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Für gute Luft I Die Technik von Aerospec aus der Schweiz bestimmt die chemische Zusammensetzung und Quellensignaturen von Aerosolen. Das kombinierte Hard- und Softwareprodukt ermöglicht eine datengesteuerte Politikgestaltung, um Feinstaubbelastungen zu senken. Geschäftsführer ist Nikunj Dudani (Handelsregistereintrag vom 8.1.2024).Für schnelles Forschen I Myotwin aus Göttingen verbessert Methoden der präklinischen Herzforschung. Der Science-as-a-Service-Ansatz basiert auf Organoiden des menschlichen Herzmuskels und Verfahren, die reproduzierbare Ergebnisse für Anwendungen wie Arzneimittelprüfungen liefern. Damit lässt sich die Entwicklungsgeschwindigkeit erhöhen und der Bedarf an Tierversuchen reduzieren. Geschäftsführer ist Andreas Torben (28.9.2023).Gegen Krebs I Akribion Genomics aus Zwingenberg in Hessen findet Crispr-Nukleasen und entwickelt sie zu einer neuen Klasse gentechnisch basierter Krebstherapien und zu Genom-Editierwerkzeugen. Die Plattform umfasst Techniken (G-dases) für die industrielle Biotechnik, die Landwirtschaft und für therapeutische und diagnostische Lösungen. Geschäftsführer ist Lukas Linnig (6.6.2023).Gegen atmosphärisches CO2 I Das Berliner Unternehmen Carbon Farming Germany erzeugt Kraftstoff, Pflanzenkohle und flüssiges Kohlendioxid. Grundlage sind Biogasanlagen, die Methan produzieren und in das örtliche Erdgasnetz einspeisen. Die Gärreste werden zu Pflanzenkohle pyrolysiert. Bei den Verfahren entstehendes CO2 wird aufgefangen und in tiefen Untergründen gespeichert. Geschäftsführer ist Marc Feldmann (13.4.2023).Holger Bengs, European Chemistry Partnering, schaut für die Nachrichten aus der Chemie ins Handelsregister.

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Für gute Luft I Die Technik von Aerospec aus der Schweiz bestimmt die chemische Zusammensetzung und Quellensignaturen von Aerosolen. Das kombinierte Hard- und Softwareprodukt ermöglicht eine datengesteuerte Politikgestaltung, um Feinstaubbelastungen zu senken. Geschäftsführer ist Nikunj Dudani (H...

Werden die Varianten der Strömungspotenzialmessung kombiniert, lässt sich charakterisieren, wie das Speichelenzym Lysozym an der Oberfläche einer CoCr-Legierung adsorbiert. Dies dient als Modellsystem, um zu untersuchen, ob ein menschlicher Körper ein Zahnimplantat annehmen wird.Die Anwendbarkeit technischer Werkstoffe – Kunststoffe, Keramiken oder Metalle – für biomedizinische Produkte wird wesentlich durch die Eigenschaften der Materialoberfläche bestimmt. Insbesondere bei Implantaten beeinflusst die Wechselwirkung von Proteinen und Zellen mit der Oberfläche des Ersatzmaterials, ob der menschliche Organismus den Ersatz akzeptiert. Zusammengefasst wird dies unter dem Begriff der Bio- oder Hämokompatibilität.Einige analytische Methoden zur Charakterisierung der Materialoberfläche helfen dabei, die Biokompatibilität zu verbessern und machen bestenfalls die Anwendbarkeit schon außerhalb des Körpers vorhersagbar.Rauigkeit, Benetzbarkeit und Ladung tragen wesentlich zur Biokompatibilität von Implantaten bei. Erfasst werden diese Eigenschaften mit Rasterkraftmikroskopie, Kontaktwinkelmessung und durch die Bestimmung des Zetapotenzials.Neben der ganzheitlichen Charakterisierung der Oberflächeneigenschaften mit diesen größtenteils komplementären Messmethoden ist es wünschenswert, die Wechselwirkung des Implantats mit seiner biologischen Umgebung direkt zu analysieren. Allerdings gibt es nur wenige analytische Methoden, mit denen sich Adsorptionsvorgänge an der Grenzfläche fest-flüssig bestimmen lassen.Im Batchverfahren wird der zu prüfende Festkörper einer Lösung an Adsorbat zugesetzt und dessen Anlagerung an der Oberfläche indirekt ermittelt, indem die sinkende Adsorbatkonzentration in Lösung bestimmt wird. Das kann beispielsweise mit einer spektroskopischen Methode geschehen. Dies lässt sich allerdings nur bei Materialien mit großer spezifischer Oberfläche wie Pulver oder Fasern durchführen, da das Verfahren bei einer zu kleinen Oberfläche unempfindlich wird; zudem ist der Adsorptionsprozess nur gering zeitlich aufgelöst.Die Methode der Quarzkristallmikrowaage hebt diese Nachteile auf, erfordert jedoch eine Modelloberfläche anstelle einer repräsentativen Materialprobe. Das hier beschriebene Beispiel nutzt als alternatives Messverfahren die Strömungspotenzialmethode. Sie dient vorwiegend zur Bestimmung des Zetapotenzials an Oberflächen.