Qualitätssprung bei Polymeren

Forscher des Institutes für Physikalische Chemie entwickeln neue Methode zur Polymertrennung

05.03.2004

Wissenschaftler des Instituts für Physikalische Chemie der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) haben eine neue Methode zur Polymertrennung entwickelt. Das weltweit zum Patent angemeldete Verfahren ermöglicht die Entfernung von störenden niedermolekularen und/oder hochmolekularen Bestandteilen im technischen Maßstab. Diese Innovation verspricht wesentliche Fortschritte auf medizinisch/pharmazeutischem Gebiet und bei den Hochleistungspolymeren.

Polymere sind aus dem heutigen Leben nicht mehr wegzudenken. Sie finden sich nicht nur in Massenprodukten (Verpackungsmaterial, Kleidung etc.), sondern erfüllen zunehmend auch in der Medizin und im technischen Bereich anspruchsvolle Aufgaben. Dabei stört häufig die Tatsache, dass Polymere auch bei gleicher chemischer Zusammensetzung Moleküle sehr unterschiedlicher Größe enthalten. Im Falle von medizinisch interessanten Polymeren kann es unter anderem dadurch zu Entzündungen kommen. Schuld sind oft die kurz- beziehungsweise die langkettigen Anteile. Analoge Einschränkungen hinsichtlich geeigneter Proben gelten auch für technisch wichtige Hochleistungspolymere. Für besondere Ansprüche ist daher eine Entfernung der störenden Bestandteile notwendig.

Da Polymere nicht verdampfen und in der Regel auch nicht ausreichend kristallisieren, kann man die erwünschte Abtrennung, die sogenannte Fraktionierung, nur über den flüssigen Zustand erreichen. Sie läßt sich dadurch realisieren, dass man zwei nur beschränkt mischbare Flüssigkeiten (ähnlich wie Öl und Wasser) erzeugt. Unter geeigneten Bedingungen sammeln sich dann die erwünschten Komponenten in der einen Flüssigkeit und die störenden Komponenten in der anderen. Obwohl diese Möglichkeit schon lange bekannt ist, konnte sie bisher wegen des langsamen Stoffaustausches zwischen diesen Lösungen nur im Gramm-Maßstab und bei hoher Verdünnung genutzt werden. Mit Hilfe eines im letzen Jahr von Prof. Dr. Bernhard A. Wolf und seinen Mitarbeitern weltweit zum Patent angemeldeten Prozess lassen sich nunmehr praktisch alle löslichen Polymeren in technisch interessanten Mengen fraktionieren. Dreh- und Angelpunkt dieser als Continuous Spin Fractionation (CSF) bezeichneten Methode ist die Verwendung von Spinndüsen. Diese besitzen typischer Weise je etwa 1.000 Löcher vom Durchmesser eines Haares und führen durch die feine Zerteilung der beiden Flüssigkeiten zur drastischen Erhöhung des Stoffaustauschs. Auf diese Weise lassen sich bereits mit einer einzigen Düse im Labor pro Stunde 60 Gramm Polymeres fraktionieren. Verwendet man, wie zum Beispiel bei der industriellen Erzeugung von Textilfasern, viele Spinndüsen gleichzeitig, so kann man die Mengen beliebig steigern.

Der praktische Einsatz der neuen Methode und die mit ihrer Hilfe erreichbaren Verbesserungen werden derzeit für verschiedene Problemstellungen und Polymertypen studiert. Hyaluronsäure, ein aus Hahnenkämmen gewonnenes Produkt, das für Operationen am Auge verwendet wird, ist ein Beispiel. Im Rahmen eines von der Innovationsstiftung des Landes Rheinland-Pfalz geförderten Projekts und in Kooperation mit Prof. Dr. Burkhard Dick und Prof. Dr. Norbert Pfeiffer von der Augenklinik der Universitätsmedizin Mainz wird untersucht, welche Verbesserungen durch Fraktionierung für den medizinischen Einsatz erreicht werden können. Inzwischen hat das neue Verfahren auch internationales Interesse gefunden. Derzeit untersucht Rei Sugaya, japanische Gastwissenschafterin an der JGU, die Anwendung der CSF auf wasserlösliche Biopolymere.