fließpressen und thermomechanische Strukturierung in die gewünschte Form bringen«, erläutert Thormann. Doch wie kann man die winzigen Poren auf einer Aluminiumplatte so exakt herstellen? »Diese Arbeit übernimmt eine chemische Reaktion«, sagt Thormann. Das Aluminiumformteil kommt in ein Säurebad, in dem eine anodische Oxidation stattfindet. Bei dieser Elektrolyse bildet sich auf der Oberfläche eine wenige Mikrometer dicke Oxidschicht. »Winzige Poren wachsen während der Oxidation in das Aluminium hinein«, erklärt die Wissenschaftlerin. Diese Nanoporen sind wabenförmig und senkrecht zur Oberfläche und alle parallel zueinander ausgerichtet. »Um die Porengröße festzulegen, müssen wir die Spannung und die Konzentration der Säure stabil einstellen«, so Thormann. Auch die Dicke der nanoporösen Schicht, und damit die Durchflussrate der Membran, kann man über die Dauer der Oxidation genau festlegen. Abschließend müssen die Poren nur noch geöffnet werden. Dabei hilft ein chemischer Ätzschritt, der unnötige Aluminiumreste ablöst.
Das Ergebnis sind hochpräzise Filtrationsmembranen mit einer hohen Porosität. »Den Porendurchmesser können wir zwischen 15 und 450 Nanometer variieren«, sagt die Forscherin. Bei 15 Nanometer haben selbst kleinste Viren keine Chance, durchzukommen. Von den neuen Filtrationsmembranen profitiert vor allem die Biotechnologie. Neben der Nutzung der Filtrationseigenschaften bei der Herstellung von sterilen Medien können auch beim Tissue Engineering, also der Kultivierung von künstlichem Gewebe, die Membranen durch ihre hohe Porosität von Vorteil sein.
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