<h2 type="main">Das Strömungspotenzial</h2>Das Strömungspotenzial ist eine elektrische Spannung, die entsteht, wenn eine Flüssigkeit durch eine Kapillare (Strömungskanal) oder durch ein poröses Medium strömt. Die Flüssigkeit, etwa eine wässrige Lösung bekannter Zusammensetzung, fließt unter Druck – je nach Größe des Strömungskanals zwischen 100 und 1000 mbar – durch den Strömungskanal. Abhängig von den experimentellen Bedingungen, also der Ladung oder dem Zetapotenzial an der Grenzfläche fest-flüssig, Salzgehalt und der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit sowie der Größe des Strömungskanals werden Spannungswerte von einigen 100 Mikrovolt bis hin zu 1 bis 2 Volt erreicht.Die funktionellen Gruppen an der Materialoberfläche und die Zusammensetzung der Flüssigkeit bestimmen das Zetapotenzial. In der Regel wird die Flüssigkeitszusammensetzung variiert – zum Beispiel der pH-Wert einer wässrigen Lösung durch Zufügen von Säure oder Lauge, Salzkonzentration –, um mit dem Strömungspotenzial und dem daraus errechneten Zetapotenzial die Natur der funktionellen Oberflächengruppen zu erfassen.Umgekehrt lässt sich die Änderung der Ober- und Grenzflächenladung durch Anlagerung (Adsorption) gelöster Stoffe wie Tenside, Proteine oder Polymere an der Materialoberfläche durch zeitaufgelöste Messung des Strömungspotenzials erfassen. Diese beiden Varianten der Strömungspotenzialmessung wurden herangezogen, um die im Folgenden beschriebene Aufgabe zu lösen.<h2 type="main">Die Aufgabe: Wie wechselwirken Implantate mit Proteinen?</h2>Wie Implantatoberflächen mit Proteinen wechselwirken, ist wichtig, um ihre Biokompatibilität zu bewerten. Handelt es sich um ein Langzeitimplantat, ist die Anlagerung von Plasmaproteinen eine Voraussetzung für Zellwachstum und letztlich die Integration des Ersatzmaterials.Anders verhält es sich bei temporären Implantaten wie Zahnprothesen. Hier ist die Anlagerung von Speichelproteinen unerwünscht, da Biofilme entstehen können. Dies wurde anhand einer Cobalt-Chrom-Legierung als Komponente einer Zahnprothese und mit Lysozym als repräsentatives Speichelprotein simuliert.Dazu wurden scheibenförmige Proben der CoCr-Legierung (Durchmesser 14 mm, Dicke 1 mm) auf Probenträgern der Spaltmesszelle für 14-mm-Scheiben des Messgeräts SurPASS 3 fixiert. Der Abstand zwischen den Probenoberflächen wurde auf 100 µm verringert, um die Anforderung der Strömungspotenzialmessung an die Dimension des Strömungskanals zu erfüllen. Um die Umgebungsbedingungen in der Mundhöhle anzunähern, wurden die Messungen in einer künstlichen Speichellösung1) durchgeführt. Lysozym wurde in einer Konzentration von 10 µg · mL–1 vorgelegt – diese Konzentration ist geringer als in natürlichem Speichel, aber angepasst an die Größe der CoCr-Scheibe (im Vergleich zur Oberfläche einer Zahnprothese) und an die Randbedingungen der Strömungspotenzialmessung.<h2 type="main">Diskussion der Ergebnisse</h2>Die Kombination einer Einpunktmessung des Zetapotenzials, seiner pH-Abhängigkeit mit der Bestimmung des isoelektrischen Punkts (IEP = pH-Wert, bei dem das Zetapotenzial 0 mV beträgt) und der dynamischen Strömungspotenzialanalyse zur Erfassung der Adsorptionskinetik ermöglicht, die Ladungsvorgänge an der Grenzfläche zwischen der CoCr-Legierung und wässriger Lösung unterschiedlicher Zusammensetzung umfassend zu charakterisieren.Die Abbildung oben links vergleicht das Zetapotenzial der CoCr-Legierung in einer verdünnten künstlichen Speichellösung vor und nach der Lysozym-Adsorption. Wie die Änderung des Zetapotenzials von ζ = –15,5 mV in der Speichellösung auf ζ = +15,4 mV in Gegenwart von Lysozym beweist, lagert sich das Protein an der CoCr-Oberfläche an. Nach Reinigung der Probe mit Reinstwasser und Wiederholung der Messung in der künstlichen Speichellösung weist das weiterhin positive Zetapotenzial (ζ = +6,1 mV) auf eine Restkontamination von CoCr mit Lysozym hin.Als Vergleich wurde das Experiment mit einer Stahlprobe 316L wiederholt. Die Zetapotenzialwerte in Speichellösung, mit Lysozym und nach Reinigung sind ähnlich wie beim vorherigen