Gereedschapskist voor poreuze silica goed nieuws voor productie van medicijnen
Nieuwe productiemethode voor silica is grootschalig, goedkoop en precies
De chemische en farmaceutische industrie is sterk afhankelijk van poreuze silica voor de zuivering en omzetting van grondstoffen in producten. Silica-materialen met verschillende poriëngroottes zijn in de handel verkrijgbaar, maar het ontbreekt tot dusver aan een manier om deze materialen grootschalig, flexibel en goedkoop te produceren. Onderzoekers van de TU/e en Nouryon hebben een methode ontwikkeld om op grote schaal op maat gemaakte silicamicrobolletjes te synthetiseren, waarbij de porositeit en poriegrootte precies kan worden bepaald. Hun onderzoek draagt bij aan het inzicht in de assemblage van microbolletjes in emulsies, en maakt de weg vrij voor de volgende generatie silicamicrobolletjes. De resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Functional Materials.
Veel natuurlijke stoffen zoals steen, grond of hout zijn poreus, waardoor vloeistoffen erdoorheen kunnen stromen. Op vergelijkbare wijze, maar op veel kleinere schaal, wordt poreus siliciumdioxide vaak gebruikt in de chemische industrie, om grondstoffen te filteren en te scheiden, of om ze (met behulp van katalytische nanodeeltjes) om te zetten in producten.
Om het proces efficiënter te maken en de zuiverheid van producten te verhogen, zijn silicamaterialen nodig met een poriegrootte en porositeit die precies is afgestemd op de specifieke grondstof en het specifieke scheidingsproces. Het bereik van haalbare poriëngroottes en porositeiten in de grootschalige productie van poreuze silicatechnologie is tot dusver echter beperkt gebleven.
Sol-Gel-emulsies
Poreuze silica kan worden gemaakt door middel van een technologie die bekend staat als sol-gel-emulsietechnologie. Het maakt gebruik van silicagedeeltjes in een wateremulsie (zogenaamde colloïden) – de sol - om een poreus silicanetwerk te vormen - de gel. De voordelen van het maken van poreuze silica uit nanodeeltjes zijn dat er geen extra sjabloonmoleculen nodig zijn om de vorming van een poreus netwerk te sturen. Het proces kan ook eenvoudig worden opgeschaald. Bovendien kan een hoge mate van controle over de gelatiereactie worden bereikt door de concentratie van oplosmiddelen, de zuurgraad, de temperatuur of de toevoeging van zouten (ionensterkte) te manipuleren.
Omdat de gelatiereactie plaatsvindt in een water-olie-emulsie, is er speciale aandacht besteed aan de omstandigheden in de waterdruppels. Poreuze silica kan worden gemaakt door de emulsiedruppels onder vacuümomstandigheden te laten krimpen ((verdampingsgestuurde assemblage), of door de reactietemperatuur sterk te verhogen in combinatie met hoge zoutconcentraties (gelatiegestuurde assemblage).
Door de grootte van de silicadeeltjes te veranderen van 4 nm naar 25 nm, konden de onderzoekers verschillende, maar goed gedefinieerde poriegroottes bereiken tot 40 nm. Bij het mengen van twee soorten silica mengsels kon elke poriegrootte tussen 4 en 50 nm worden gemaakt. Op deze manier konden ook de porositeit en de poriegrootte onafhankelijk van elkaar worden veranderd, wat voorheen niet mogelijk was.
Volgens Heiner Friedrich, die het paper heeft geschreven samen met onder meer zijn collega Remco Fijneman, is de nieuwe gereedschapskist zowel flexibel als kostenbesparend. "Onze methode maakt de weg vrij voor de volgende generatie op maat gemaakte silicamicrobolletjes, die kunnen worden gebruikt bij zuivering, scheiding, katalyse en andere toepassingen."
Ontwikkeling van medicijnen
Een van de meest veelbelovende toepassingen van deze technologie is de ontwikkeling van geneesmiddelen, waarbij de scheiding en zuivering van moleculen een cruciale stap is. Dit gebeurt meestal met behulp van de zogeheten high-performance liquid chromatograph- techniek (HPLC). Het algemene principe van HPLC is eenvoudig: een vloeistof die een mengsel van moleculen bevat, wordt door een vast stationair bed van poreuze silicamicrobolletjes geleid en wordt in verschillende fracties gescheiden op basis van een verschil in affiniteit tussen de moleculen en de microbolletjes.
Een belangrijke maar moeilijk scheidbare klasse van moleculen zijn biomacromoleculen zoals peptiden en antilichamen, vooral vanwege hun verschillende afmetingen en uiteenlopende eigenschappen. Wanneer de sleutel (het molecuul) niet past op het slot (de microsphere), kan er geen efficiënte scheiding plaatsvinden. De door de onderzoekers geproduceerde siliciumbolletjes kunnen specifiek worden afgestemd op de grootte en vorm van het betreffende macromolecuul. Dit is veel efficiënter dan conventionele industriële processen, waarbij generieke microbolletjes worden geproduceerd uit één maat bouwsteen. Die moeten vervolgens meerdere tijdrovende nabehandelingen ondergaan om de eigenschappen van de microbolletjes precies goed te krijgen.
De onderzoekers werkten bij hun onderzoek samen met het chemiebedrijf Nouryon.
Andreas J. Fijneman, Gijsbertus de With, Heiner Friedrich et al. Multiscale Colloidal Assembly of Silica Nanoparticles into Microspheres with Tunable Mesopores. Advanced Functional Materials. DOI: 10.1002/adfm.202002725.