Gelatine hält nicht nur Gummibärchen, Sahnepuddings und Weichkapseln in Form. Aufgrund seiner Fähigkeit, durchgehende und mechanisch stabile Filme zu bilden, ist das Biopolymer auch für Beschichtungen gefragt, etwa von Textilien, Papier oder fotografischen Filmen, in denen Gelatine als Träger von Pigmenten und Chemikalien fungiert. Das natürliche Protein ist zudem sehr gut biokompatibel, sodass es sich auch für Anwendungen in Kosmetik und Medizin eignet, etwa als Träger für Wirk- und Farbstoffe oder als quellfähige Wundauflage.

Häufig ist es jedoch notwendig, die Materialeigenschaften gezielt anzupassen, beispielsweise für den Einsatz im 3D-Bioprinting. So ist Gelatine aufgrund ihres temperaturabhängigen Gelierverhaltens erst bei höheren Temperaturen fließfähig, verliert jedoch unter physiologischen Bedingungen an Formstabilität. Für diese Fälle optimiert das Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB die Eigenschaften von Gelatine anforderungsspezifisch mithilfe chemischer Modifizierungsreaktionen.

»Für den Einsatz im Bioprinting modifizieren wir Gelatine so, dass wir sowohl die Eigenschaften der Biotinte als auch die strukturelle Stabilität nach dem Druck gezielt einstellen können«, erklärt Dr. Achim Weber, Bereichsleiter Biofabrikation und Materialentwicklung am Fraunhofer IGB. Neben dem Gel- und Schmelzpunkt und damit dem Gelierverhalten können auch die Viskosität, die Löslichkeit oder die Ladung des Biopolymers an die jeweils gewünschte Anwendung angepasst werden.

Automatisierter, standardisierter Prozess für konsistente Materialeigenschaften

Um die Eigenschaften des optimierten Materials testen zu können, benötigen Partner aus Forschung und Industrie in der Regel größere Mengen der funktionalisierten Biopolymere. Für eine skalierbare und reproduzierbare Herstellung funktionalisierter Gelatine hat das Materialentwicklungsteam am Fraunhofer IGB nun neue Prozesse in automatisierten Reaktorsystemen etabliert.

In den automatisierten Reaktoren werden alle relevanten Prozessparameter nach einem eigens definierten Standardprotokoll (SOP) systematisch erfasst und angepasst – von der Temperatur, dem Zufluss beispielsweise des Methacrylsäureanhydrids, über den pH-Wert bis zur zudosierten Natronlauge. Dettling konnte zeigen, dass der resultierende Methacrylierungsgrad der Gelatine im 1-Liter-Reaktor sich linear zum Methacrylsäureanhydrid-Überschuss der Zuflusslösung verhält – ein Befund, der sich bei der manuellen Herstellung im Kolben so nicht demonstrieren ließ.

»In unserem 1-Liter-Reaktor können wir nun 100 Gramm modifizierte Gelatine reproduzierbar und mit absolut konsistenter Qualität herstellen«, so Dettling. Derzeit überträgt die angewandte Chemikerin die standardisierte Prozessführung auf Reaktoren mit Volumina von 5 und 10 Litern, um zu zeigen, dass die Materialeigenschaften auch bei der weiteren Skalierung reproduzierbar bleiben. In einem Batch-Ansatz kann dann bis zu einem Kilogramm funktionalisierter Gelatine hergestellt werden.