Lange Zeit trennten Ultrafiltrationsmembranen, die in der pharmazeutischen Produktion und in industriellen Prozessen eingesetzt werden, Moleküle hauptsächlich nach ihrer Größe. Nun hat ein Forschungsteam der Cornell University ein neuartiges poröses Material entwickelt, das Moleküle anhand ihrer chemischen Zusammensetzung filtern kann. Die zugehörige, in *Nature Communications* veröffentlichte Studie eröffnet revolutionäre Möglichkeiten für die Ultrafiltrationstechnologie.

Herkömmliche Ultrafiltrationsmembranen sind weniger effektiv bei der Trennung von Molekülen ähnlicher Größe und ähnlichen Gewichts, aber unterschiedlicher chemischer Eigenschaften, wie beispielsweise Antikörper mit unterschiedlichen Strukturen. In dieser Studie mischte das Team Blockcopolymer-Mizellen (winzige, selbstorganisierte Polymerkugeln) mit unterschiedlichen chemischen Eigenschaften, um eine Membran zu erzeugen, die Moleküle anhand ihrer chemischen Affinität filtern kann. Studienleiter Ulrich Wiesner erklärte: „Dies ist die erste wirklich effektive Methode zur Herstellung von Ultrafiltrationsmembranen mit chemisch vielfältigen Porenoberflächen, und dieses neue Verfahren hat das Potenzial, die Ultrafiltrationstechnologie zu revolutionieren.“ Im Rahmen ihrer Forschung ließ sich Wiesners Gruppe von der natürlichen Fähigkeit von Proteinkanälen inspirieren, Metallionen zu unterscheiden, und untersuchte den Einfluss von Mizellenwechselwirkungen auf die Selbstorganisation. Durch die Kombination verschiedener Blockcopolymere kontrollierten sie die Verteilung unterschiedlicher chemischer Substanzen in den Poren der Membranoberfläche. Erstautorin Dr. Lily Char erklärte, dass das Prinzip zwar einfach sei, die experimentelle Umsetzung jedoch eine Herausforderung darstelle, insbesondere die Bestimmung der Lokalisierung der chemischen Eigenschaften der Mizellen.

Um die Ausrichtung der Mizellen zu untersuchen, bildete das Forschungsteam Hunderte von Proben mittels Rasterelektronenmikroskopie ab und nutzte maschinelle Lernverfahren, um Unterschiede in den Porenmustern zu erkennen und so die Positionen der Mizellen zu bestimmen. Koautor Fernando A. Escobedo führte molekulare Simulationen durch und enthüllte die Regeln der Mizellen-Selbstorganisation. Er merkte an, dass dies stark grobkörnige Modelle und eine umfangreiche Kalibrierung erfordere.

Diese Forschung baut auf den vorherigen Arbeiten des Teams auf dem Gebiet der Blockcopolymer-Selbstorganisation auf, die zur Gründung von Terapore Technologies führten, einem Unternehmen, das Ultrafiltrationsmembranen zur Virusseparation in der Biopharmazie herstellt. Die neue Forschung eröffnet anderen Unternehmen die Möglichkeit, Affinitätstrennmembranen herzustellen, deren Oberflächenchemie die Eigenschaften der Poren beeinflusst. Vesner erklärte, dass die neue Methode Ultrafiltrationsprozesse revolutionieren und völlig neue Anwendungsgebiete erschließen könnte. Darüber hinaus birgt diese Forschung vielversprechende Ansätze für die Entwicklung neuartiger Materialien, die in intelligenten Beschichtungen und Biosensoren eingesetzt werden können. Das Team arbeitet weiterhin an der Entwicklung von Methoden zur Untersuchung der Trennschichten auf Materialoberflächen.

Weitere Informationen: Lieihn Tsaur et al., Thin film surface assembly of block copolymer micelles with different chemical properties, Nature Communications (2025).