Versuch. Aufgrund der hohen Reproduzierbarkeit der Messwerte lassen sich dennoch Unterschiede zwischen beiden Metalloberflächen feststellen: Probe 316L trägt eine höhere negative Ladung als CoCr, ein möglicher Grund für die geringere positive Ladung nach Lysozym-Adsorption. Interessant ist der Vergleich der Zetapotenzialwerte nach Reinigung mit Wasser, der auf eine höhere Restkontamination der 316L-Oberfläche mit Lysozym hinweist.Die dynamische Strömungspotenzialmessung ermöglicht, die Anlagerung des Proteins an der Materialoberfläche zeitlich zu verfolgen. Die <link href="#nadc20244142028-fig-0001">Abbildung S. 33 oben rechts zeigt die relative Änderung des Strömungsstroms (aufgrund der metallischen Leitfähigkeit ist diese Messgröße dem Strömungspotenzial zu bevorzugen2)) nach Zufügen von 10 µg · mL–1 Lysozym zur verdünnten Speichellösung. Bereits nach 20 Sekunden erreicht die Adsorption des Proteins an den Oberflächen von CoCr und 316L ihren Gleichgewichtszustand. Die Metalloberflächen unterscheiden sich jedoch hinsichtlich der Adsorptionsrate: Das Protein lagert sich schneller an CoCr an.<figure xml:id="nadc20244142028-fig-0001"><figure><img alt="image" src="https://media.graphassets.com/vr9l0NLXRBaCfwNSBJgg"><figcaption><label>Abb.1: </label>Oben links: Zetapotenzial einer CoCr-Legierung und Edelstahl 316L in verdünnter künstlicher Speichellösung (pH 5,1) vor und nach Adsorption von Lysozym (10 µg · mL–1) und nach Reinigung mit Reinstwasser. Oben rechts: Dynamische Strömungsstrommessung der Adsorptionskinetik von Lysozym (10 µg · mL–1 in Speichellösung) auf CoCr und 316L. Rechts: pH-Abhängigkeit des Zetapotenzials für CoCr in Speichellösung vor und nach Adsorption von Lysozym und in verdünntem Phosphatpuffer.</figcaption></figure></figure>Um die Messreihe zu vervollständigen und den Bedeckungsgrad der Metalloberfläche durch Lysozym abzuschätzen, wurde im Anschluss an die Einpunktmessung die pH-Abhängigkeit des Zetapotenzials nach Reinigung bestimmt. Die Abbildung S. 33 rechts zeigt den Verlauf des Zetapotenzials mit dem pH-Wert der künstlichen Speichellösung in einem pH-Bereich, der den isoelektrischen Punkt umfasst, für die CoCr-Legierung und CoCr nach Adsorption von Lysozym und Desorption des temporär gebundenen Proteins. Die Lage der isoelektrischen Punkte für CoCr (IEP 4,53), Lysozym (pI 11,1)3) und CoCr nach Proteinadsorption (IEP 5,28) deutet auf einen Bedeckungsgrad von 11 Prozent der CoCr-Oberfläche mit Protein hin. Abbildung 1c zeigt zudem als Vergleich die pH-Abhängigkeit des CoCr-Zetapotenzials in Gegenwart einer verdünnten Phosphatpufferlösung (PBS). Trotz ähnlicher elektrischer Leitfähigkeiten der beiden biologischen Pufferlösungen (Speichel und PBS) unterscheiden sich die Zetapotenziale deutlich. Wir führen die Erhöhung des Zetapotenzials für CoCr in Speichellösung auf deren Zusammensetzung zurück, die komplexer ist als die der PBS. Besonders großen Einfluss hat unserer Meinung nach Harnstoff. Das Ergebnis zeigt, wie in der Pufferlösung gelöste Komponenten sowohl das Zetapotenzial als auch das Adsorptionsverhalten von Proteinen beeinflussen.<h2 type="main">Der Autor</h2>Diesen Beitrag hat Thomas Luxbacher verfasst. Er arbeitet seit 20 Jahren bei Anton Paar, Graz, Österreich, derzeit als Principal Scientist.<h2 type="main">AUF EINEN BLICK</h2>Mit dem Strömungspotenzial lässt sich das Zetapotenzial an der Grenzfläche zwischen einem Festkörper und einer Flüssigkeit bestimmen.Das Zetapotenzial zeigt den Ladungszustand an der Grenzfläche fest-flüssig und dessen Änderung, wenn sich gelöste Stoffe anlagern.Wird die pH-Abhängigkeit des Zetapotenzials mit dem dynamischen Strömungspotenzial kombiniert, ergibt sich ein umfassendes Bild über Grenzflächenprozesse wie die Adsorption von Proteinen an Implantatoberflächen.<ul class="references" cited="no" style="numbered" xml:id="nadc20244142028-bibl-0001"><li xml:id="nadc20244142028-bib-0001">1 A. Ziebowicz, A. Sambok-Kielbowicz, W. Walke et al., Materials 2021, 14(5), 1079</li><li xml:id="nadc20244142028-bib-0002">2 T. Luxbacher, The ZETA Guide, Anton Paar GmbH, 2014</li><li xml:id="nadc20244142028-bib-0003">3 T. Nezu, T. Masuyama, K. Sasaki et al., Dent. Mater. J. 2008, 27(4), 573</li></ul>

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